工业设计“新工科”建设的核心知识能力认知及内涵

姜超 吴增文 张浩向

摘要：为适应互联网+、大数据、人工智能、创新驱动发展等国家产业升级需求，工业设计“新工科”改造的培养内容与模式，需围绕专业交叉、学科融合持续深化。研究立足工业设计既有专业特点，结合“新工科”人才培养目标，以知识管理的德尔菲和DANP研究方法，探讨“新工科”改造中学生对专业核心知识能力的认知状况，获得工业设计“新工科”建设基于学生理解的核心知识能力及网络关系图。工业设计“新工科”改造需进一步强化数理基础、工程技术及人文学科的教学，积极构思探索联系应用场景的项目实践，以便学生在操作中获得深入理解。

关键词：工业设计 新工科 核心知识能力 设计教育 DANP

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2023）21-0087-04

Abstract：In order to meet the needs of national industrial upgrading such as Internet+，big data，artificial intelligence and innovation-driven development，the training content and model of Industrial Design integrated into the emerging engineering education（EEE），which features interdisciplinary integration，need to be continuously deepened. Based on the characteristics of the major and the goal of the EEE，the study employs the knowledge management method of Delphi and DANP，to discuss the students cognition about the core knowledge and abilities of Industrial Design in the transformation of the EEE reforming，and to probe improvements. The results demonstrated students understanding about major，and obtained core knowledge and abilities of industrial design in the EEE reforming，and drew the network diagram of the core knowledge and abilities. The EEE reforming for industrial design need to further strengthen the teaching of mathematics，engineering and humanities，and to explore application in project practices.

Keywords：Industrial design Emerging engineering education Core knowledge and abilities Design education DANP

引言

新技术革命所引领的国家新经济发展策略，需要工程教育支撑，培养应对未来新技术和新产业下国际竞争和挑战的人才[1]。将原有传统专业按照“新”要求改造升级，培养具备创新、创业能力和跨界整合能力的工程技术人才，是“新工科”建设重要任务[2]。工业设计“新工科”建设主张专业教学与技术学科加强交叉融合[3，4]，培养学生适应新对象、运用新技术、构想新场景、聚合新产链、打造新模式、开创新产业的各种能力[5]及围绕上述能力的设计整合思维。

一、工业设计“新工科”人才培养

陆国栋等[6]认为“新工科”建设内涵是提高学生适应变化能力和工程创新能力。学生在基于应用情境的动手实践中，培养问题意识和社会责任，掌握新工具，养成主动学习习惯，能解决产业中的“跨界复杂工程问题”[7]。钟登华认为“新工科”应培养具有深厚数理基础和人文素养，善于从工程中发现问题，并能运用科学原理予以解决的工程人才[8]。王义遒[2]建议工程人才培养体现“通才教育”，夯實数理基础，渗透人文精神，关注自学能力与思维方法的养成。可见，“新工科”突出交叉学科知识储备、多学科研究能力与跨学科合作精神培育，学生要有解决工程问题的专业知识、技术能力，具备全球视野、人文精神和创新能力，以及持续学习新技术的能力和习惯。

宁波工程学院融合校内网络工程、电气自动化、机械工程及自动化和工业设计4个专业，以交叉复合的理念成立机器人学院 “新工科”教学平台。工业设计培养方案借鉴“新工科”先驱美国欧林学院的设计工程专业[9]，融合数理、工程、设计、人文社科4个领域知识能力组织课程体系，如图1所示。学生掌握统计分析为基础的研究方法，掌握自然科学、社会科学和行为科学的必要知识，培养能共情人的需求，会探寻产业问题根源的新型设计人才。专业教学理论联系实践，协作机械、自动化、计算机专业，以原型回应真实问题解决可能。技术为主的跨专业选修课，建构学生对话工程的知识基础。

二、工业设计“新工科”建设中的专业认知

本单位工业设计“新工科”建设已有5年，探讨如是培养模式中学生关于知识能力的专业认知，可用于检验教学成效，为深化专业改造提供依据。研究运用知识管理的德尔菲法（Delphi Method）和DANP（DEMATEL based ANP）法，探讨学生基于核心知识能力的专业认知状况。

（一）德尔菲专家问卷探讨面向“新工科”建设的工业设计知识能力

研究以知识和能力两个构面，汇整多篇文献中工业设计面向未来的知识能力，结合“新工科”培养方式下，协作对话需要数理基础、工程能力、人文素养等要求，列出25个准则。在知识维度有工程技术知识、社会人文知识以及设计专业知识3个面向，在能力维度有通用素养和专业實践能力两个面向。其中工程技术面向涵盖数理基础、材料工艺、机械工程、生物工程、电气工程5个准则；社会人文面向涵盖工业工程与贸易供应链、社会文化理论、统计学、行为经济学4个准则；设计专业知识面向涵盖人机工程、美学与语义心理、设计史、产品开发程序、社会责任与可持续发展5个准则；通用素养面向涵盖设计思维、编程、绘画与摄影、沟通与汇报4个准则；专业实践能力面向涵盖造型能力、平面设计、掌握基于算法的造型生成与评估工具、原型制作、产品设计、信息视觉化、交互设计7个准则。围绕上述准则，研究邀请5位专家，进行德尔菲问卷。参与研究的专家充分了解工程教育“新工科”改革人才培养目标，熟悉工业设计在智能制造行业情境中的职能与价值。专家从自身对工业设计“新工科”建设目标的理解，结合教学经验，针对专业知识能力准则的德尔菲专家问卷，完成三轮评分，问卷一致性指标都达到CDI<0.05的统计要求，如表1所示。

（二）“新工科”建设中工业设计知识能力的影响矩阵问卷

依据专家意见，选取评分均值高于85的前18个准则，围绕工程技术知识、社会人文知识、设计专业理论知识、通用素养、专业实践能力5个构面，组织DANP问卷，探讨准则间内在联系，由经“新工科”模式教学的工业设计大三和大四学生填答，问卷设计如表2所示。

（三）决策实验室分析

决策实验室分析法（Decision Making Trial and Evaluation Laboratory，DEMATEL）通过准则间关系图确定相互关联性，以便从问卷内容中识别出决定性因素。该方法作为小样本统计分析方法，广泛用于知识管理研究[10，11]。研究累积收回的19份有效问卷填答结果，获得直接影响关系矩阵，带入公式T=X（Ι-X）-1，得到总影响关系矩阵T（Total Influence Matrix）。令tij（i，j=1，2，…n）为总影响关系矩阵T中元素，每一行各元素和为D，每一列各元素和为R。D+R值体现准则重要度，数值越大越重要；D-R值体现准则关联性，数值为正表明该准则影响其他准则较多，数值为负，则表明该准则受影响较多[10]。依据总影响矩阵，获得准则重要度和关联度。

（四）DANP（DEMATEL-based ANP）确定核心知识能力

总影响关系矩阵T正规化处理后，进行自我相乘直至收敛，得到极限超级矩阵，极限超级矩阵中的数值即ANP所获得“新工科”教学体系下工业设计知识能力各准则相对权重值。将DEMATEL重要性和相关性为依据的准则排序和极限超级矩阵所获得ANP准则权重值排序，用Borda法则[12]确定“新工科”教学体系下工业设计核心知识能力及排序，如表3所示以*标示，依序为产品设计、设计思维、原型制作、人机工程、造型能力、美学与语义心理、交互设计、社会责任与可持续发展、掌握基于算法的造型生成与评估工具9项。

（五）核心知识能力间网络关系图

从总影响关系矩阵T汇出DANP所得9项核心知识能力相互之间影响关系数据，正规化后得到核心知识能力间影响关系矩阵，选取权重>0.12的数值，标示*，如表4所示。从横向看，标*的数值所对应纵向准则，是受该准则较多影响的知识能力；从纵向看，标*的数值所对应的横向准则，是影响该准则较多的知识能力。设计思维和产品设计两个准则最为重要，对其他准则都有影响；其次是原型制作，影响人机工程、造型能力、产品设计3个准则；再者是美学与语义心理，影响造型能力和交互设计这两个准则；此外，造型能力影响原型制作，人机工程影响社会责任。依据以上描述可以绘制9个核心知识能力之间的网络关系图，箭头指向表示准则间影响指向，双向箭头则说明两个准则互有影响，黑色填充的准则对其他知识能力影响较大，白色填充的准则主要是受其他准则影响的知识能力，数字编号是准则重要性排序，核心知识能力间网络关系图如图2所示。

三、基于网络关系图的学生专业认知分析与讨论

在以图1所示围绕数理、工程、设计、人文社科4个学科，交叉组织的工业设计人才培养方案及课程体系的教学下，图2网络关系图反映了学生所理解经“新工科”改造的专业核心知识能力图式认知框架。如图2所示，产品设计与设计思维作为最重要的专业核心知识能力，广泛影响了学生对其他知识能力的价值认知以及相应的学习动机。原型制作作为关联编程、模型制作、机械工程等跨学科知识能力的实践载体，是探讨人与产品交互方式和尺度关系的重要手段，涵盖产品硬件开发各种知识，特别是关联功能结构的造型能力和人机工程两方面。造型能力是专业认知的传统内容，除产品设计和设计思维外，还受美学语义心理和原型制作的影响，影响原型制作在空间构思的广度和深度。人机工程的学习成效以原型制检验，体现设计责任和价值，影响对可持续发展社会理念的认识程度。美学语义心理相关知识影响造型能力和交互设计。交互设计、基于算法的造型生成与评估能力、社会责任与可持续发展这3个知识能力，体现“新工科”所服务社会技术语境中工业设计新的专业职能，并受其他核心知识能力掌握程度影响。可见，以网络关系图呈现的图式认知，反映了学生所理解的工业设计行业职能在结合“新工科”改造以后的学习重点，也体现了专业改造的成效与不足，具体表现在以下4个方面。

（一）项目实践影响知识能力认知

“新工科”教学改革以大量项目实践增强学生理解情景、解决具体问题的工程能力。那些结合工具学习和实践演练，偏向技能养成的专业课程，因在解决工程问题的实效性而受到重视。图2排序①的产品设计和排序②的设计思维，是相互影响的专业能力，是学生在项目实践中，对技术、社会文化、经济等各种知识及相应技术方法，系统理解、掌握、运用后，并以此为评价体系促进方案达成。学生的知识技能在服务产品设计和设计思维中变现专业价值，而被特别看重。排序③的原型制作涉及材料工艺、机械工程、编程、人机工程、造型能力等多方面知识能力，在“新工科”教学的项目实践中强化了学生的认同度。

（二）团队协作中的专业职能

本单位“新工科”教学改革，工业设计与机械工程及自动化、网络工程、电气工程及自动化等专业协作，进行项目实践，机械、计算机、数学、物理等背景教师共同承担各类工程技术类课程教学。专业协作的项目实践产品开发中，需频繁制作样机或原型。设计学生对技术知识的认识，在具体问题解决中得到提升。與机械专业协作，学生对材料性能和机械原理知识有更多了解，能完成影响制造和样机性能的零配件选型；与电气工程及自动化专业协作中，学生对电路和传感器原理的知识有更深入认识；与网络工程专业协作中，学生学习编写控制样机的代码，以及产品交互终端的界面设计。此外，其他专业师生基于工业设计职能，期待设计专业学生在处理产品与消费者关系中发挥更多价值。项目分工所强化的上述认识，使得图中排序同为④的造型能力和人机工程、排序⑥的美学与语义心理，主要探讨用户有关产品的尺度适配和审美偏好等知识能力，被学生看重。

（三）技术热点新的关注内容

“新工科”建设中工业设计核心知识能力带入更多跨学科技术集成应用、设计学科前沿技术和社会关注度等方面内容，注重③原型制作、⑥交互设计、⑧掌握基于算法的造型生成与评估工具、⑧社会责任与可持续发展等方面具有知识集成性和技术前瞻性的知识能力。交互设计基于用户行为习惯和认知逻辑，规划各种操作终端视觉效果，互联网+和智能改造技术背景中，设计师结合编程与信息视觉化的技能，承担相关工作。学生经过以概率统计支撑的社会文化课程学习，对消费市场及人的行为，有更多认识和理解。围绕样机方案在应用情境中不断迭代的评估优化，深化设计经由技术所服务的市场机制。基于算法的造型生成和评估能力作为设计行业技术趋势，学生学习造型建构的各种编程工具，结合功能尺寸、材料性能、力学强度、视觉观感等因素，运用3D打印技术，探索方案原型更为多元的造型可能。

（四）数理和工程技术教学的更高要求

加强数理基础中进一步结合工程技术，是工业设计“新工科”改革重要目标，专业培养方案中的微积分、大学物理、概率统计等课程，是设计教学理解产业情景，优化和检验方案成效的重要知识基础。教学实际中，此类课程教学组织与专业实践特征之间的联系不够紧密，导致学生对相应知识认知与“新工科”改革期望存在落差。学生对材料工艺和机械工程相关知识的认识，因缺乏能力维度的学习成效检验，未被纳入核心知识能力。数理、材料、机械为内容的工程技术是产品设计构思深度与广度的重要基础与保障，作为工业设计“新工科”建设知识能力重要拓展方向，相关课程的教学内容与方式有待完善，应突破知识固有学科限制，围绕社会调查、产品设计、原型制作，并以促进学习的实践方式检验成效。

结论

专业核心知识能力及相互间网络关系图，反映了“新工科”改革在教学实际的具体特征；体现工业设计学生在以问题解决为目标的项目协助中，所理解的专业职能；也指出设计服务当前社会新技术文化语境，学生对专业学习新的态度和内容。后续改造要结合“新工科”人才培养目标，加强数理基础和社会人文知识，完善设计创新的价值认识。

“新工科”建设对现有专业改造，受传统专业技能塑造观感影响，需要结合工程和人文学科，加强学生理解新技术和新情境的知识基础。此外，脱离应用情境的理论教学难以实现“新工科”建设目标，应围绕数理知识的应用检验，探索体现复杂工程问题的实践教学载体。

基金项目：浙江省教育规划课题（2021SCG092）；浙江省十四五教学改革项目（jg20220597）

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