课程大纲 | 创新与快速原型研制

本篇推送展示的是北京大学信息科学技术学院陈江老师本学期开设的核心通识课程《创新与快速原型研制》的课程大纲和课程介绍。

在本门课程当中，陈江老师立足于创新产品的“原型制作（Prototyping）”阶段，讲授三个板块的内容：模型与结构、电路与控制、程序与应用。同时，该课程通过具体的实践动手，为各专业学生奠定现代设计制作的基础。课程开设以后，受到全校同学的青睐和好评，也受到元培、生科等学院重视。该课程经过少许调整后，由陈老师同时为相应学院专门开设。

Vol.985

课程大纲

创新与快速原型研制

课程大纲

开课院系：信息科学技术学院

授课教师：陈江

学分：2

教师介绍

陈江，北京大学信息科学技术学院副教授。工作于现代通信研究所，兼任高等学校电路和信号系统教学与教材研究会常务理事，中国通信理论与信号处理委员会委员，亚太电竞联合会智库专家。

主讲课程：电子线路分析与设计、微电子与电路基础、计算机应用专题、创新与快速原型研制、创新工程实践（实习）、电子游戏通论等课程。另外，近几年来受邀做教学技术、课程制作、创新教育等主题的报告讲座近百场。

研究领域：无线通信和电路系统。参与和负责科研项目有：IMT-A国家重大科技专项，地面数字电视传输系统的国家标准起草，若干国防863项目等。

获得奖项：2010年，北京大学教学优秀奖；2012年，北京大学黄廷方/信和奖教金；2012年，北京大学电子学系首届王楚奖教金；2015年，北京大学教学优秀奖；2015年，北京大学十佳教师称号，2019年，北京大学教学卓越奖。

课程简介

在产品研发等创新过程中，经常会涉及到实物的制作。然而：

• “产品创新”所涉及的学科领域、方法、技术十分广泛；

• 即便限定在“研制”这个环节，所涉及到的工程问题也可能是纷繁复杂的。
  

• 在一门实践类的课程中涵盖“研制过程”中可能用到的各种技能，也是不可能的。

根据教师团队多年指导学生创作、实习和参赛的经验和观察，在多数的学生创新项目中包含：模型制作、电路搭建、程序编写这三项内容中的部分或全部。许多学生团队在遇到这几类非本专业的制作类问题时，常有两种倾向：一种是束手无策、不敢尝试，陷入困局；另一种是自信心爆棚、草率上马，结果南辕北辙，或者效率极为低下，最终项目草草收场。

于是，“就差一个程序员了”之类的招募团队成员的启事经常出现于BBS或朋友圈。然而，招募成功的可能性也非常小——其中两个可能的原因：初创团队因为缺乏经历，对创新/创业中所遇到的制作问题的难度并没有比较清晰的了解，所以项目的设定目标比较脱离实际，对研发所需的人力、时间和成本没有足够的预见性；或者，缺少比较准确的用语来介绍自己项目的目标和需求，不易和专业的团队对象进行沟通。

通过一个学期的15次课程的学习，虽然不可能一蹴而就地成为相应领域的高手，但在相应背景的知识体系介绍之后，再加上实际动手的实践，力图达到：

• 对现代的产品制作方法、作品形式和研制过程有比较全面的了解；

• 了解常用材料和辅料、构造结构、制作工艺的性能和选择方法等；

• 了解相应的设计流程、设计工具、成效利弊、难度代价、成本费用、加工周期等；

• 对学生团队正在或将要进行的创新产品的可行性、所需要的研制周期有比较合理的判断；

• 对于已经设定的研制项目，合理分解研制工序，拟定可能和优选的试制方案；

• 与专业人士的沟通和交流有较高的效率；

• 了解创新中经常涉及到的一些专业领域的基本技能，并通过少量实践来克服畏惧感。以至于对项目中的某个/某些制作环节是否可以自力更生地自学自制，有比较成熟的判断；

• 如果在某些部分的学识燃起了兴趣，那么在课程简洁概括的入门之后，建立了一个比较系统的起点，就可以在课程之后引导自己按需深化。

综上，本课程立足于创新产品的“原型制作（Prototyping）”阶段，共含有三个板块的内容：模型与结构、电路与控制、程序与应用。通过具体的实践动手，为各专业学生奠定现代设计制作的基础。

课程大纲

第一课

绪论

• 创新产品研制的典型流程，原型的概念

• 原型的典型形式，优劣分析

• 典型案例分析（5个）：从结构框图谈起，分析机械、电路、程序的模块功能、配合和折中

第二课

建模概述：从传统制造和加工方法，到现代快速建模工艺

• 手工制造与加工方法：锯、锉、切割、焊接

• 机械加工设备和方法：各类电动和气动工具、机床的功能和运用

• 现代加工工艺和方法：CNC；3D打印；激光切割与雕刻

• 快速原型设计的概念

• 加工技术的指标、利弊、选择；常见材料的特性和考量

第三课

二维设计

• 基于板材拼接的建模方法和典型案例

• 二维CAD软件的概念和要素

• QCAD软件介绍

• 激光切割机的原理和操作

• 基于QCAD和激光切割的模型制作实践（简易陀螺、标本盒的制作）

第四课

三维设计

• 基于3D 打印的建模方法和特点

• 3D制作的要素和概念：模型、切片、支撑、填充、底阀等

• 3D打印的制约：颜色、材料、强度、精度、制作时间、常见出错情形和原因

• 常用3D设计软件及其特点与对比

• 基于TinkerCAD的三维模型制作实践（简易一体小车、免装配轴承的制作）

• CNC加工技术及其特点

第五课

机械结构

• 零件：标准件、型材和自制件

• 连接技术介绍：关节、铰链、槽、限位、自由度、误差、力

• 传动技术介绍：齿轮/齿条、皮带/同步带、丝杆/蜗杆、液压/线控

• 驱动技术介绍：电动、风动、

• CAD软件中的仿真：传动和组装

• 草图/示意图、三视图、爆炸图的绘制、输出和指标说明

第六课

电路概述

• 基础电路知识

• 常见电子系统的框图结构（从小到大的三个案例）

• 常用小型功能电路：单片机电路、嵌入式系统的概念和应用

• 以电路为主的典型创新产品：实用电路案例分析

第七课

基本电路：基于Arduino的组装实验

• Arduino电路基本知识，及其可扩展性

• 基于Arduino Nano的电路组装实验：面包板+充电宝+杜邦线+其它外设

• 常见显示装置的原理和应用：发光管；半导体激光器；液晶屏等

• 常见传感器的原理和运用：光敏、触摸、磁场、热敏、超声测距、温湿度、加速度等

• 常见致动器和控制器件的原理和应用：直流电机、步进电机、舵机和继电器等

• 其它模块的原理和应用：红外遥控；RF卡Reader；压电陶瓷等

第八课

单机控制：基于Arduino IDE的程序调试

• 使用Arduino IDE，循序渐进完成前一次课大多数实验的程序编制

• 学生使用自备的笔记本，在指导下安装Arduino IDE并编写程序

• 绝大多数程序使用工具库，使用微量代码完成

• 少数较复杂的程序，向学生提供模板，或提供自定义库（使用极简洁的API）

第九课

智能节点：传感、通信、电机、显示

• 提供更多的传感器底板：电阻式、电压式、I2C接口三类，组装和编程

• 提供WiFi模块（ESP系列），在教室内临时的WLAN AP下实现互联互控

• 提供蓝牙模块（透传模块），由公版APP进行单片机电路的控制

• 提供预制的电机和结构配件，完成微型（完整）的3DOF机械臂的遥控

第十课

编程概述

• 程序的基本概念：从低级语言到高级语言；编译语言和解释语言

• 程序语言的常见种类和变迁

• 程序语言的基本要素：算术和逻辑运算；数据的移动；判断跳转和分支

• 程序语言的高级概念：数据结构；结构化；可扩展性、库和调用接口；面向对象

• 编程的学习手段：常用网站 GitHub、StackOverflow 等网站的介绍

第十一课

自动脚本

• 无人值守、自动化的概念

• Python语言简介，特点和优缺点

• 基于Python的程序编写实践：由浅入深的5个练习

• Python常用库介绍：数据分析；统计；可视化；人工智能

• 实用概念解析：休眠深度与唤醒；轮询与中断；低功耗；电源的考虑

第十二课

前端设计

• 图形用户界面的概念，前端与后端

• 事件驱动程序的概念和典型程序流程

• 基于Python Kivy / Pygame 的程序研发：PC版本的设计与调试

• PC GUI程序与单片机系统的互联互通和控制：试制实验

• 将程序移植至Android平台

第十三课

后端设计

• 网络应用的概念：服务器、C/S架构、虚拟主机、云

• 常见云服务的介绍

• 基于阿里云的后端设计

• 基于阿里云的物联网研发：与单片机系统的互联互通互控

第十四课

现场的方案评价

• 由学生提出创新项目目标（教师准备三个目标备用）

• 由学生根据本学期所学知识进行方案设计和演练

• 对学生给出的项目方案进行简要评论和建议

• 按三轮次展开，每轮次约30分钟

第十五课

未来展望

• 另类的产品/原型制作：改造加工案例——常用物品的活用、组合和改造

• 原型和正式产品的差异：产能效率和良率、规模和成本、可靠性和可维护性

• 工业设计与品质：品评红点、IF、IDEA、Gmark四大设计奖的案例，未来趋势分析

• 现代制造与设计技术概览：直接激光制造等加工技术

教材和参考资料

教材：

自编讲义（文字版和动画版）+ 辅助视频片段

参考资料：

课程中各软件的官方教程

开课时，网络上最适宜的辅助视频素材

模型素材网站：Thingiverse

电路制作集锦：Arduino Project Hub

紫薇 编辑 / 秋阳 校对

通识联播

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