基于项目实践的工业设计专业实验教学研究.pdf

汪伦杰，李鲜花，吕健：基于项目实践的工业设计专业实验教学研究189基于项目实践的工业设计专业实验教学研究汪伦杰，李鲜花，吕健（贵州大学机械工程学院，贵州贵阳550025；贵州大学现代制造技术教育部重点实验室，贵州贵阳550025）摘要：根据工业设计专业“新工科”人才培养标准，以校企合作为依托，建立基于项目实践的教学模式，将项目分解为三个子实验，利用“动作捕捉实验+表面肌电信号+眼动实验”的“多维度”认知实验教学平台，实现实验与项目的对接，提高学生的自主学习能力、实践能力、创新能力、科研能力，为工业设计学科的实验课程建设提供新思路。关键词：项目实践；实验教学；工业设计；教学改革；“多维度”认知基金项目：工业设计工程课程案例库建设（黔教合 YJSCXJH 2018 088）。作者简介：汪伦杰，女，贵州大学现代制造技术教育部重点实验室实验师。李鲜花，女，苗族，贵州大学现代制造技术教育部重点实验室实验师。吕健，男，贵州大学现代制造技术教育部重点实验室副教授。2017 年以来，教育部积极推进“新工科”建设。在“新工科”背景下，要求高校培养出多元化发展的人才1。2019 年，教育部高校教学指导委员会做出建设工业设计专业新工科的部署，赋予工业设计专业新的历史责任和新的发展要求2。在“新工科”部署下，培养工业设计的人才应有新的要求：在专业储备方面，除了应具备机械专业的基本素养，还应具备计算机、生物、心理学等相关学科知识；在能力方面，要求提升其工程实践和创新能力3-4。这对于高校的工业设计专业而言，是机遇也是新的挑战。工业设计是一门较新的学科，大多是基于机械设计、轻工业纺织等专业构建5，很多学校在本科教学中，因缺乏实190 Academic and Practise 学术与实践验设备、师资力量不足、教学理念陈旧等问题，往往重理论、轻实践，难以开展实践教学，导致学生所学的知识难以应用到工程中。在教学方法上，往往以教师为主导，学生被动接收知识，这样传统的教学方式使得学生不能很好发挥主观能动性。近年来，国内学者对教学方式的变革日渐重视，提出了多种方法以提高学生的主观能动性。比如“翻转课堂”的理念，即改变传统教学中教师的主导作用，将学习的主动权交给学生。课前和课后学生通过观看视频、自学教师布置任务等方式自主学习，上课时不再以老师讲课、学生听课为主要形式，而是将课堂变为师生互动的平台。为了配合这种新的学习理念，“雨课堂”“超星学习通”等软件也在高校大力推广，通过这些软件，可实现课前老师布置任务、学生通过平台上教师预留的学习资料自学；课堂中学生之间讨论问题，老师解答，更好实现师生随时互动；课后在平台上反馈以及与同学积极交流的目的6-9。以项目实践为主导的教学模式因其能最大程度调动学生的学习热情，近年来受到广泛关注。以项目为主导的教学模式将学生集中到工作室或实验室，以团队形式共同参与工作，学生掌握学习的主动权，教师充当“项目管理人”的角色。学生在项目实践过程中，将所学理论与实践相结合。更重要的是，学生的实践结果可以得到企业及市场的验证，这也将大大提高学生的信心，增加其学习动力10-12。学校与企业合作的教学模式是一种非常好的项目实践形式，学校和企业双赢。对学生而言，实践教学以企业项目为主导，在学生参与项目的过程中，不仅培养学生的实践能力，也能提高学生的理解、沟通、团队合作能力。对企业而言，将项目交予高校做，能利用高校资源更高效地解决实际问题。一、构建实验教学方案工业设计是一门综合性很强的学科，在人才培养中，如何将理论与实践结合是重要课题。工业设计的实验课程是提升学生实践能力的重要环节。当前，高校工业设计的实践课存在“闭门造车”问题，往往是学生调研、设计后做出产品，由老师进行评价，缺少面对项目、面对市场的环节。针对当前问题，团队依托校企合作的人工分拣系统项目构建了“多维度”设计认知实验教学方案，将实验教学直接对接实际案例并应用到项目中。本文所设立的实验教学方案依托贵州大学与省内某物流公司合作项目，目的是改进其人工分拣系统，提高分拣员分拣时汪伦杰，李鲜花，吕健：基于项目实践的工业设计专业实验教学研究191的舒适性，降低其工作过程中的骨骼、肌肉、视觉疲劳度。学生在实验过程中提高自身综合能力、获得工程应用技能并应用到科研项目及设计实践中。实验教学方案如图 1 所示：将设计问题分解为三个实验内容：（1）利用动作捕捉实验来分析人不同体态下的骨骼受力情况，以解决在人工分拣时，分拣人员因分拣系统高度、角度不合理造成的腰背疼痛问题；（2）利用表面肌电信号实验，解决在分拣工作中，分拣人员手臂肌肉疲劳问题；（3）利用眼动追踪实验，重新设计分拣系统操作界面，使操作者更自然、轻松地进行操作。该实验面向工业设计专业本科生，设计学及机械专业（工业设计方向）研究生开设，可作为本科、硕士课程人机工程学 计算机辅助设计 UI 设计的实验课程。实验平台及实验内容设计可以科学检测人在劳动时候的劳动骨骼负荷、提供人体各部分的出力范围、动作时的习惯、肌肉疲劳机理、视觉注视、视线追踪等人体机能特征参数。改进设计分拣系统后，通过该实验平台进行实验验证，最终达到降低操作人员工作中的不适感，对其进行心理及生理关怀，提高工作效率的目的。二、实验实施1.创新实验教学平台创新实验教学平台面向科研与教学，由“动作捕捉实验+表面肌电信号+眼动实验”三部分构成。表 1 列举了实验平台的硬件组成及软件组成。图 1实验教学方案192 Academic and Practise 学术与实践表 1“多维度”认知实验教学平台构成实验平台构成硬件设备软件动作捕捉ROKOKO 惯性捕捉设备SIEMENS JACK表面肌电信号航奕生物EMGduino 肌电信号采集模组Matlab眼动追踪眼动仪Eyeso Studio实验设备及实验原理如下：实验平台中的动作捕捉实验 ROKOKO 惯性捕捉设备基于惯性传感技术进行动作捕捉，与同类产品相比，优点在于提高了无线传输的稳定性与流畅度，使用 Smartsuit Pro 无线传输技术，可以在不需要任何额外部件的条件下，使活动范围达到 100 米。通过惯性导航传感器 AHRS9（航姿参考系统）、IMU（惯性测量单元）测量被测者的各种参数，如：运动加速度、方位、倾斜角等。测量时不受环境或者遮挡物影响，采样速度快且捕捉精确度高。设备采用高集成芯片，该芯片具有小巧轻便的特点。被试者穿戴的数据服装由 17 个传感器组成，穿戴于被试者身上，通过 USB 线、蓝牙、2.4Gzh DSSS 无线等与主机相联，17 个惯性传感器可跟踪被测者全身动作，并实时显示。实验平台中的航奕生物 EMGduino 肌电信号采集模组用于采集生物电信号，支持 8 通道表面肌电信号采集，频率最高1 000HZ，通过有线串口传输数据至计算机。通过配套程序读取、记录数据进行后续研究分析。表面肌电信号（Surface Electromyography，SEMG）是通过电极引导记录皮肤表面的神经肌肉系统活动时产生的生物电信号，该信号与肌肉状态具有关联性，可以在一定程度上反映神经肌肉的活动。实验平台中的眼动仪用来记录分析视线跟踪过程，其原理是用眼摄像机锁定眼睛，通过摄入从人眼角膜和瞳孔反射的红外线连续地记录视线变化。以硬件为基础的方法因需要用户戴上特制的头盔或者使用头部固定支架，对用户造成很大干扰。以软件为基础的视线跟踪技术对用户干扰较小，原理是先利用摄像机获取人眼或脸部图像，然后用软件实现图像中人脸和人眼的定位与跟踪，从而估算用户在屏幕上的注视位置。本实验平台采用以软件为基础的实现跟踪技术，利用瞳孔角膜反射技术对被试进行遥测式、非侵入的眼动追踪。2.实验内容设计基于上述实验教学平台，笔者团队设计了以下三个子项目实验:动作捕捉实验子项目、表面肌电信号处理实验子项目、眼汪伦杰，李鲜花，吕健：基于项目实践的工业设计专业实验教学研究193动追踪实验子项目。通过这三个子项目实验，使学生掌握科学分析方法，将其应用到项目中，验证自己的设计是否解决了项目中的实际问题。（1）动作捕捉实验子项目此实验的操作流程如图 2 所示。实验者佩戴 ROKOKO 动作捕捉服装，开启电源并配置网络环境，使用标准站姿进行一次校准后，做出行走、蹲下、抬腿、合掌等基础动作，观察动作捕捉状态，并进行多次校准达到较好状态。校准完毕后即可开始动作捕捉，点击红色按钮开始，再次点击结束，可由一人或两人完成。录制结束后可通过对应通道进行文件输出。由于SIEMENS JACK 只 支 持.C3D 格 式 导 出，所以导出文件格式为.C3D。根据捕捉数据，在软件中进行姿态效仿，动作编辑完成后将其转化为 Animation 格式，最终得出综合分析结果，包括被测者的关节角度，受力强度等（如图 3 所示）。（2）表面肌电信号处理实验子项目操作流程如图 4 所示。该实验目的是进行肌肉疲劳度检测。受试者进行上肢或下肢负载实验，采集获取表面肌电信号，对表面肌电信号进行预处理（降噪等），运用肌电疲劳阈值算法进行疲劳度分析。首先进行采集准备，运行上位机程序并设置串口、采样频率、滤波等。黄色电极（1-8通道）贴在待测肌肉上，褐色参考电极贴在没有肌肉活动的区域。运行 Begin.bat 程序开始记录实验数据，等待几秒程序初始化后即可开始保存数据，在 Begin窗口按回车停止保存。此时文件为 FIF 格式，需要将文件转存为 mat 格式后，通图 2动作捕捉实验流程图 3动作分析结果194 Academic and Practise 学术与实践图 4表面机电信号处理实验流程过 Matlab 软件进行后续操作。实验需分析的数据为肌肉疲劳度。运动性肌肉疲劳是指运动引起肌肉产生最大收缩力量或者最大输出功率暂时性下降的生理现象。在本实验中，使用基于表面肌电（Surface Electromyogram，SEMG）的测量法，用Matlab 导入预处理后的表面肌电信号，运行 SEMG_TiredValve 程序进行疲劳阈值分析。得到滤波后的 SEMG 基于表面肌电信号后，采用基于 EMGFT 的方法来估计肌肉的疲劳。（3）眼动追踪实验子项目此实验操作流程如图 5 所示，该实验目的是分析被测试者感兴趣的内容。实验前添加图片作为刺激样本，调整被试者坐姿，开启眼动追踪状态。校准直至校准结果显示 Perfect，开始试验记录。记录后得到热点图以及轨迹分析图。框选出想要分析的部分，可以得到总注视时间、注视点数量以及平均注视时间。对该数据分析，可得到不同时间，被试者的瞳孔直径、注视位置、面部位置（如表 2 所示）。图 5眼动追踪实验流程汪伦杰，李鲜花，吕健：基于项目实践的工业设计专业实验教学研究1953.实验组织及考核评价结合学生个人意愿及其特长，将学生分为动作捕捉组、肌电信号组、眼动研究组三个子项目组，每个子项目组在教师指导下，以解决企业实际问题为实验目的，建立设计方案并做实验进行验证。通过设立方案实验验证修改方案再次验证再次修改的循环改进方案。各子课题组得出各自最终方案后，三个子课题组之间相互沟通协调，综合解决分拣系统整体的人机交互设计问题。以往的评价往往由教师一方打分，这样的评分方式存在较强的主观性。不同于以往的单一评价体系，笔者团队建立了多元的考核评价机制。如表 3 所示，采取子项目组内学生互评、大项目组成员互评、教师评价、成果展示四个评价模块进行综合考核，每个评分模块成绩占比 25%，该评分机制重点考核学生的思考实践能力、团队协作能力。表 2数据分析表时间瞳孔直径 X瞳孔直径 Y注视位置 X注视位置 Y嘴巴位置 X嘴巴位置 Y5324.38170123.671700744.283569325.4400026833847724.04730023.235399747.605969329.65562368338410023.72620023.087000762.617065327.78140368338413323.58650023.054501751.409790327.48870868338416723.50270122.951401741.496667325.59606368338420023.25680022.775499749.268250327.93408268338423323.43470022.686199746.354065326.39639368338426623.16550123.466599751.603723330.34446268338430023.08009922.615700757.360188328.870483683384196 Academic and Practise 学术与实践表 3综合考核体系评价项目成绩占比考核点子项目组学生互评25%学习态度、知识掌握、创造性思维、组内贡献大项目组学生互评25%组间沟通协作教师评价25%学习态度、项目进度成果展示25%项目完成度、系统改进成果三、实验教学成果该实验平台及课程改革取得了较好的教学效果。一是该实验教学模式用于人机工程 计算机辅助设计 UI 设计的实践教学，共计 220 余名本科生，80 余名研究生受益。二是学生的实验能力明显提升。通过实验报告及对学生的问卷调查显示：学生通过该“多维度”设计认知实验建立了科学认知测试观念，掌握了科学认知测试方法并能够分析数据得出结论，提高了分析问题、解决问题的能力。三是学生的学习兴趣显著提高。以项目为导向的实验，让学生的想法在项目中得到验证，极大地提升学生做设计、做验证的信心。四、结语在“新工科”背景下，依托校企合作，建立基于项目实践的“多维度”设计认知实验。针对工业设计高等教育中实验教学缺乏实践对象、学生学习主动性不足、无法培养学生创造性思维等问题，将企业实际问题分解为实验研究子项目，锻炼学生的思考实践能力、主动学习能力、团队协作能力。针对以往评价体系单一问题，建立综合性的学生课程评价机制，提高了课程评价的客观性。该实验教学模式取得了良好的效果，鼓励学生更多地对接实际项目，营造更好的团队学习及协作氛围，强化学生实践能力，建立更为科学的教学评价机制，对如何培养“新工科”背景下的工业设计专业学生做出了改革探索。参考文献：1 余隋怀.中国工业设计新工科建设必要性解析及建设路径思考 J.设计,2021,34(20):58-61.2 胡 洁,王 伶 羽,戚 进,等.新 工 科 背 景下设计专业人才融合式培养模式探索 J.设计,2021,34(20):62-65.3 卢颖,陈国强.新工科背景下工业设计专业人才培养的问题与对策 J.教育理论与实践,2021,41(15):23-26.4 孙晓枫,赵莹,周淼,等.新工科背景下工汪伦杰，李鲜花，吕健：基于项目实践的工业设计专业实验教学研究197业设计专业人才培养模式改革研究 J.教育教学论坛,2019(37):111-113.5 刘力夫,李玮.新工科背景下工业设计专业实验教学研究 J.机械设计,2020,37(S2):296-298.6 周屹.工业设计实验课的思考与探索 J.科技信息,2011(21):561-562.7 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