新工科設計創(chuàng)新教育方法學研究

1、    新工科設計創(chuàng)新教育方法學研究    摘要：今天，建設與發(fā)展“新工科”成為社會經(jīng)濟發(fā)展的現(xiàn)實需求，培養(yǎng)適應現(xiàn)代社會發(fā)展的高水平人才，必須探索適合新工科的設計創(chuàng)新教育理論與方法。本研究從“新工科教育實踐”及“設計創(chuàng)新認知”的視角定義新工科設計創(chuàng)新教育方法學的內涵及外延，提出以“設計認知”與“設計技法”為基礎，采用課堂授課和創(chuàng)新課題相結合展開新工科設計創(chuàng)新教育方法學的理論與實踐探索。最后，提出采用長期和短期的評估以檢證新工科設計創(chuàng)新教育方法學的培養(yǎng)效果。關鍵詞：新工科，通用設計理論，設計創(chuàng)新教育方法學基金項目：本文系2019年國家社科基金冷門“絕學”和

2、國別史等研究專項“消失的碓匠技藝及中華水車文化的保存（項目號：19vjx160）”：2019年東華大學新工科、新文科、新理科建設項目“面向新工科的工業(yè)設計專業(yè)建設”；2019年東華大學機械工程學院教育教學改革項目“面向新工科的創(chuàng)新設計教育研究”的研究成果。一、背景21世紀工學的設計創(chuàng)新已朝著低碳生態(tài)設計、服務型設計、情感化設計、先進智能制造等方向發(fā)展，為適應新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的新趨勢，建設與發(fā)展“新工科（emerging engineering education）”成為社會經(jīng)濟發(fā)展的現(xiàn)實需求。新工科是以互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)智能為核心，以新型信息、能源控制等領域為主干，針對21世紀新興產(chǎn)業(yè)的相關

3、專業(yè)（包括：人工智能、智能制造、大數(shù)據(jù)、機器人、云計算等，也包括對傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級改造）。未來的新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟亟需高校工科教育培養(yǎng)出一批具有實用性、交叉性、綜合性強的高素質復合型人才。因此，圍繞我國新工科需求的設計創(chuàng)新人才的培養(yǎng)成為高校面臨的挑戰(zhàn)。今天，“創(chuàng)新”已經(jīng)成為全球普遍認同的價值觀念。在國際上，機械工學、工業(yè)設計、產(chǎn)品設計等屬于工學設計（engineering design）的范疇。世界各國著名高校的相關設計專業(yè)均積極探索設計創(chuàng)新教學改革，如美國的斯坦福大學、日本的神戶大學等國際知名高校研究生院紛紛展開設計創(chuàng)新教育的研究。未來的人工智能開始圍繞人類高階認知進行技術研發(fā)。其核心是如何

4、挖掘如洞察、概念合成、內隱知、隱喻等人類高階認知（highorder cognition）所帶來的巨大創(chuàng)造力。當前，國外的設計創(chuàng)新教育多是以提升學術水平及研究者科研素質為目標，以設計學（design theory）和創(chuàng)造認知（creative cognition）為基礎，形成新的科研方向綜合研究體系。在我國高校中，依據(jù)教育部學科門類的調整，工業(yè)設計專業(yè)主要設置于“設計學”和“機械工程”目錄之下，也有極少是設置于計算機學院（如浙大）。設置于“設計學”下的工業(yè)設計專業(yè)多以“文化創(chuàng)意”“產(chǎn)品設計”為對象展開設計創(chuàng)新教學與科研。今天，我國提出的“新工科”概念包含了廣泛的社會與自然的范疇，體現(xiàn)在科技上如

5、：大數(shù)據(jù)、機器人、人工智能等創(chuàng)新活動。目前，在新工科課程建設中已零星的有創(chuàng)新技法的展開，如：頭腦風暴、kj法、triz法等訓練，各高校尤其是機械工程下的工業(yè)設計專業(yè)的設計創(chuàng)新的教學，雖有展開了各式各樣的探索，但總體而言，我國尚未系統(tǒng)形成適應新工科的工業(yè)設計專業(yè)的設計創(chuàng)新教育方法學。設置于“機械工程”下的工業(yè)設計專業(yè)，則應結合本校的主打特色（例如：水利、紡織等）形成本校的工業(yè)設計專業(yè)特色的同時，面對今天產(chǎn)業(yè)的升級，亟需調整適應于目前新工科發(fā)展趨勢下的工業(yè)設計專業(yè)。機械等其他設計專業(yè)亦是如此。今天，世界各國的教育界、企業(yè)界均積極探索設計創(chuàng)新教育的方法，在我國未來設計創(chuàng)新教育教學的改革中，要培養(yǎng)出適

6、應現(xiàn)代社會發(fā)展需求的高水平應用型人才或研究型人才，就需要引導學生積極展開自主創(chuàng)新實踐，就必須探索適合新工科的設計創(chuàng)新教育理論與教學方法。二、目的作為面向新工科的設計創(chuàng)新教育方法學，其關鍵問題是對學生們概念生成過程中的“構成能力”和“獨創(chuàng)能力”的培養(yǎng)。傳統(tǒng)的概念生成其步驟是從“抽象化機能分解設計原理探索”逐步深入的。在過去的論文中只提到以這樣的步驟來進行設計是好的，但為何要采用這樣的步驟？這個步驟的好處在哪？至今沒有設計學者及教育學專家做出令人信服的說明。21世紀是設計創(chuàng)新日新月異發(fā)展的時代，亟需展開面向新工科的設計創(chuàng)新教育方法學的探索。面向新工科的設計創(chuàng)新教育方法學，目的是全面構建面向新工科的

7、“設計創(chuàng)新教育方法學”理論框架：并以機械工程學院工業(yè)設計專業(yè)的同學為對象圍繞面向新工科的設計創(chuàng)新教育方法學理論，展開教育實踐的探索；從短期目標及長期目標來評估面向新工科的設計創(chuàng)新教育方法的價值。三、研究方法面向新工科的設計創(chuàng)新教育方法學研究，主要采用以下3種方法進行：（1）面向新工科的設計創(chuàng)新教育方法學的研究以具體的項目為導向采用“課堂授課”和“大學生創(chuàng)新實踐”相結合的教學方法展開。其設計創(chuàng)新實踐包括：問題意識、探索實踐、課題規(guī)劃、概念合成、發(fā)明先行構造、設計推理、感動過程等設計創(chuàng)新訓練法。（2）面向新工科的設計創(chuàng)新教育方法學采用四種創(chuàng)新技法展開進行因材施教，分別是：a.發(fā)散技法（其中有自由聯(lián)

8、想、強制聯(lián)想、頭腦風暴、類比聯(lián)想等方法）；b.收縮技法（有kj法、triz法、因果法、時系列法等）；c.統(tǒng)合技法；d.演技技法。（3）面向新工科設計創(chuàng)新教育方法學的教育實踐是以項目為導向開展的同時，兼顧設計對生態(tài)環(huán)境的影響，并提倡教學相長及精益求精、專注、執(zhí)著的“工匠精神”。四、實施步驟面向新工科的設計創(chuàng)新教育方法學研究，研究步驟如圖1所示：圖1面向新工科的設計創(chuàng)新教育方法學的實施步驟首先，要界定清楚新工科設計創(chuàng)新教育方法學所涵蓋的范圍。工業(yè)設計關注的焦點在于產(chǎn)品與社會間的關系；工學設計關注的焦點在于產(chǎn)品與科技間的關系，新工科與工學設計（與狹義的科學技術的關系）關注的解決問題的焦點不同，包含了

9、更廣義的科學技術的范疇。其次，以人類創(chuàng)新認知（如探索、洞察、想象、發(fā)明等）及創(chuàng)新技法為理論基礎，以“設計創(chuàng)新實驗”及“設計創(chuàng)新研究”課程為抓手，展開教育教學實踐，系統(tǒng)構建新工科設計創(chuàng)新教育的框架。再次，面向新工科的設計創(chuàng)新教育方法學研究是提倡學生通過具體的項目實踐，重點領悟和掌握新工科設計創(chuàng)新的默會知識。同時重視生態(tài)環(huán)境影響，并提倡工匠精神。最后，提出面向新工科的設計創(chuàng)新教育方法學所發(fā)揮的教育效果的評估指標，其中包括“短期評估”及“長期評估”指標。通過引領學生們展開創(chuàng)新實踐，以體系化、具體化的過程循環(huán)往復，不斷完善新工科設計創(chuàng)新教育方法學體系。五、實施內容面向新工科的設計創(chuàng)新教育方法學包括以下

10、5點研究內容：（1）作為科學方法論的新工科設計創(chuàng)新教育方法學；（2）圍繞“創(chuàng)新認知”的設計創(chuàng)新教育方法學的實施；（3）以“創(chuàng)新技法”為抓手的設計創(chuàng)新教育方法學的展開；（4）設計創(chuàng)新教育的比較及生態(tài)理念、工匠精神的引導；（5）設計創(chuàng)新教育方法學的實踐與效果評估。1.作為科學方法論的新工科設計創(chuàng)新教育方法學面向新工科的設計創(chuàng)新教育方法學研究，首先從“新工科教育實踐”及“設計創(chuàng)新認知”的視角定義新工科設計創(chuàng)新教育方法學的內涵及外延（圖2）。以現(xiàn)代設計，尤其是計算機為主導的結合大數(shù)據(jù)、人工智能的設計為對象，采用科學的方法來探索創(chuàng)新之源或設計方法的理論構筑及說明設計的學問即“設計學”。一般設計學及g.p

11、ahl及w.beitz提出的設計方法論是目前國際上獲得的較高評價設計方法。設計作為對物體賦予某種內涵的行為（krippendorff，2000），包括立案（plan）、意思決定以及目標指向的相關活動（archer，1965）。設計的創(chuàng)新是人類把頭腦中的“概念（concept）”轉化為現(xiàn)實中實物的活動，也是運用概念，將概念轉化為設計解的映射過程。新工科所屬的人工智能、大數(shù)據(jù)、服務設計等各類新興學科的設計正是基于人類這種高階認知所帶來的創(chuàng)新能力的結果。新工科設計創(chuàng)新教育方法學需要從“何為設計”以及“人類為何需要設計”等問題的本源入手、有步驟有根據(jù)的系統(tǒng)的構筑其理論框架及基礎。圖2新工科設計創(chuàng)新教育

12、方法學提升新工科學生群體的設計創(chuàng)新能力的本質，首先要解決設計創(chuàng)新教育的問題。作為科學的方法論，面向新工科的設計創(chuàng)新教育方法學提出的設計創(chuàng)新教育方法學的假設必須符合以下兩條。其一，假設面向新工科的設計創(chuàng)新教育方法學的設計創(chuàng)新教育方法論，能被之后學生表現(xiàn)出來的成績所檢證，證明這種教育是有效的；其二，必須提出教育方法有效性的檢證標準。面向新工科的設計創(chuàng)新教育的研究，其對象是人（學生），（設計）教育效果的體現(xiàn)需要對受教育的學生群體的成長過程進行長期的觀察，因此，面向新工科的設計創(chuàng)新教育方法學的短期及長期效果評價是要聚集各方專家討論出具體的標準。2.圍繞“創(chuàng)新認知”的設計創(chuàng)新教育方法學的實施面向新工科的

13、設計創(chuàng)新教育的基礎理論包括“創(chuàng)新的認知”和“創(chuàng)新的技法”。與其他哺乳動物相比，人類的知覺弱化是生物學的顯著特征。然而，今天的各項創(chuàng)新離不開人類大腦所具備的高階認知能力，例如：探索、發(fā)明、想象、洞察及內隱（默會）知識的掌握，需要提出一整套具體可操作的科學技法。面向新工科的設計創(chuàng)新教育方法學提出可操作的設計創(chuàng)新文法練習，引導學生對新工科題材的設計可以從生成概念的“屬性”及“機能”兩方面展開創(chuàng)新。在屬性層面可以導入設計思維過程中的隱喻與類推的文法展開設計創(chuàng)新，例如：設計一個像青蛙一樣的汽車，那么在“像a一樣的b”的文法中，把a與b的內容置換，以這種方法訓練學生們的聯(lián)想能力；在設計邏輯和設計推論的創(chuàng)新

14、技法上，采用“ifthen”的設計文法展開實踐教學，培養(yǎng)學生設計上試行錯誤的習慣。此外，2個及多個概念的合成，可以采用一般設計學或可拓學方法對學生展開創(chuàng)新思維訓練。面向新工科的設計創(chuàng)新教育不僅需要重視知識的傳授和基礎的訓練，更應注重促進學生在科學與社會的探索方面實踐能力與創(chuàng)新能力的提高。根據(jù)波蘭尼（polanyi，m）在the tacit dimension一書中提出關于內隱知識（tacit knowledge）的論述。內隱（默會）知識：即不可記述的知識及體驗的經(jīng)驗知識，占人類總知識的80%；顯性知識是指可表述的事件和事實的知識，只占人類總知識的20%。在未來的設計創(chuàng)新教育中，重視學生們體驗的

15、、內隱知識的掌握與管理，對提升學生設計創(chuàng)新能力會起到非常良好的促進作用。內隱知識向顯性知識轉化過程中人類的“隱喻”認知起到極其重要的作用，培養(yǎng)學生的“直覺”，“想象”和“創(chuàng)造”，首先，需要訓練學生通過隱喻表達自我感受的能力。今天的高校課堂，多媒體技術在許多場合代替了傳統(tǒng)的授課。然而，教師身體力行的操作與示范，以心傳心的教育方式依然重要。因為，教師的表情、身體手勢、說話的節(jié)拍等都無時不刻的傳達著內隱知識的信息。設計創(chuàng)新時所產(chǎn)生的“靈感”往往是由兩個或幾個不相干的概念，合成出新的概念所產(chǎn)生的，合成的新概念能體現(xiàn)出高度的創(chuàng)新，“概念合成”可以作為很重要的設計創(chuàng)新教學實踐來實施。“概念合成”中的一部分

16、狀況和結果可以看作是隱喻的作用，但是，隱喻不能解釋產(chǎn)品的概念生成中所有的案例，這一點需對學生闡述清楚。在此，通過“碎玻璃”概念和“巧克力”概念合成“美工刀的刀片”（2005，崗田）的新概念的發(fā)明案例來說明如何展開概念合成的創(chuàng)新設計教學。圍繞“創(chuàng)新認知”的設計創(chuàng)新教育方法學的實施，可以向學生們闡述：“碎玻璃”概念所包含的信息是：質地鋒利堅硬，但形狀破碎不規(guī)整的形體；“巧克力”概念所包含的信息是：長條塊狀且形狀規(guī)整，食用時一片一片的掰斷。這樣“碎玻璃”與“巧克力”兩個概念就合成了“美工刀的刀片”的概念，用這樣的案例進行設計創(chuàng)新教學就比較直觀，學生們容易掌握。（圖3）圖3發(fā)明的事例面向新工科的設計創(chuàng)

17、新教育方法學是建立在設計學與教育學理論基礎上。根據(jù)“一般設計學”原理，實體概念代表我們周圍所看見的物體a或物體b，物體a或物體b的形狀、大小、顏色和質量可以看作是其“屬性概念”，用途則看作是其“機能概念”。在設計創(chuàng)新教學中可以以“桌子”為案例來向學生說明：“桌子”有用膳的機能、有書寫的機能等，由于“桌子”的機能可以無限擴展，就需要用特定的“場”把機能的范疇限定出來。在設計創(chuàng)新教學中提醒學生在特定環(huán)境“場”中尋求設計創(chuàng)新，這樣的教學方法易操作，且不受教師個人風格所左右。下面列舉以“西紅柿”概念和“雪”概念的合成來向學生說明一般設計學原理及設計創(chuàng)新實踐。“西紅柿”概念和“雪”概念合成新的概念，分別

18、從屬性層面，也就是形狀，色，和機能層面考慮如何生成新的概念。首先，引導學生從屬性層面思考如何將“西紅柿”概念和“雪”概念進行合成新的概念，開導他們采用隱喻的方法，例如：“如同白雪一樣的西紅柿”的描述。有關機能層面的概念合成，則可以引導學生從“口感”“觸覺”等方面合成新的概念（表1），例如：“如同雪一樣冰涼的西紅柿飲料”等，以此來啟發(fā)學生們如何展開設計創(chuàng)新。表1概念合成的類型 由隱喻/類推的概念生成（像a一樣的b）合成概念生成（a+b）形狀（屬性）層面白色西紅柿（像雪一樣的白色，晶瑩剔透的西紅柿）西紅柿奶飲品（西紅柿奶飲品=新型飲料）機能層面西紅柿冰淇林（口感如雪那樣松軟的西紅柿）番茄

19、醬粉（白雪狀的番茄醬粉）此外，還有“主題相關”視角的概念生成練習指導，例如：水果刀就容易聯(lián)想到水果。以這種方式的創(chuàng)新設計教學指導既有針對性，同時可操作。3.以“創(chuàng)新技法”為抓手的設計創(chuàng)新教育方法學的展開面向新工科的設計創(chuàng)新教育方法學的設計創(chuàng)新技法從：發(fā)散技法（包括nm法等）、收縮技法（包括kj法等）、統(tǒng)合技法、態(tài)度技法這4個方面展開。設計創(chuàng)新教育方法學中“創(chuàng)新技法”教學，kj法是常用的教學指導方法。對于今天出現(xiàn)的如：大規(guī)模復雜交互界面設計、服務設計等，都是無法用生物學（門綱目科屬種）或圖書的分類方法來進行分類的，可以指導學生采用創(chuàng)新技法中的kj法（川喜田二郎）展開。kj法最后是根據(jù)人們對概念與

20、概念間的認知，將設計創(chuàng)新（idea）向上位概念進行收縮整理，其方法如圖4所示。圖4kj法步驟示意圖作為設計創(chuàng)新技法中的kj法，其教學指導步驟是：首先，讓學生們結合頭腦風暴法（brain-storming）對某課題展開創(chuàng)意并進行自由聯(lián)想，激發(fā)學生們挖掘出生活中與課題相關的碎片化記憶，并制成小卡片。其次，以學生們寫下的小卡片，根據(jù)小卡片上概念間認知上的關系，把意思靠近的概念（小卡片）聚集在一起，并給與命名。最后，以次步驟對課題的創(chuàng)意逐步向上位概念進行收縮整理。以此方法引導學生就復雜的交互界面展開設計創(chuàng)新。4.設計創(chuàng)新教育的比較及生態(tài)理念、工匠精神的引導作為面向新工科設計創(chuàng)新教育方法研究，需要與德、

21、日、歐美等國展開創(chuàng)新教育方法的比較研究，以形成適合中國國情的新工科設計創(chuàng)新教育方法學。面向新工科的設計創(chuàng)新教育方法學是有明確的理論依據(jù)及體系化的理論框架，不是東一塊西一塊的零散經(jīng)驗的集合。同時，設計創(chuàng)新能力的培養(yǎng)涉及到多重因素。例如，是功利的設計改造，還是基于對環(huán)境問題的深刻認識？是否具備“工匠精神”等問題。面向新工科的設計創(chuàng)新教育方法學有可持續(xù)發(fā)展教育（education of sustainable development，縮寫為esd）+環(huán)境教育（environmental education）的實踐環(huán)節(jié)。筆者曾于2017年夏天在河海大學開展了以“筒車制作”為課題的esd環(huán)境教育試驗，通

22、過讓學生們制作傳統(tǒng)水利機械了解到水的利用及生態(tài)環(huán)保等問題。由于esd環(huán)境教育能培養(yǎng)學生們對大自然的生態(tài)審美能力，環(huán)境問題多發(fā)的今天，對于面向新工科的設計創(chuàng)新人才的培養(yǎng)具有重要的現(xiàn)實意義。因為，生態(tài)審美是建立在“真”（即客觀規(guī)律）與“善”（即符合生態(tài)道德）的基礎之上，是培養(yǎng)學生對生態(tài)環(huán)境之美的一種價值認識與把握。面向新工科的設計創(chuàng)新教學通過esd環(huán)境教育的實踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生們以感恩之心去體察自然與四季的變化，創(chuàng)新出如何服務于人與地域環(huán)境的設計、增強人與土地的聯(lián)系的產(chǎn)品，結合現(xiàn)代技術充分發(fā)揮出傳統(tǒng)技法的生命力與天然素材的作用，在學生們的內心埋下一顆愛護環(huán)境、保護生態(tài)的種子，這也是面向新工科的設計創(chuàng)

23、新教育方法學提倡esd環(huán)境教育的意義之所在。“工匠精神”與“設計創(chuàng)新教育”是一體兩面的關系?！肮そ尘瘛碧N含兩個原則：第一，需要學生們不斷提高自身的基本功，沒有對設計水平無止境的追求，設計創(chuàng)新是無從談起的。試想一下拉琴的人如果連音都拉不準，還談什么創(chuàng)作？所以，面向新工科的創(chuàng)新設計教育所提倡的“工匠精神”第一就是包括草圖表現(xiàn)、軟件應用及各種設計創(chuàng)新實踐中的基本功訓練，淬煉出要靠多年練習才習得的“心手合一”的扎實基礎。其次，設計草圖及各項設計訓練的基本功達到一定的功力，或多或少地會自發(fā)地展開設計創(chuàng)新。5.設計創(chuàng)新教育方法學的實踐與效果評估新工科的設計創(chuàng)新教育作為科學的方法論也需要符合假設檢（驗）證

24、的構造（圖2），設計創(chuàng)新的教育方法學是假設本研究提出的具體的教育方法學在實行后有效果的情況下，假設存在這種方法學必須通過新工科教育實踐來驗證和評價。因此，需要對新工科的設計創(chuàng)新教育效果提出科學的評價指標和考核體系，以便于不斷進行調整和完善。評估考核指標的制訂包括短期目標（如：創(chuàng)新大賽、獲獎、創(chuàng)意提案等獲獎情況），長期目標包括畢業(yè)同學生涯設計創(chuàng)新狀況的追蹤和分析，了解他們之后的創(chuàng)新成就。六、結論面向新工科的設計創(chuàng)新教育方法學是建立在科學的“假設驗證”基礎上的嶄新的方法學。其建立在設計學、認知科學及教學實踐基礎上，圍繞新興產(chǎn)業(yè)所急需的問題展開的科學的系統(tǒng)的教育實踐探索，具有一定的理論創(chuàng)新。面向新工科的設計創(chuàng)新教育方法學并不是空洞地開展設計創(chuàng)新理論的課堂講解，而是通過推動學生在具體的項目實踐過程中領悟到設計創(chuàng)新的方法。首先，這些實踐課題來源必須是符合未來新工科發(fā)展方向的課題，因此，面向新工科的設計創(chuàng)新教育方法學具有一定的實踐創(chuàng)新的價值。面向新工科的設計創(chuàng)新教育方法學系統(tǒng)的提出了以發(fā)散技法、收縮技法、綜合技法、態(tài)度技法等具體方法進行因材施教。同時就設計推論及問題解決型創(chuàng)新等特殊案例也提出具體的教育方法，具有一定的方法創(chuàng)新。本研究結合新的科技、產(chǎn)業(yè)變化的新趨勢，以及社會經(jīng)濟發(fā)展的現(xiàn)實需求，提出面向新工科的“設計創(chuàng)新教育方法學”，對國家創(chuàng)新實力提升有一定的理論意義和教育推動作