李天贈，黃紅梅，劉春花

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院工業(yè)設(shè)計系，廣東佛山528000）

隨著云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興學(xué)科的興起，以“智能制造”為核心的發(fā)展理念正從根本上推動著制造技術(shù)的變革。為適應(yīng)新時代的發(fā)展要求，推動我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級，實(shí)現(xiàn)“中國制造”向“中國創(chuàng)造”轉(zhuǎn)型，我國政府實(shí)施了制造強(qiáng)國戰(zhàn)略第一個十年行動綱領(lǐng)《中國制造2025》。在《中國制造2025》的戰(zhàn)略任務(wù)中，明確提出要提高創(chuàng)新設(shè)計能力，發(fā)揮工業(yè)設(shè)計在推動產(chǎn)業(yè)加快轉(zhuǎn)型升級中的重要的作用。如何緊跟時代發(fā)展步伐，培養(yǎng)適應(yīng)社會發(fā)展需求的具有綜合能力的新工科人才，是當(dāng)前工業(yè)設(shè)計教學(xué)改革需迫切解決的問題，其中加強(qiáng)理性思維的培養(yǎng)是工業(yè)設(shè)計專業(yè)教學(xué)改革的重點(diǎn)內(nèi)容。

1 為什么要注重理性思維的培養(yǎng)

1.1 工業(yè)設(shè)計的起源

現(xiàn)代意義上的工業(yè)設(shè)計孕育于18 世紀(jì)后期的歐洲工業(yè)革命，并正式起源于20 世紀(jì)初的德國包豪斯學(xué)院，包豪斯提出“藝術(shù)與技術(shù)的新統(tǒng)一”的設(shè)計理念，對世界現(xiàn)代設(shè)計的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響［1］。包豪斯強(qiáng)調(diào)理性主義在工業(yè)設(shè)計中的主導(dǎo)地位，突出設(shè)計思維的客觀性，以科學(xué)技術(shù)作為產(chǎn)品設(shè)計的依據(jù)，注重造型服務(wù)于功能的設(shè)計原則。時至今日，包豪斯的理性主義設(shè)計理念仍受到廣泛認(rèn)同［2］。

1.2 工業(yè)設(shè)計的本質(zhì)所在

工業(yè)設(shè)計的本質(zhì)體現(xiàn)的是以人為本，通過設(shè)計改變不合理的生活方式，實(shí)現(xiàn)人與產(chǎn)品、環(huán)境的和諧，創(chuàng)造更完美的生活方式［3］。工業(yè)設(shè)計首要目的是通過物的創(chuàng)造滿足人類自身對物的各種需求。傳統(tǒng)藝術(shù)注重的是創(chuàng)造者個人情感的表現(xiàn)，而設(shè)計則需做到客戶、設(shè)計師、消費(fèi)者三維一體的公認(rèn)合理原則。因此，工業(yè)設(shè)計被認(rèn)為是有“依據(jù)”的“創(chuàng)意”，其理性的依據(jù)貫穿于產(chǎn)品的前期調(diào)查、方案設(shè)計及后期評價全過程。例如，調(diào)查數(shù)據(jù)的分析方法、設(shè)計制作工藝、產(chǎn)品性能評估等都離不開理性與科學(xué)的思維方式和工作方法。工業(yè)設(shè)計過程需包含清晰的理念與縝密的思考，依據(jù)預(yù)定的需求與功能遵循理性分析及邏輯秩序進(jìn)行設(shè)計，確保方案的合理性，使所設(shè)計的產(chǎn)品既符合使用者的需求又能為企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)設(shè)計效果的最大化。

1.3 時代發(fā)展的必然要求

“工業(yè)設(shè)計過程可描述為人類設(shè)計問題的解決，融合了特定知識的獲取、評價、生產(chǎn)和轉(zhuǎn)移”［4］。也可看作是運(yùn)用創(chuàng)新思維發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的過程，先進(jìn)的技術(shù)是推動問題解決的核心因素。近年來，物聯(lián)網(wǎng)、增材制造、機(jī)器學(xué)習(xí)等新模式、新技術(shù)正在將物理世界與數(shù)字世界相融合，工業(yè)產(chǎn)品變得更加智能化和互聯(lián)網(wǎng)化，設(shè)計與技術(shù)的關(guān)聯(lián)前所未有地緊密，對于設(shè)計師而言，具備技術(shù)性問題解決的理性思維能力已成為一種新要求。目前，不管是美國提出的STEAM（集科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)多學(xué)科融合的綜合教育）理念，還是我國提出的新工科發(fā)展理念，都試圖為適應(yīng)新時代的發(fā)展需求而培養(yǎng)高復(fù)合型人才。工業(yè)設(shè)計作為集科學(xué)技術(shù)與藝術(shù)創(chuàng)新高度融合的綜合性交叉學(xué)科，面對新形勢的迫切要求，必須更加注重理性思維方式的培養(yǎng)，掌握新技術(shù)與方法，推動工業(yè)設(shè)計的可持續(xù)發(fā)展。

2 培養(yǎng)現(xiàn)狀

近十幾年我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速增長，對于高質(zhì)量的設(shè)計人才需求日益增大。與此同時，我國的工業(yè)設(shè)計高等教育規(guī)模實(shí)現(xiàn)了井噴式的發(fā)展。目前，普通高等院校幾乎都設(shè)置了工業(yè)設(shè)計專業(yè)，每年可向社會輸送大量的工業(yè)設(shè)計畢業(yè)生。然而，值得反思的是，工業(yè)設(shè)計的培養(yǎng)質(zhì)量無法跟上爆炸式擴(kuò)招的步伐，人才培養(yǎng)目標(biāo)趨同化、定位不清晰、與市場需求脫節(jié)等問題突出，致使充沛的人力資源無法與巨量的工作機(jī)遇相配對，許多工業(yè)設(shè)計學(xué)生畢業(yè)后無法勝任設(shè)計師工作，出現(xiàn)就業(yè)困難的窘迫現(xiàn)象［5］。

由于工業(yè)設(shè)計學(xué)生在進(jìn)入大學(xué)前大多未接受過系統(tǒng)的美術(shù)教育，因此造型表現(xiàn)手法相對匱乏，需進(jìn)一步加強(qiáng)練習(xí)；另外，由于工業(yè)設(shè)計中的產(chǎn)品造型是提升工業(yè)產(chǎn)品附加值的重要表現(xiàn)方式，因此大多數(shù)院校的工業(yè)設(shè)計培養(yǎng)方案均比較注重造型藝術(shù)技能的培養(yǎng)［6］。在偏重于藝術(shù)設(shè)計課程教學(xué)過程中，部分高校形成了重“藝術(shù)”輕“技術(shù)”的培養(yǎng)思路，將工業(yè)設(shè)計視同于工藝美術(shù)培養(yǎng)，在課程設(shè)置上參照藝術(shù)院校的模式，雖然在基礎(chǔ)課程中包含了相關(guān)的工科課程，但在專業(yè)課程中更多地關(guān)注設(shè)計感性與技能，工科課程被邊緣化，學(xué)時被一再刪減，忽略了理性思維方式的可持續(xù)培養(yǎng)，導(dǎo)致培養(yǎng)的學(xué)生陷入一種在表現(xiàn)手法上不及藝術(shù)生，功能原理方面又無法深入掌握的困境。2012 年后，教育部《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄》明確將工業(yè)設(shè)計定義為工科專業(yè)，去工科化的現(xiàn)象得到了一定程度的遏制，許多高校也紛紛對教學(xué)培養(yǎng)大綱進(jìn)行調(diào)整，突出工科性質(zhì)，開始強(qiáng)調(diào)理性思維培養(yǎng)的重要性。

除此之外，多年來持續(xù)擴(kuò)招使師資力量短缺問題突出。為彌補(bǔ)師資不足，不少高校選擇將原繪畫、工業(yè)、圖學(xué)、機(jī)械等方向的教師直接轉(zhuǎn)為工業(yè)設(shè)計。然而，這種方式直接導(dǎo)致了技術(shù)與藝術(shù)無法很好融合、學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量不佳的后果。目前，工業(yè)設(shè)計師資短缺問題已嚴(yán)重制約著工業(yè)設(shè)計教學(xué)的可持續(xù)發(fā)展，特別是高層次工業(yè)設(shè)計教師人才極其匱乏。以2015 年為例，全國工業(yè)設(shè)計博士點(diǎn)不到20 個，而授予工科的博士點(diǎn)只不到10 個，每年可補(bǔ)充的高層次人才無法滿足發(fā)展需求［7］。博士畢業(yè)生普遍接受過更為全面系統(tǒng)的科學(xué)思維培養(yǎng)，具有穩(wěn)定的研究方向，對于科學(xué)理性思維的理解及運(yùn)用更為深入，高層次人才在師資中的比例一定程度上影響著工業(yè)設(shè)計學(xué)科理性思維的培養(yǎng)效果。值得慶幸的是，在教育部《關(guān)于新時期加強(qiáng)高等學(xué)校教師隊伍建設(shè)的意見》的指引下，各大高校越來越重視高層次人才的引進(jìn)工作。近年來，工業(yè)設(shè)計專業(yè)的師資隊伍學(xué)歷層次不斷提高，特別是具有交叉學(xué)科背景的高層次人才不斷加入，對于提升教學(xué)質(zhì)量、促進(jìn)工業(yè)設(shè)計學(xué)生的理性思維方式的培養(yǎng)具有積極的意義。

3 理性思維能力培養(yǎng)模式

工業(yè)設(shè)計是理論與實(shí)踐并重的學(xué)科，扎實(shí)的理論基礎(chǔ)是指導(dǎo)工業(yè)產(chǎn)品合理設(shè)計的基礎(chǔ)。當(dāng)前工業(yè)設(shè)計教學(xué)模式存在著不足，例如不注重學(xué)生理性思維方式的培養(yǎng)。學(xué)生未能很好地掌握科學(xué)解決問題的思維方式，容易在設(shè)計實(shí)踐中形成未經(jīng)充分論證就對產(chǎn)品功能進(jìn)行定義的非理性設(shè)計思維方式，無法達(dá)到良好的設(shè)計效果。工業(yè)設(shè)計是一門綜合型的學(xué)科，工業(yè)設(shè)計學(xué)生在掌握基本的設(shè)計表現(xiàn)手法同時，還需對所設(shè)計產(chǎn)品的技術(shù)原理、材料與制作技術(shù)、工程設(shè)計原理有一定的了解。目前工業(yè)設(shè)計工科課程主要包括《工程圖學(xué)》、《工程力學(xué)》、《電工基礎(chǔ)》、《程序設(shè)計》、《人機(jī)工程學(xué)》等。由于工業(yè)設(shè)計所面向的對象非常寬泛，課堂中的教學(xué)內(nèi)容無法面面俱到，例如，單從力學(xué)角度來看，學(xué)生在座椅設(shè)計時會遇到固體力學(xué)知識，在高速交通工具設(shè)計時會遇到流體力學(xué)知識，在衛(wèi)浴保暖設(shè)備設(shè)計時又會遇到熱力學(xué)知識，而單一門課程做到力學(xué)內(nèi)容的全覆蓋是不現(xiàn)實(shí)的。因此，如何培養(yǎng)學(xué)生自覺根據(jù)不同設(shè)計需求獲取相應(yīng)的知識去解決實(shí)際問題的研究性學(xué)習(xí)能力顯得尤為重要。工科知識包含的內(nèi)容雖寬廣，但共同的特點(diǎn)是均建立在充分的證據(jù)與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬐评砩?，即理性思維貫穿始終。注重培養(yǎng)學(xué)生的理性思維方式，可起到觸類旁通效果?；诠I(yè)設(shè)計專業(yè)特點(diǎn)結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，提出勤于檢索、掌握機(jī)理、善于應(yīng)用的理性思維培養(yǎng)模式。

3.1 勤于檢索

設(shè)計是一個有理可循的過程，但學(xué)生在設(shè)計實(shí)踐中經(jīng)常會出現(xiàn)由于自身知識及條件的局限無法驗(yàn)證設(shè)計方案的可行性。事實(shí)上，設(shè)計中接觸的許多問題在其他領(lǐng)域大多已經(jīng)被驗(yàn)證或已有成熟的解決方案，此時，培養(yǎng)學(xué)生的檢索能力就顯得非常必要。勤于檢索，善于篩選信息是工科學(xué)生必備的能力之一。圖1 為一學(xué)生的辦公椅人機(jī)設(shè)計方案，在設(shè)計過程中，由于采用實(shí)物模型進(jìn)行初期方案篩選的成本過高，如何確定合適的初選方案成為前期設(shè)計急需解決的問題。此時，應(yīng)用數(shù)據(jù)庫（如中國知網(wǎng)CNKI等）檢索桌椅相關(guān)人機(jī)工程文獻(xiàn)，篩選有效信息，可為評判方案的合理性提供依據(jù)。如通過文獻(xiàn)［8］獲知了舒適坐姿關(guān)節(jié)角度的數(shù)據(jù)；通過文獻(xiàn)［9］得到座椅靠背及坐面的最優(yōu)角度等信息?；谝陨闲畔?，以最優(yōu)靠背角度為基準(zhǔn)，通過對不同座椅方案的傳動結(jié)構(gòu)進(jìn)行推算得出相應(yīng)的座面角度、位移等信息，并與文獻(xiàn)中的最優(yōu)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，可確定最優(yōu)的初選方案。通過文獻(xiàn)檢索，一方面可以得到較權(quán)威可靠的數(shù)據(jù)支撐設(shè)計方案的可靠性；另一方面有助于了解相關(guān)領(lǐng)域的最新研究動態(tài)，激發(fā)學(xué)生大膽創(chuàng)新的勇氣。目前，本科教學(xué)常常忽視檢索能力的培養(yǎng)，學(xué)生開展設(shè)計時經(jīng)常出現(xiàn)無從下手的情況，作為理性思維方式培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，學(xué)生檢索能力的培養(yǎng)應(yīng)引起足夠的重視。

圖1 辦公椅人機(jī)設(shè)計

3.2 掌握機(jī)理

人文學(xué)科與自然學(xué)科的區(qū)別在于，前者以“人”為中心，注重主觀意識；后者以“物”為對象，尊重客觀現(xiàn)實(shí)，講究理性與邏輯思維。工科作為自然科學(xué)的重要組成部分，學(xué)會運(yùn)用自然科學(xué)原理解決工程問題是工科培養(yǎng)的根本目的。自然科學(xué)原理有理可循尋，建立在嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)事實(shí)與數(shù)理推導(dǎo)基礎(chǔ)上。事實(shí)上在工業(yè)設(shè)計教學(xué)實(shí)踐中過于強(qiáng)調(diào)工業(yè)設(shè)計專業(yè)與其他工科專業(yè)的差異性，大力推行概念應(yīng)用化，忽略了利用抽象的數(shù)學(xué)表達(dá)式去解釋科學(xué)原理問題。工科課程注重的是理論推導(dǎo)的延續(xù)性，例如，沒有掌握《高等數(shù)學(xué)》的偏微分方法，就很難理解《計算流體力學(xué)》的求解過程。在課程中一味地采用去公式化的教學(xué)模式，容易導(dǎo)致工業(yè)設(shè)計學(xué)生無法掌握工科核心內(nèi)容，造成理性思維方式培養(yǎng)的不可延續(xù)性。數(shù)理表達(dá)是對事物原理描述最客觀、最有說服力的表現(xiàn)形式。例如，一學(xué)生以“毛巾烘干架”作為畢業(yè)設(shè)計選題方向。做好這個設(shè)計，首先需弄清楚烘干架熱量傳遞的基本原理；最后依據(jù)熱量傳遞的特點(diǎn)，確定合適的設(shè)計方案。在設(shè)計前期，通過簡單的數(shù)理推導(dǎo)方法，可加深對烘干架的熱量流動的特點(diǎn)的認(rèn)識。此案例中，空氣可以被假設(shè)為理想氣體，理想氣體狀態(tài)方程的基本形式可以描述為

其中，p 是指氣體的壓強(qiáng)；V 為氣體的體積；m 是氣體的質(zhì)量；M 為氣體的平均摩爾質(zhì)量，與氣體種類有關(guān)（常數(shù)）；R 為氣體常數(shù)；T 則表示氣體的熱力學(xué)溫度。由于氣體的密度ρ=m/V，故式（1）可演化為

其中，M 和R 為定值，而烘干架放置于開放空間中，氣體壓強(qiáng)p 也可認(rèn)為是常量，因此空氣密度ρ 和T溫度成反比關(guān)系。

通過式（2）可得出，當(dāng)溫度升高時，氣體密度會下降，在重力作用下，熱空氣會向上流動的結(jié)論。依據(jù)此結(jié)論，可適當(dāng)降低烘干架上部的加熱桿密度，將加熱功能區(qū)集中設(shè)置于下部，下部加熱區(qū)傳遞上來的熱量可對烘干架上部進(jìn)行補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)烘干架效能的提升，設(shè)計方案如圖2 所示。

圖2 毛巾烘干架設(shè)計

數(shù)理推導(dǎo)是工科生必備的基本素質(zhì)，以往的工業(yè)設(shè)計教學(xué)由于不重視這方面的培養(yǎng)，導(dǎo)致學(xué)生解釋方案時，常常出現(xiàn)說服性不強(qiáng)，對原理本質(zhì)分析不到位，無法確定功能設(shè)計的合理性，增加了產(chǎn)品開發(fā)的風(fēng)險。因此，注重學(xué)生數(shù)理基礎(chǔ)的培養(yǎng)，提升學(xué)生掌握機(jī)理指導(dǎo)設(shè)計的能力，是學(xué)生理性思維方式培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。

3.3 善于應(yīng)用

學(xué)生課堂接受的理論知識未能有效應(yīng)用于設(shè)計實(shí)踐，設(shè)計的開展大多還是依據(jù)自身的感性認(rèn)識［5］。事實(shí)上，這也反映出在授課過程中不經(jīng)意間忽視了“學(xué)”與“用”之間起重要作用的“橋”，未能很好地引導(dǎo)學(xué)生通過合適的手段將所學(xué)理論知識應(yīng)用于設(shè)計實(shí)踐，造成“學(xué)”與“用”的脫節(jié)。一方面由于理論課程均偏概念抽象化，如果課堂中不緊密結(jié)合實(shí)例進(jìn)行講解，容易造成授課過程乏味，無法調(diào)動學(xué)生的興趣；另一方面設(shè)計實(shí)踐在工業(yè)設(shè)計教學(xué)中占有很大的比例，而科學(xué)理論是支撐設(shè)計合理性的關(guān)鍵。如何有效地將理論運(yùn)用于設(shè)計實(shí)踐是工業(yè)設(shè)計教學(xué)的關(guān)鍵。例如，在工科課程中，不單讓學(xué)生掌握力學(xué)、機(jī)械、電路等基本內(nèi)容，還應(yīng)注重將工科理論應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計的實(shí)現(xiàn)途徑的介紹，讓學(xué)生知道通過何種計算軟件或試驗(yàn)方法可將所掌握的知識應(yīng)用于設(shè)計中。如學(xué)生提出一款可起到防濺水作用的洗手盆設(shè)計概念，其設(shè)計思路是通過改變洗手盆盆口造型使水流無法從洗手盆溢出，此設(shè)計的核心點(diǎn)在于如何確定方案的可行性。通過結(jié)合計算流體力學(xué)軟件（如ANSYS Fluent），對洗手盆的水流流動問題進(jìn)行分析評估，可有效避免設(shè)計的盲目性，指導(dǎo)防濺水洗手盆合理設(shè)計方案的提出，如圖3 所示。由此可見，在工業(yè)設(shè)計培養(yǎng)中應(yīng)充分注重“學(xué)”與“用”之間“橋”的搭建，讓學(xué)生知曉應(yīng)用知識的實(shí)現(xiàn)途徑，提升善于應(yīng)用技術(shù)手段解決設(shè)計問題的能力。

4 小結(jié)

工業(yè)設(shè)計是集藝術(shù)創(chuàng)新與工程科學(xué)相結(jié)合的高度綜合性的交叉學(xué)科，工業(yè)設(shè)計專業(yè)的學(xué)生不僅需要具備活躍的藝術(shù)靈感和扎實(shí)的表現(xiàn)技能，而且需要擁有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦硇运季S方式，指導(dǎo)產(chǎn)品科學(xué)合理的設(shè)計開發(fā)。在《中國制造2025》計劃實(shí)施和新工科理念提出的新時代背景下，工業(yè)設(shè)計人才培養(yǎng)需緊跟時代發(fā)展步伐，特別應(yīng)注重學(xué)生理性思維方式的培養(yǎng)，提升學(xué)生運(yùn)用研究性學(xué)習(xí)方式解決設(shè)計實(shí)踐問題的能力，回歸工業(yè)設(shè)計教學(xué)培養(yǎng)的初衷。

圖3 防濺水洗手盆設(shè)計