1、收稿日期:2 0 2 2-1 1-2 3作者简介:谌涛,上海理工大学出版印刷与艺术设计学院工业设计系主任、副教授;肖亦奇,上海理工大学出版印刷与艺术设计学院讲师。面向智能制造的跨学科创新教育:设计思维引领的新范式谌涛 肖亦奇【摘 要】设计思维是关于创新和问题求解的方法论,是促进工程、人文、管理等多学科在创新层面的对话,推进跨学科应用型综合创新教育必备的思维素养。本文阐述了设计思维引领下面向智能制造的跨学科创新教育理念。在分析相关高校案例的基础上,研究了设计思维引领的智能制造跨学科创新教育的实施路径和制度保障,并且提出了若干针对性建议,对跨学科创新教育模式的构建有借鉴意义。【关键词】设计思维 跨
2、学科 创新教育 智能制造 在国家实体经济高质量发展和制造业数字化转型升级的大背景下,有关学科领域无不将关注点投向智能制造,通过人工智能等信息化技术的加入,推动复合工程创新并提高制造业的智慧水平,在新一轮产业变革中占据有利地位。智能制造的内涵包括智能产品、智能生产、产业模式、基础设施四个维度。1其中,智能产品是制造主体,智能生产是工作主线,面向定制化和服务型制造的产业模式变革是发展主题,构成了前端、中端、后端一体的系统性工程。1由此可见,单个组织和单一学科的知识资源已无法满足面向智能制造的协同创新任务对知识扩展和集成的要求,而是需要各个学科的广泛参与,如智能科学与技术、计算机科学与技术、材料科学
3、与工程、机械工程、力学、电气工程、信息通讯工程、控制科学工程、公共管理、工商管理等。眼下随着“新工科”建设的深化,在国内高水平综合性大学中,已经出现了由关联学科为主干组建交叉型学科群的趋势。这种促进学科深度融合的举措在推进学科布局调整的同时,能更好地面向数智时代在国民经济发展、产业格局调整等方面的一系列重大问题,服务国家重大战略。面向智能制造的创新要解决的是复杂社会技术系统问题,对在综合性大学中开展相关的跨学科教育提出了新的要求。一方面,各学科专业长期以来的精细化分工造就了学科壁垒,形成了不同的问题解决观,对面向智能制造的创新也有独特的理解视角,亟需一种共通的思维和语言来引导不同学科领域之间的
4、协同创新。另一方面,智能制造要满足人民美好生活的需求。人既是智能制造的服务目标,又在制造实施过程中扮演关键角色。而以人为中心、探讨人造物和人之间的关系恰好是设计学科的研究核心所在。因此,近年来越来越多的教育管理者和实践者把目光聚焦于设计智慧在跨学科创新中的作用,由设计思维引领的跨学科创新模式正在日益得到重视。本文在国内外综合性院校围绕智能创新的“新工科”教育成果的基础上,梳理了用设计思维引领跨学科创新的新范式的核心理念,提出了具体的执行路径和制度措施,以期为有关院校的学科和创新教育改革提供指导和借鉴。一、设计思维引领下面向智能制造的跨学科创新教育理念“设计思维”是关于创新的方法论,描述了一种设
5、计师在人工世界解决现实需求时所需的全面的、独特的、以人为本的特殊思维方式。2自赫伯特西蒙(H e r b e r tS i m o n)于1 9 6 9年在其著作 人工科学 中提出设计思维的模型以来,经彼得罗(P e t e rR o w e)和大卫凯利(D a v i dK e l l y)等人的发展,形成了目前通行的“设计思维”模型。它包括移情(E m p a t h i z e,即用同理心探索并发现问题)、定义问题(D e f i n e,又称综合)、构思(I d e-a t e,又称发展)、原型制作(P r o t o t y p e,又称方案实现)和测试(T e s t,又称迭代)五
6、个阶段。前四个阶54段呈现出两次思维上的“发散 收敛”过程,与英国设计委员会(T h eB r i t i s hD e s i g nC o u n c i l)提出的“双钻模型”(D o u b l ed i a m o n dm o d e l)通用设计流程有异曲同工之妙。3实际操作时,团队成员利 用 每 个 阶 段 所 适 用 的 分 析 工 具 包 和 思 维 支架4,立足于人的真实需求,协调团队的创新目标,完成相应的创新任务。总体而言,设计思维最大的 贡 献 在 于 提 供 给 创 新 者 针 对 劣 构 问 题(W i c k e dp r o b l e m)的策略性解决方式5
7、,因此受到工程、设计、商业、教育等多学科领域的青睐。它也为智能制造时代的跨学科创新理念指明了新的方向。1.从技术创新到场景创新面向智能制造的跨学科创新实质上是由四个层面组成的整合创新,即科学原理创新、系统效能创新、需求情境创新、受众体验创新(表1)。它们之间组成了一个从自然科学研究到创新实践成果产生社会效应的连续体。这一连续体中,设计思维发挥着打通技术方案与人文价值的作用。在设计思维的引领下,面向智能制造的跨学科创新教育应转变创新的工作重点,将技术创新置于更宏大的场景创新的视野下,提升技术的转化率和市场价值。所谓场景创新,就是要以问题场景作为研究对象,充分评估场景本身对某种价值或期望的满足程度
8、以及满足的意义。并且以需求情境和使用者体验作为问题分析视角,综合考虑人、物质形态、组织、技术、商业逻辑、文化伦理等多维度创新要素,形成解决方案上的构思。通过建立技术与应用场景之间的连接,让不同背景的创新者在“发现(问题)发明 实现 验证”的创新闭环中加强互动,充分协作,从新场景中创生出新物种和新赛道。表1 面向智能制造的跨学科创新的不同层面面向智能制造的整合创新概念内涵科学原理创新 研究有工程应用价值的科学原理及相关工程实现路径。系统效能创新提高技术方案的工作能力、工作效率和稳定性,减少系统故障。需求情境创新评估技术应用对场景痛点的解决程度,并根据情境需要来优化方案。受众体验创新 改善用户的全
9、流程体验,增进技术的人文关怀。2.从面向学科建设的问题研究到面向问题研究的学科建设在培养过程方面,设计思维引领的跨学科创新范式是问题中心和实践导向的。与跨学科的工程创新相比,它更多地是由来自行业和社会层面的、基于真实世界需要的问题所驱动。通过与终端用户的互动和迭代式创新,在实践中构筑起全新的跨学科知识体系,培育出新的学科生态。在创新教育的方式和举措上,国内外有成功经验的高校都十分重视模块化、项目制的针对领域问题的实践教学。例如斯坦福大学的D-s c h o o l倡导完全由项目驱动的教学。该学院自2 0 0 3年成立以来,旨在为校内的跨学科合作创新搭建一个基于课程组织的工作平台。通过设立社会、
10、商业、可持续等方面的复杂和现实命题,在外部资金的支持和校内外多学科跨领域授课团队的协助下,由学生自主完成可落地的、拥有可预期的社会效应和商业机遇的创新方案原型。6D-s c h o o l的这套以实践过程作为教育内容的跨学科创新机制的存在基础就是设计思维的认识论与方法论。国外其他综合性院校像意大利米兰理工大学、荷兰代尔夫特理工大学和埃因霍温理工大学等也采取类似的教学组织方式7,走出了有鲜明特色的“工程+设计创新”的跨学科教育之路。3.从知识的系统到系统的知识在培养成效方面,设计思维引领的跨学科创新教育追求将知识学习与创新思维相配合,让学生形成一种系统的创新观。这种创新观更强调问题分析的综合素质
11、,有助于创新者把握问题本质、分解问题构成,通过多学科知识的流动性借用有针对性地提出解决策略。拥有这种素质以后,不同学科的团队成员能形成集体智慧,解构复杂问题的影响因素,共同定义并解决新的问题。否则,如果只是站在本学科立场上,按照原有的细分学科的知识框架去参与合作创新,就会重新落入学科分野的狭窄视域当中。总而言之,令学生具备系统的知识选择和知识运用能力,打破纵向但实际不连贯的专业知识结构,是用设计思维涵盖跨学科创新要实现的培养目标。二、设计思维引领的智能制造跨学科创新教育实施路径1.“科研 共创 转化”:学科资源整合的创新平台设计思维引领的面向智能制造的跨学科创新教育范式的实施,首先要建设针对高
12、潜力创新领域和未来研究问题的前沿交叉研究特区,建立跨学科资源整合平台,实现内部学科交叉向外部多学科融合的转变。如德国慕尼黑工业大学在其跨学科学术组织I G S S E的基础上成立TUM创新网络,启动心理健康+神经技术、机器人智能+生命合成等突破性创新项目。8综合性大学应基于自身的历史沿革、学科优势、地域和行业资源优势,从发展战略的高度规划跨学科创新研究热点,为跨学科资源整合平台设定研究方向。在院校组织结构方面,建立相关的整合性研究中心和卓越64 高等工程教育研究 2 0 2 3年第2期研究集群9,甚至改革院系设置,完全打破固有学科组织的藩篱,实现面向领域问题的协同创新。在建成上述形式的创新平台
13、的基础上,将设计思维导入科学研究、协同创造和成果转化三个创新阶段,增进跨学科团队的合作粘度,赋能先进制造。在科学研究方面,实行有组织科研,引入设计专家负责研究方向的咨询,用设计思维强化研究的现实意义和终端服务属性,组织起“用户 市场 解决策略 工程优化”相结合的创新路径;在协同创造方面,组建多元学科的联合实验室,围绕创新的人本价值、使用场景和用户感受,凸显智能制造的产品属性;在成果转化方面,平台内部可按照产品研发流程涉及的不同职能部门,合理分配校内团队和企业合作方的权责。以产品开发部门和产业部门人员为轴心,建设有重点研发计划的实训基地。2.“跨域、跨行、跨校”:多角色组合的教研团队面向智能制造
14、的跨学科创新教学组织离不开多元背景的教研团队。团队的多元背景通常有跨域、跨行和跨校三种情况。跨域的团队由来自不同专业背景的专家学者构成。当然,这种团队非常需要成员之间的协调配合,以及对彼此专业角色的理解和相应的沟通技巧。因此,相较于完全两种知识背景的教师来构成团队,兼具多重专业背景的“双师型”师资将更有利于跨学科创新教学的实施,特别是拥有设计、工程、管理跨学科背景的学者。同时,教研团队需要来自不同行业的经验和声音,尤其是各交叉专业的一线实践人员。例如邀请医院护理部门负责人参与医疗康复器械创新,聘请来自制造企业的“产业导师”,等等。跨校合作也是目前交叉创新常见的资源平台建设措施。其发起 形 式
15、多 是 不 同 院 校 之 间 的 学 科 联盟7,共享教学资源和人才培养方案。在创新项目的指导过程中,教研团队成员可以根据各自的特长承担相应的任务。如代尔夫特理 工 大 学 的 工 业 工 程 学 院 的A E D(A d v a n c e dE m b o d i m e n tD e s i g n)课程设置了协调人、专家教师、设计指导员和原型专家四类教师角色。1 0协调人负责项目统筹、框架设计和资源对接;专家教师负责授课和问题解构;指导员负责在项目进展中协助专家将知识具体化,并参与校企沟通;原型专家负责所有和原型制作有关的技术教学。基于主题的创新实质上是在模拟初创公司的新产品开发流程
16、,专业内的高年级研究生可以以指导员或助教的职位融入开发团队。通过类似有经验的实践人员的“传帮带”,保证设计思维在智能制造项目的推进中得到贯彻。3.“工程教育+工匠教育+创业教育”:三维联动的课程体系设计思维引领的跨学科创新模式当中,以创新为目标的教学组织建设是极其重要的一环。结合国内外院校的代表性案例,有关课程体系应在贯彻设计思维训练的基础上,围绕工程教育、工匠教育、创业教育三个维度来设置,以适应跨学科创新的需要。工程教育面向机械结构、材料工艺、能源动力、增减材制造、微电子与传感器、数据挖掘与算法、伺服控制、人因研究等关于工程实现的知识,保证创新方案的物理实现。工匠教育对应传统教学上的金工实习和计算机辅助设计,主要面向功能原型或整机的制造、测试所需的动手能力。创业教育涉及市场与用户研究、开发战略、商业模式、供应链和技术转让等知识模块,旨在培养识别创新机遇的能力,增强商业管理、市场营销方面的认知,从而通过智能创新塑造新的生活方式、时尚文化、商业形态、公共政策甚至社会关系。要实现工程教育、工匠教育、创业教育的三维联动,重点在于突破现有学科分类下课程体系的时空关系,以领域问题为枢纽来组建知识