以课题为载体的工业设计教学方法研究

 一、工业设计教学的特点
工业设计是以大批量和机械化为条件，满足大多数人的需求为目的，将科技成果转化为商品的创造性活动，是科学、技术、文化与艺术的综合体现。[1]其研究重点是用户与产品（产品系统）之间的关系，因此具有较强的跨学科性、交叉性与实践性。工业设计教育是一种启发式教育，不是知识灌输式，因此既不能用培养艺术家的手段，也不能用训练工程师的方法。[2]反映在教学中，如果以相对固定的课程设置和硬性的学时计划组织教学，缺乏一定的灵活性与时效性，在一定程度上阻碍了学生知识整合能力与创新能力的提高。学生在对专业没有体验的情况下，单靠教师介绍、讲授难以理解和接受知识[3]，学生在修读完各类技术基础课、人文基础课后，面对实际问题还是束手无策。[4]
工业设计的教学特点在于综合创新，简单的课程叠加很难起到综合作用。要提高教学的有效性，应明确教学目标与教学载体（手段）的关系，通过合适的载体实现课程内容及知识的贯穿。“课题”恰恰是这样一个有效的教学载体，通过课题教学，可以有效整合学生所学的知识和技能，营造以“学”为主的教学氛围。

二、以“课题”为载体的教学方法
学生围绕“课题”进行学习，不仅能促进他们的主动性，而且能将学到的课内知识与课外知识贯穿起来，全面训练学生的理论分析能力、假设推理能力、动手操作能力、自学能力、总结抽象能力和综合创造能力，从而使学生掌握一种分析和解决问题的科学方法。
“课题”研究的基本程序主要包括明确课题背景、制定课题研究方案、实施课题研究和课题总结等几个环节，见表。工业设计教学中，可将企业的实际产品开发项目作为教学课题，也可针对设计中的一些共性问题加以抽象和提炼，设置课题。因此，工业设计课题大致可分为“改良设计课题”、“产品开发设计课题”及“系统设计课题”三类。“课题”采用灵活多变的形式组织教学，一般不限定学时，但设置学分。
本科生就读的第 4 至 5 学期一般设置改良设计课题，约 5 ～ 8 周完成。学生可结合所学的机械设计基础、人机工程学、设计程序与方法、计算机辅助设计等课程及相关课外知识完成课题，主要解决用户需求与产品功能、结构、造型、色彩、界面之间的关系问题，通过具体的设计方案体现研究目的和结果，归纳出技术原理、研究设计规律，积累设计经验。学生每周至少向教师汇报一次课题进度，课题结束时要提交设计报告书、展板、技术图纸等文件，并组织集中答辩，进行成果交流与鉴定。
本科生就读的第 6 至 7 学期一般设置产品开发设计课题和系统设计课题，约 8 ～ 16 周完成。这两类课程的综合程度较高，应用的知识范围也较广，不仅涉及具体的技术和设计知识，而且涉及企业管理、产品策划、市场营销、消费心理、社会、文化等多方面因素，需要自学的知识较多。所以要求学生首先要建立新产品的概念，结合具体设计对象确定目标系统，分解复杂问题，通过跨学科协作，探索解决问题的方法与途径。在完成课题的过程中总结规律、归纳方法，学会运用数理统计、建立模型及共性技术解决复杂的设计问题。学生每周至少向教师汇报两次课题进度。课题结束时，以研究报告、展板、模型或样机等形式提交成果，组织答辩交流，逐步训练学生的自学能力和研究能力。
对于有价值的研究成果可由教师进一步深入指导，申请专利、发表论文或申请科研立项资助，尽可能将研究成果投入生产实践，产生经济效益，以此促进教学的良性循环。文中将结合部分教学案例进行说明。

三、教学案例解析
1. 改良设计课题
改良设计课题主要是从现有产品中发现不合理的地方，综合分析，选择更加合理的技术或方式，提出解决方案。改良设计有着严格的限定条件，是工业设计工作中的主要内容。
以康复器械的改良设计进行说明。无障碍设计在社会中发挥着重要的作用[5]，针对残障人士的无障碍产品设计是工业设计要解决的一大问题。康复训练器作为下肢瘫痪者的主要康复工具，虽然相关产品较多，但大多存在各种不完善之处。
该课题安排在第 5 学期的第 8 至 16 周，为期 8 周。与该课题配合的主要课程有 ：设计程序与方法、人机工程学、机械设计基础等。按照课题研究的基本程序，制订如下教学计划：
第1周 ：要求学生深入企业及相关的康复训练中心进行首次调研，以感性参观和拍照为主。通过调研，明确课题目的、意义及产生的条件，确定要研究的问题，与教师讨论进行此课题需采用的研究方法、关键技术、工艺路线，进而开展相关的理论分析，以书面形式提交课题研究计划和首次调研报告。
第2周：再次深入企业调研，本次主要以用户观察与访谈、产品体验为主，分析、整理已搜集的资料，并结合网络资料获取知识及相关设计信息，制作详细的调研报告，得出调研综合结论，然后展开更进一步的理论分析，提出创新点和初步设计构想，绘制大量的设计分析草图。
第 3 周 ：集中组织草图评审，综合分析评价设计中的创新点与可行性，教师协助学生确定可继续深入发展的设计方向，进一步详细设计。该阶段与人机工程学课程相结合，与授课教师探讨涉及的问题。
第4周：结合设计方案第三次深入企业调研，更进一步了解产品的技术、工艺及结构特点，对于难以解决的技术问题，学生应积极请教企业工程师，探讨方案的技术可行性。
第5周 ：方案综合评定，确定最终设计方案，并以计算机辅助工业设计软件为平台进行NURBS 设计，建立产品的基本外观模型，渲染最终外观效果图。该阶段要与计算机辅助设计课程相结合，遇到建模中的具体技术问题可及时请教该课程的授课教师。
第 6 至 7 周 ：工程设计阶段。将 NURBS数据转化为三维实体数据，以 UG 等工程软件为平台进行结构设计，完善细节，修正外观设计中存在的瑕疵，并不断分析解决设计中存在的各种技术问题及风险规避。该阶段可结合机械设计基础课程，由教师指导完成。
第 8 周 ：设计文件制作，包括设计展板、报告书、设计说明书等，并参加答辩。在条件允许的情况下，邀请企业工程师及专业教师一起参加答辩，综合评价学生的设计成果。
图 1 为一款“步态减重训练器”的设计方案。该方案通过详细剖析患者在康复训练时的状态，分析了传统产品的不足之处以及用户对训练器的诉求，进而对原产品进行了改良设计。
传统的下肢训练器在使用时会遇到诸多不便，用户不得不被绳带“挂”起来。“挂”的过程较为艰难，需要 2~3 名健康人士协助完成，患者在恢复训练时遭受很大痛苦。基于该现状，通过多次讨论与试验，“步态减重训练器”的概念由此产生，进而确定了技术原理，即通过 1 个可升降和旋转的结构实现患者的无障碍康复训练，患者可根据腿部受力情况，自行调整施压参数及训练速度。
教师评价：该课题的训练使学生重点体会了设计中的人机要素和用户的心理感受。在课题研究过程中，学生综合了相关的机械制造原理、控制原理及运动科学的基本原理，了解了技术对于工业设计的重要性，是一个很好的教学实践案例。该方案的不足之处是部分结构增加了制造工艺的难度。

1. 步态减重器

2. 产品开发设计课题
新产品开发是结合市场及企业实际需求，开发设计新全产品的过程。对企业来说，全新产品的开发要比改良设计投资风险大，因此需经过周密的市场调研和企业规划，涉及因素较多，如市场需求、市场容量、市场前景、消费者接受程度、企业管理、技术难度、成本控制、生产制造、财务决算、创新程度等。选择该类课题的目的是让学生参与到企业产品开发的决策中，训练学生对产品开发全过程的把握，学会团队合作，掌握学科交叉的方法，这对提高学生设计实战能力、宏观把控能力和应对风险能力有积极的作用。
以残损人民币兑换仪开发设计为例。该课题是一款全新的产品开发项目，也是一个跨学科合作的工业设计案例，开发过程中涉及计算机程序设计、硬件设计、光学、机械结构设计、工业设计、模具开发等多个学科领域，需要多个学科的技术人员联合完成，工业设计在其中处于总体规划的角色。除了完成工业设计环节外，还需协调其他多个技术环节。
该课题安排在第 6 学期 1 至 16 周，为期 16周。与该课题产生关联的课程涉及工业设计教学计划的大部分课程，因此，综合性与交叉性较强，项目难度较大，教学计划的制订需紧密结合企业进度。它的具体教学安排与改良型课题基本一致，也是按照课题研究的基本程序出发，只是开发周期延长。
图 2 为一款企业已采用的设计方案——ES-RE001 型嵌入式残损人民币兑换仪。[6]该产品集电子取像、图像处理、自动换算、人机界面显示、打印凭条等多功能于一体，给银行残币兑换业务带来较大的便利。产品开发经历了市场调查、业务调查、概念设计、功能设计、原理设计、造型设计、结构设计、界面设计、样机开发、模具开发、产品注塑、工艺调整、产品装配、包装设计、用户光盘制作、商品化封装等多个环节，最终顺利上市。经天津市质量监督部门技术检测，所有检测项目均合格，并获得国家实用新型和外观设计专利授权，同时也通过了科技部科技型中小企业技术创新基金项目的立项资助。
教师评价 ：通过本课题的实践，学生的综合实践能力得到较大提高，作品的完成度也较高，今后应大力提倡这种产学研合作案例。

2. 产品开发设计课题

3. 系统设计课题
系统设计[7]是对人、产品及产品存在的环境（即人—机—环境系统）进行设计，是一种理论性、系统性、开创性更强的设计训练。它是设计师面对未来社会中的新兴技术、理念、生态环境及伦理道德、价值观等因素时所进行的思考，是一种系统化的创新设计，在某种程度上带有一定的概念性和前瞻性。如“未来交通方式设计”、“未来通信方式设计”、“未来家居生活体验设计”等，均属于系统设计课题。系统设计课题是工业设计教学中一个不容忽视的环节，对于提高学生的设计境界有着积极的作用。
近年来，汽车的猛增与城市面积的扩大使得交通问题成为社会病。[8]“单中心延展式”向“多中心组团式”发展将是城市建设与规划的合理之选。在这种背景下，公共交通系统要充分发挥其作用。因此，选择“新型轨道交通系统”为课题进行研究。
该课题安排在第 7 学期的第 1 至 10 周，为期 10 周。让学生从系统的角度思考人们的出行方式及交通问题，提出具有前瞻性的设计解决方案。课题首先要求学生了解自工业革命以来城市及交通工具的发展历史，调研国内外现有公共交通工具的种类、应用范围、采用的主要技术等，然后比较各种公共交通工具优劣性，从城市发展的整体性出发，建立目标系统，提出新的公共交通方式，最大程度优化整体与局部、局部与局部的关系。图 3 为一种新型高架轨道交通系统的设计方案。
教师评价 ：该方案创造性地将三种轨道交通工具有效整合，主干线是一种双层复合式车辆系统，连接城市主要功能区，上层为中高速磁悬浮列车，下层为中速倒挂式单轨列车，支线为连接各居住区的自助轨道车辆子系统，优化了轨道交通的功能，收到节能环保、无污染、低噪声、大运力、灵活高效并节约城市空间等多重效果。同时，也成为城市景观中的一道风景线，是未来城市发展生态公共交通系统的合理选择。方案中对该新型轨道交通车辆系统的横断面、线路及设站方式进行了较为细致深入的分析与设计，给出了详细的概念设计图纸，是一个比较好的设计尝试。

3. 城市新型高架式轨道交通系统

结语与展望
通过对上述三大类课题的阐述，结合三个教学案例的详解，反映了工业设计教学的目的和意义，使学生从知识的被动接受者转变为主动学习者，并在实践中总结规律、归纳方法，学会运用多学科的知识和技能解决实际问题，从多角度、多层次去理解事物，从而掌握科学的设计方法。
以“课题”为载体的工业设计教学方法也是打破思维定式的有效方法，使学生真正具备创造能力。该教学方法能够成为“学时”教学的重要补充，最大程度地整合资源。实践证明，这是一种符合专业规律和设计教学规律的科学方法，希望在今后的教学实践当中能够不断加以完善，同时希望得到更多同行和专家的认可。

* 项目基金 ：本文受天津市高等教育学会“十二五”教育科学规划课题（125q163）、天津理工大学教学改革项目（YB12-58）资助。

注释 ：
[1] 张磊、葛为民、李玲玲、钟蜀津：“工业设计的定义、范畴、方法及发展趋势综述”，《机械设计》，2013.8，第 97－101 页。
[2] 马春东 ：“大学四年教什么——再谈工业设计师的基本素质”，《艺苑（美术版）》，1999.2，第 52 － 54 页。
[3] 马春东 ：“营造一个以学为主的教学环境”，《装饰》，2002.1，第 15－16 页。
[4] 张磊、窦金花 ：“关于国内工业设计教育现状的再分析”，《创新设计与管理——2010 国际创新设计与管理高峰论坛暨世界华人设计学术研讨会论文集》，中国轻工业出版社，北京，2010，第 372－374 页。
[5] 向昭颖 ：“无障碍设计理念及应用研究”，《机械设计》，2013.7，第 112－114 页。
[6]Lei ZHANG，Yong LIU: “Study of Product Development Case: Take the ES-RE001 Embedded Equipment for Incomplete RMB Exchanging as an Example”, Proceedings of International Innovation Design and Management Summit Forum in 2011 & the Second Design Academic Conference of Chinese Worldwide, Scientific Research Publishing, USA, 2011,p145-150.
[7] 张福昌 ：“工业设计中的系统论思想与方法”，《美与时代》，2010.9，第 9－14 页。
[8] 严扬 ：“我国都市的交通系统与设施的问题及其对策”，《装饰》，2002.5，第 135－137 页。