设计思维驱动的高等教育工程 创新人才培养模式研究

杨 蕾 王文军 蔡 勇

（西南科技大学制造科学与工程学院 四川绵阳 621010）

创新是引领发展的第一动力，是国家和民族发展进步的源泉。国家从战略高度确定了“大众创业，万众创新”的规划，推动大学生等重点人群创业创新，持续激发市场活力[1]。进入十四五规划后，我国要全面建设社会主义现代化，更加需要在基础科研、科技应用、人文精神等层面进行深层次的创新和发展[2]。在此局面下，国家需要大量的创新创业人才持续支撑和推进创新的前进，这就要求作为培养创新创业人才主力军的高校不断强化创新人才培养理念，革新创新人才培养模式，与政策接轨，与产业接轨，为社会输送高质量的复合型创新人才。

新一轮科技革命和产业变革在加速演进，高校机械类教育的重要任务是对接新兴产业，培养具有“创新创业能力”和“解决复杂问题能力”，能够设计出符合内外部环境约束、满足社会需求解决方案的复合型创新人才[3]。华盛顿协议、CDIO 工程教育模式、AHELO 学习成效评价、新工科教育等都对学生解决复杂问题的能力给予了高度关注。为更好地实施“中国制造 2025”“互联网+”“一带一路”倡议等国家创新驱动发展战略，我国的教育界通过了“复旦共识”“天大行动”等，大力推进新工科教育建设，其重要任务就是对接新兴产业，培养具有“创新创业能力”和“跨界整合能力”，能够遵循工程逻辑设计出能符合内外部约束、满足社会需求解决方案的复合型创新人才[4]。

国内外众多学者对高等教育工程创新人才培养进行了大量的研究，主要聚焦在多学科交叉融合、协同育人、项目式教学等方面。

在多学科交叉融合方面，朱立达等指出多学科交叉能够培养学生发散性思维，是提高学生核心竞争力的重要手段[3]；吴贤文等通过组建协同创新中心和教改实践班，探索多学科交叉融合的复合型创新人才培养，效果显著[4]。

在协同育人方面，冯天军等汇聚了企业、行业部分的多方资源协同育人，有力提升了人才培养质量[1]；张玲等探讨了政产学研用多方协同育人的模式[2]；仝月荣等与企业共建人才中心和创新中心，推动产教深度融合[5]。协同育人的趋势是越来越多的社会力量被纳入到高校育人的体系中。

在项目式教学方面，郑雪晶等设计了目标导向型项目和开放式项目，有效提升了教学质量[6]；卢晓红等打破传统知识传授架构，开展机电课程项目引导式教学改革[7]。项目引导式教学是提升学生综合实践能力的有效途径。

一、工程创新人才能力需求和存在的问题

（一）工程创新人才所需具备的能力

创新是一种创造性实践行为，对人才的意识形态、知识结构、思维模式、工作方法等都有非常高的要求。当今创新人才需要具备能力如图1 所示。

图1 创新人才能力需求

1.发现问题和用户需求能力

发现问题能力是进行创新活动的基础和前提，只有正确地发现了问题才能准确地把握创新的方向。

创新是一个从无到有的过程，需要从实践中观察、总结存在的问题，需要挖掘用户真实的需求。然而问题和用户需求大多数都是潜在的、不易察觉的，要发现问题和真实需求，需要有宽厚的基础知识作为基础，站在用户的角度用全面的同理心进行思考，在不断的实践中通过敏锐的洞察力和科学的方法才能获取到有效的需求和问题。

2.跨领域对话沟通与组织协调能力

从技术层面，工程创新大多数都属于集成和应用创新，需要将各个领域的技术有机地融合起来实现关键的功能，解决实际问题。这就需要学生在整个工作流程中能够与上下游相关的各个领域进行沟通和对话，能够接受、传递和发送创新需求、设计约束、关键技术等[8,9]。

从团队管理层面，由于创新涉及众多的领域和相关人员，学生需要能够协调各方面的诉求和困难，合理分配任务，增强团队成员归属感，确保团队创新的正确方向和凝聚力。

3.系统运用知识解决复杂问题能力

当前的时代是信息和知识的时代，学生随时随地都能接触到大量的信息，但这些信息大部分都是不成体系的碎片化信息，对于解决工程创新中所遇到问题没有太大的价值。

创新是系统性地解决复杂问题的过程，需要将知识进行有效的转化，这就需要学生针对所研究的领域建立知识索引，将知识体系化，形成系统的知识体系和工具方法体系。

以实际项目为牵引，以解决复杂工程问题为目标，通过逐层挖掘问题，探索解决方案，对知识进行综合运用，是建立知识索引，形成系统知识体系的良好途径。

4.快速原型与快速迭代能力

工程创新要实现社会价值，必须要保证功能可行性、时效性和较高的用户满意度。在创新概念完成后，必须要经过多次的迭代，验证其功能完成度以及能否有效的满足用户使用需求。这就需要学生能够采用精益创新的理念，通过快速创建低成本的原型初步进行验证，发现和总结其中的问题并快速迭代方案，从而在最短时间内得出合理的解决方案。

5.扎实的专业工程技术

扎实的工程技术基础是工程创新的根本和有力保障，主要体现在以下两个方面。

第一，在概念创新阶段，对创新对象的功能定义需要宽厚的工程知识储备，从技术参数、复杂程度、加工装配方式等多个层面衡量创新方案的可行性，这样才能保证后续创新过程的顺利开展。

第二，工程创新的实现最终要依靠扎实的专业技术和工程能力，需要系统运用机械加工、结构设计、智能控制等工程能力实现创新方案的既定功能。

（二）工程创新人才培养存在的问题

创新人才的培养是一个系统性工程，需要社会、高校、政府、企业等多个主体协同合作。我国目前的创新型人才培养仍处于探索阶段，全国的各个高校、培训机构、研究院所等人才培养机构推出了众多的培养模式，取得了一定的成效。但目前工程创新人才的培养却存在诸多问题：

1.缺乏对学生用户思维、系统思维的培养。传统工程教学模式大多从技术角度出发，缺乏用户思维、系统思维和大工程观的培养，导致学生产品设计思维不足，创新过程局限于技术细节，不能从市场和用户需求角度对产品进行定义，导致大量的工程创新在孵化后不能被市场和用户接受，浪费大量的人力、物力、财力。

2.跨学科（专业）团队合作能力不足。在传统教学模式中，各专业独立培养，融合教学不足，教学资源整合不够，面向学生的知识体系比较局限。学生对研究领域的上下游产业以及相关联产业了解不足，无法建立大工程观。

同时，传统的培养模式中，各学科、专业学生缺乏沟通，直接导致学生缺乏与其他学科、专业进行对话沟通的能力，在进行实践时难以实现多学科协作。

3.培养过程产业需求导向不足，产业链、教育链、创新链脱节。工程人才培养中存在培养目标、培养过程与产业需求不匹配，创新链与产业链脱节等问题。校企协同深度不够，师生很少接触产业，无法了解企业工作方式和需求，许多专业的研究方向偏离或滞后于市场的发展，学生难以满足社会对人才的需求。

同时，高校的工程创新实践软硬件资源更新迭代速度普遍滞后于企业，且往往缺乏专业人员负责提供加工制造等服务，高校学生工程创新实践缺少产业资源支撑，在工程创新概念产出后，难以匹配相关资源进行快速有效的转化，导致创新成果大多流于概念，无疾而终。

鉴于上述问题，高校机械工程学科作为培养工程创新创业人才的主力军，必须不断强化创新人才培养理念，革新创新人才培养模式，与产业接轨，为社会输送高质量的复合型创新人才。

二、设计思维驱动工程创新人才培养

（一）工程创新人才培养模式包含要素

工程创新人才培养是一个系统性的工程，涉及到多个层面的要素。本文将工程创新人才培养模式所包含的内容从培养理念、课程体系、教学模式和实践平台四个层面进行论述，如图2 所示。

图2 工程创新人才培养模式包含要素

首先，工程创新人才培养需要建立清晰的培养理念，明确培养对象的基本特征和基本需求，并据此确定切实可行的培养目标，制定合理的培养架构。培养理念是工程创新的根本出发点。

其次，需要以培养理念为依据，制定科学的课程体系，循序渐进，兼顾深度和广度，筑造学生系统性的知识体系和实践方法体系，为工程创新打下坚实的基础。合理的课程体系是工程创新的知识和能力保障。

第三，工程创新需要突破传统的课堂教学，理论与实践密切结合；需要突破现有的专业限制，多学科交叉融合；需要突破教育与产业的壁垒，学生直面产业项目。丰富的教学模式是工程创新的动力来源。

最后，与理论创新、艺术创新不同，工程创新必须配备完善的实践平台，能够兼容并包多方校企资源，提供软硬件设备及实验空间，使得需求分析、原型制作、验证测试等工程创新所必需的环节得以实现。全方位的实践平台是工程创新的物质保障。

（二）设计思维与工程创新人才培养需求吻合

当今时代消费模式已经从稀缺消费、面子消费逐渐转变为品质消费、个性消费，设计在企业中的作用越来越重要，利用设计满足消费者潜在需求已经逐渐转变为企业运营的核心思想[10]。

复杂工程问题涉及多方面用户、工程技术等因素，各因素之间的相关利益不完全一致，必须运用多个学科的知识和方法，团队合作识别系统相关的各个因素才能解决。解决复杂工程问题实现的工程创新是包括技术创新、管理创新和理念创新的一种内在集成创新，必须面向市场和用户需求。

设计思维是一种以人为本的解决复杂问题的创新方法，它将技术可行性、商业策略与用户需求相匹配，具有综合处理能力的性质，能够理解问题产生的背景、能够催生洞察力及解决方法，并能够理性地分析和找出最合适的解决方案[11]。设计思维作为一种创新探索的战略方法，整合协同资源综合处理问题，与机械类创新型人才培养需求高度吻合。

近年来，美国的MIT 的 Media Lab，斯坦福大学的D.School，加利福尼亚大学的Jacobs 创新设计研究院等都以交叉学科实验室的形式，运用设计思维进行工程创新，设计学院甚至已经取代商学院成为新的热门，IBM 等企业也将设计思维提升到新的战略高度，广泛应用于战略制定和变革管理[12]。

（三）设计思维驱动工程创新人才培养模式改革

将设计思维贯穿于课程体系制定、教学实施、实践平台建设等多个层面，构建基于设计思维和PBL 的机械类工程创新能力培养体系，实现机械类创新型工程人才培养，如图3 所示。

图3 设计思维驱动工程创新人才培养模式

以设计思维驱动工程创新人才培养的主要措施：

1.构建全面的创新课程体系，培养发现问题和需求能力

以设计思维为驱动，多维度构建创新课程体系。在确定培养目标时融入创新能力目标，通过建设依次递进、有机衔接、科学合理的创新创业教育专门课程群，构建多层次、立体化的课程体系，通过创新通识课程、创新前沿讲座、创新方法课程、创新实践训练、个性化选修课程、创新创业微学分等多样化创新课程，为工程创新搭建知识储备。

破除学科专业壁垒，重构以设计思维为引领，以需求思维、系统思维为重点的创新人才培养体系，解决单一学科认知和资源局限性问题，发挥工业设计学科引导性、策略性、系统性的特性，整合新工科、新商科、新农科等新兴专业，将理念、思维、行动、实施等层面的人本、文化、艺术、技术、商业进行有效的融合，以“学中作、做中学”的理念，从工程创新的用户需求分析、功能定义、创意激发、原型测试等各个环节建立了实践教学方法体系，对学生进行全面的培养。

2 .校企深度协同，解决产业链、教育链、创新链脱节的问题

建立全方位的校企合作模式，从人员、资源、业务等层面深度协同开展育人工作，以工程创新人才培养为目标，以PBL 项目引导式教学为核心，以工程创新全过程为载体，校企深度合作，联合创新，推动产业、高校教育联动发展，将产业链、教育链和创新链进行深度有效融合[13,14]。

通过校企人员协同，强化产业需求导向的人才培养理念，通过校企资源协同，搭建跨学科立体化的工程实践平台，通过校企业务协同，实现优势互补共享共赢的合作模式。

依托校企合作机制，通过“引进来，送出去”的方式，可以实现对创新创业师资力量的全面拓展和强化。可以从企业引进创新导师团队，与高校教师一起组建学科交叉创新教学团队，全过程培养工程创新能力。要深入推进企业项目主管、产品经理和骨干设计师到校授课，坚持校内教师和企业项目人员联合指导学生实践，确保创新方法的有效性和创新成果的可实施性。同时，要推行教师进企业工程实践制度，强化高校教师的工程实践能力。

将企业产品开发业务和高校的人才培养任务相结合，在课堂教学、实践教学、科技竞赛、实习实训等环节，引入企业从寻求机会到样机评估各个环节的业务需求和具体业务开展方式。坚持以企业实际产品研发需求为导向，设置课程教学内容和实践题目，强化学生工程创新的市场需求导向。

在得到创新设计方案雏形后，学生与企业人员组成创新孵化团队，综合商业模式、生产制造、用户反馈等多种因素进行方案快速迭代。通过反馈、测试和验证持续优化设计方案。同时，把控项目进度的管理以及整体项目的质量，利用企业资源实现创新产品开发和推广。整个过程中学生切身参与从创意发现到设计实现再到推广营销的产品全生命周期创新实践中，锻炼其创新思维，提高商业思维敏感度，培养能将市场和产品开发有机衔接起来的高阶人才。

同时，需要与产品设计、加工制造、材料成型、生产控制、商业运营等类型企业建立深度合作的实践基地，为学生创新实践提供技术指导和设施支持。学生才能真实接触现代产业环境，将创意逐渐转化为创业基础，使工程创新能够最大限度与产业吻合。

3.多学科交叉开展PBL 项目引导式教学，培养跨学科对话能力和系统运用知识解决复杂问题能力

引入企业实际项目，精心遴选、融合相关学科的知识进入教学内容，调整学科结构，优化多学科交叉布局，形成优势学科群，将设计、工程、人文、艺术、社会科学等进行结合，共同开展实战训练。

以学生为中心建立交叉团队，配备多学科师资和企业人员共同对学生创新实践进行指导，帮助学生建立多学科交叉意识和团队协作意识，养成在多学科空间观察、思考问题的习惯，形成系统观和大工程观[15][16]，如图4 所示。

面向市场和用户需求，学生在实践中从宏观到微观，从概念到技术实现最后到产品全面参与创新过程，深度融合用户需求、技术实施、商业模式等因素，着重培养学生系统性解决复杂工程问题能力。

图4 多学科交叉教学

4.搭建多主体参与的实践平台，为快速原型和快速迭代提供支撑

工程创新需要良好的实践环境，需要高校、企业、风险投资机构等多主体共同参与，开展全方位的深入合作，集聚整合相关科研力量和创新资源，以平等互惠为原则，开展共同育人、合作研究、共建机构、共享资源等探索，构建创意、创新、创业一体化的工程人才培养平台，产、教、创三链深度融合，整合多方人力物力资源，充分发挥各自创意优势和资源优势，深入联合创新教育与实践，实现资源的快速有效配置，打造工程创新生态环境[17][18]，如图5 所示。

图5 多主体创新实践平台

依托创新实践平台，建立企业生产实践教学案例资源共享机制，根据教学的需求，将企业设计、加工制造、市场营销等各个环节的工程实践融入专业相关要素凝练成教学案例，理论与实践密切结合，加强教师和学生对企业生产实践教学案例的认识和研究。

5.建立科学的创新制度体系，保障创新实践可持续发展

在实践平台硬件建设的同时，需要建立有效的创新管理机制与之协调匹配，形成能够高效、合理支撑创新创业开展的制度体系，这样才能实现新工科创新创业实践平台的可持续发展[19][20]。创新制度体系需要从创新激励和创新管理两个层面进行建设，如图6 所示。

图6 创新实践管理体系

在创新激励层面，要建立多层次的、能够有效激发学生创新积极性的政策制度。修订创新创业实践学分的认定管理办法，建立多元化的创新创业支持政策，保障创新创业实施，以此鼓励大学生投身创新创业；通过设立创新创业专项奖学金等措施，提供经费支持，奖励大学生创新创业，调动学生创新创业的积极性。

在创新管理体系层面同时，建立完善合理的创新管理制度，建立灵活高校的资金使用办法，在政策允许范围内为创新创业最大限度提供便利；对创新进行全过程的监管和指导，督促团队完成既定计划，并在必要时提供技术指引；对参与工程创新相关人员的专业资格、实践活动等进行管理和监督，规范创新过程。通过对人员、创新过程、经费使用等进行规范化管理，才能确保资源的有效利用和创意的有效转化。

三、设计思维驱动工程创新人才培养模式实践与成效

2012 年起西南科技大学与长虹创新中心等企业联合探索设计思维驱动的机械类创新型工程人才培养模式。经过十余年实践，成效显著。

学生专业水平、工程实践能力和创新能力得到了极大提高，获得国家级科技竞赛50 余项，省级学科竞赛奖励200 余项，创新创业项目30 余项。众多毕业生进入长虹、宝马、重庆宇杰、上海乾易、北京洛可可等著名企业和设计公司以及京东、腾讯、新浪、南京帆软、成都简立方等互联网或电子商务企业，成为企业的中坚力量。从毕业生反馈机制和社会评价机制反馈的数据来看，学生的各项能力得到用人单位的高度认可。

通过实践，满足现代工程创新需求的双师型师资力量得到大幅提升，学院专业建设得到快速发展，机械设计制造及自动化专业顺利通过工程教育认证，并入选国家级一流专业，工业工程专业入选四川省一流专业。建设省级及以上专业平台8 个，省级以上课程6 门，其中国家级精品课程1 门，国家级一流课程1 门，出版省级以上重点教材、规划教材8 部。

与产业界建立了紧密的合作，互利共赢。西南科技大学与四川长虹共建“国家级工业设计中心联合创新中心”，与上海乾易汽车技术服务有限公司共建“汽车设计人才联合培养基地”，与UXPA 中国共建“用户体验设计人才联合实践基地”。加入中国用户体验联盟、中国工业设计协会设计教育分会等行业协会，多频次聘请行业专家到校为学生开展前沿讲座，确保工程创新与行业发展趋势高度一致孵化了熊猫机器人、智能缝制设备、儿童3D 打印机、水泥3D 打印机、头梳、蘑菇脆品牌产品策略等多项创新成果，推动相关产业新产品、新服务、新系统的产业化进程迅速发展。

联结多方资源建立战略合作伙伴关系搭建了德诚创意工厂平台，制订了设计思维驱动的工程创新孵化流程。重点开展复合型创新人才培育、工程创新关键技术研究、产教融合校企合作、国际化研究团队建设等工作，建立了一批创新联合实验室、实训基地以及10 余支学生创新团队，开展场景式教学，形成了“双师型”整合创新的一流团队，搭建了产学研融合创新的一流平台。以德诚创意工厂为桥梁，打通校企实践平台，通过整合技术、文化、商业模式、管理创新等，以工程创新带动人才培养制度改革和产业转型升级，将教育与产业进行紧密地连接。

该模式实现了校企优势互补和资源协调，是一个有机的工程创新人才培养体系，获得了2021 年四川省高等教育教学成果二等奖，获得省级及以上教学研究项目13 项，其中获得教育部第二批新工科研究与实践项目1 项，四川省教学改革重大项目2 项，有力地提升了专业建设水平。

结语

将设计思维应用于工程创新模式的改革和实践中，从课程体系、教学模式等层面进行全面的改革，并集结有效的多方力量共同建设全方位的创新实践平台软硬件环境，打通学科孤立边界，提升学科交叉融合，探索跨界培养，实现资源的快速有效配置，可以有效的提升工程创新人才培养质量，大幅度提高创新成果孵化进程，实现产业链、创新链、教育链的高度融合。

该模式可以破除学院与专业之间的壁垒，重构创新人才培养体系，破除高校与产业之间的壁垒，共建创新实践平台共同体，破除对未来的认知壁垒，适应和引领行业发展。企业、高校、学生三方共赢，对高校的工程创新人才培养具有良好的借鉴意义。

最后，感谢西南科技大学教学改革项目“面向人因工程思想培养的课程教学方法改革研究与实践”（项目编号：17xn0179）的资助。