工程研究、技術創新與設計教育

文/ 包海默(大連民族大學 設計學院 )

今天我演講的題目是工程研究技術創新與設計教育。主要介紹的是我們學院整體的教學思路，我拿出一個可能比較具體的課題來跟大家分享我們如何進行教學的。我們這個院跟剛才的兩位老師，徐老師和孫老師執教的學院，可能不太一樣。我們是一個小學校，一般人可能不一定聽說過我們學校。徐老師和孫老師都是有很大的平臺，我們這樣一個學校，在我們這個環境里面，大連是一個相對來說不是特別開放的，或者特別前沿的這樣一個城市，我們如何開展我們的本科教育，把我們學生的能力給激發出來。這是我們的一個很重要的思路。

我想介紹的是我們這個學校，我們這個學院是如何來做的具體的工作。這是我們的學生完成的一個作品，它是一個我們傳統意義上的產品設計，一個很簡單的吸塵器。可能在大家看來沒有什么，很正常的一件產品。但是上面有一個數字，這是第八款工程樣機了。這是第七代，是這樣的。里面的結構，所有的功能，都是學生完全自主開發的。所以我們特別強調學生的動手能力。

這是我們做的一個智能機器人，掃地機器人，它可以進行路徑規劃。我們的路徑規劃不是像有的院校，只是說我這個機器人可以路徑規劃。我們要求它必須能真正實現路徑規劃。比如它可以實現螺旋式的，可以實現Z字形的等等各種方式的。這是上一代的機器。這里面我們要求所有的里面的編程、控制、機械、傳動都要獨立完成。它也是經過多次迭代才做到這個最終的狀態。

給大家簡單介紹一下我們的思路，我們的思路可能跟很多院校不太一樣，我們有我們自己對學生的定位和判斷。比如我們設計學科，在我上學的時代是有幾個層次的變化。上學的時候老師告訴我們設計學科是邊緣學科，和各個學科都有點關系。研究生階段，老師告訴我設計學科是交叉學科，必須和其他學科結合才能產生作用。到了這個時代，我在網絡上和很多地方又看到，設計學科又被重新定義了，叫做集成學科，它要融入很多其他領域的知識。就像孫老師和徐老師介紹的，很多技術的因素就進來了。這個時代已經到了這個時代，不接觸不行，不擁抱也不行。

那么我們做設計的人首先不能排斥這個東西，首先要對結構、原理、材料、電路，還包括程序的，都需要掌握。所以它不是需要你掌握到多深的程度，我了解程序或者了解電路，我不需要自己可以做出英特爾芯片的程度，但是你要掌握它的基本性能。對一些基礎的，你是可以用來基礎操作的。所以你才能把設計的一些你想要的東西整合在一起，做出一個系統。這是我們對設計的最新的定義，它是一個集成的學科，融合了上面的這些。

在集成設計里面，我們認為最重要的最難的有幾個難點，這些難點也是我們認為教學里面最難解決的問題。第一個是問題的發現，很多人都在找問題，這個問題是不是真問題？可能有的不是真問題，而是你想象的虛擬的問題，不是問題的實質。比如產品最重要的問題是什么？實際上最重要的是它的性能。買車也好買電器也好買什么也好，最重要的是使用它，如果使用過程中不好用的話，這個產品就是一個沒有用的東西。對問題本身的發現就是從無到有的過程。從無到有，就像從0到1，這個過程是很重要的，也是很難的。

第二個就是說，從有到未知的過程，就是對工程技術的理解，大家可能都知道工程技術怎么樣，都知道重要，但是你要了解到一個什么程度，這個很重要。所以僅僅有這個技術，你了解，是一方面，但是我們做設計的，要開發出什么樣類型的東西是我們要思考的。

第三個，從簡單到復雜，它是一個過程，你需要持續不斷的做研究。這個對學生來說也是非常重要的。如果把這三個問題解決了，可能你的教育過程就完成了。我們這個過程解決之后，重要的我們定義培養學生最重要的是什么能力？實際上就是這個能力，學習能力。

我們之前講過，大學里面，包括我們的培養方案，做過很多這種能力的概念，就是說培養什么樣的東西。比如說信息獲取能力、基本表達能力、功能開發能力、邏輯思維能力、抽象能力、團隊合作能力、國際競爭力等等，這些都是能力，但是我們定義核心是學習的能力。未來已經不是知識的世界，不能通過說掌握了多少知識去了解這個世界，因為大部分知識是未知的，老師肯定沒有學生知道的多。老師的計算機水平，包括軟件水平能超過學生嗎？不可能。所以你不用想你能指導他什么東西。老師的作用要重新定義，所以未來一定是一個學習能力的時代，就是說對學生來說，我們最重要的是培養他的學習能力，他可以自我擴展，這個能力是至關重要的。

所以我們的培養目標是這樣的，我們要以專業學生為載體，專業學習只是作為一個載體，學什么實際上都是一樣的，學設計也行學計算機也行學工程也行，實際上都是一個載體，最終定義的都是要通過這個過程培養學生的學習能力。同樣要加強學生的人文素質教育，因為我們的培養的方面有很多，所以說我今天只是從學習能力這個角度來解釋，還有人文的部分沒有那么多時間來解釋。

這是我們最重要的培養目標，培養學生的學習能力。我們進一步抽象，學習能力怎么培養？說白了很簡單，就是要“做”。這個做不只是在計算機上畫圖。剛才孫老師介紹同濟的經驗我覺得非常好，就是他們所有的學生一開始，馬上進入到做的狀態。這和我們很多是相似的，為什么一定要做？因為你做了才能體會。我們經常舉一個最簡單的例子，比如說甜的味道大家可能都知道，原因是什么？是因為你吃過糖。如果你從來沒有吃過糖，我給你把甜的味道描繪得再怎么樣，你也感覺不到，因為你從來沒有嘗過。所以一定要做，做了才有體驗，有體驗了才會真正的會。所以所有學生的能力和自信都建立在這個基礎上。你會了才能真正變成一個有能力的人。所以我們所有的目標都是培養學生自學的能力。

怎么完成？就是讓他完整地做一件事。為什么要定義這樣的方式？就是因為我們可能沒有上海、北京這么大的平臺，學生遠遠接觸不到各方面的這么大量的信息。所以我們需要學生安下心好好的把一個事情做好。然后我們用的方法就是課題的方式。我們學校有幾個同其他學校不太一樣的地方，我們沒有課程，所有課程都沒有，我們也沒有系，所有的專業也沒有。所有的基本單元都是以工作室為單元建的。所以我們這個課題是我們最重要的一個載體，它實際上就是一個問題，就是我們所說的問題導向。要圍繞這個課題，我們定的就是一件事，要求學生從二年級開始，就圍繞這一件事，不同的側面，所有的專業基礎都要圍繞它，一直到畢業設計都要圍繞這一個事來展開。

我們實施的過程就是從實驗，學生突破，你不需要大的突破，只要突破一點點，然后堅持，再突破再堅持，這樣一個反復的過程，學生才有一個通道，一點點走到最終。所以從簡單到復雜的過程，不是一個突變的過程，不是突然就變成最后的狀態了。

這里面有一個評價的標準，也是要落實的。我們強調評價一定是三方的，第一個，要有一個客觀評價標準，就是這個不需要老師評價，現在藝術類很多學生理解不了的原因就是，都是老師來評價，老師說這個好看，這個效果不錯，這個寫得好，學生也很難判斷為什么。所以你首先就消除掉教師的評價標準，要建立一個客觀的標準。什么是客觀？比如我們要求同學做一個橋，要求承重多少公斤，折了就肯定不合格了。我要求同學做一個車，可以在墻上豎著走，它走不了肯定就是不對的，這就是一個客觀的標準。第二個是學生的評價標準，你的作品拿出來往那里一放，十個作品，馬上就知道誰的好誰個壞，學生本身就可以評價。那么老師的作用是什么？不是說這個東西什么好什么壞，而是老師來評價你這個過程是不是有效，你的思路包括你的邏輯，你的結論，是不是建立在一個邏輯關系的基礎之上，而不是評價最終結果的好壞。老師是幫助學生把握這個過程，這是老師的作用。

所以我們改革的理想就是，要以客觀事實為依據，它到底應該是什么樣的。我們對我們的改革方案，就不能按照北大的標準，也不能按照牛津的標準、劍橋的標準，因為本身我們的學院就不一樣，學生不能比師資也不能比。所以要改革，要依據你那個學校的條件，你的老師什么結構你的學生什么結構，來建立你自己的改革標準，這才是很重要的。

我們現在經常談創新，什么是創新？我們對創新的定義就是實事求是。當時毛主席講的話，實事求是。這個事是怎么回事就怎么回事，它一定是創新的。這是我們整體的思路。

這是我們大體的框架，基于前面講的思路。我們的課題就是核心，它是最重要的一件事。我們有校園的平臺，有基礎的車間，加工車間，包括導師工作室，這是我們核心的平臺。接下來給大家講具體的例子，以一個最基礎的條件來展示，最后給大家展開講一個詳細的案例。

我們的平臺分兩個部分，一部分是基礎的車間，這是九個公共的基礎車間，所有的人可以用。它就是一個大的工藝的平臺，有木工的精工的快速成型的三維打印的，對所有的學生全天開放，而且是學生自我管理自我操作。學生要求數控機床都得會編程都得會操作。這是我們的木工加工中心，所有的木質的，涉及到木工的，所有的都需要學生可以操作。這是快速成型的加工中心，這是我們的工作室，這是我們基本的教育單元，我們已經消除了系的概念，也沒有課程的概念，所有的學生都全天在這里。

這是我們的工作室，學生從二年級就開始進入到工作室，所有自然班的概念都沒有了，全是以工作室為單元，他成天就在這里面。然后每一個工作室都有他自己的獨立的車間，根據他的研究方向設計自己的獨立的車間。專業方面，從想概念到做完成，都要在他自己的車間里面獨立完成。這是我們的模式，不管什么方向的，我們所謂的平面也好環境也好，都有自己的車間。這是工作室的狀態。

介紹一下我們的案例，我們的方向很多，有做交互的，有做實體交互的，還有做很多其他的，做人文的，做兒童教育的。所以我今天只是拿一個案例，基于我們工程類的技術方面的學生思維如何培養，動手能力如何展開，給大家介紹。基礎的部分，因為我們講了，任何一個課程都是從二年級開始，一直做到四年級。不是做一個事，而是要圍繞你最終完成的事，從不同的角度來設計。所以所有的基礎課都要圍繞這個事來做。相當于我是用三年的時間來做很多學校最后半年完成的畢業設計。

這是一年級的基礎課，做的是一個結構的訓練。這是我們的基礎，包括幾個部分，第一部分是結構和力學的，第二部分是傳動的，就是有靜態的，還有連起來的。第三部分是做材料的和感受的，第四部分做的是程序的開源的。這是第一部分，做的基礎的結構的課程。很簡單，我們任何人都知道三角結構是穩定的，但是它一定是穩定的嗎？你在黑板上畫一個三角結構是穩定的嗎？不是，它是虛擬的。你拿三根線連起來一提，它一下就順下來了，也不是穩定的結構。所以三角結構穩定一定是有前提條件的。這個首先要告訴學生，這個不是在黑板上完成的。

我們這個課程就讓學生做了一個十二邊形，所有的點都是這樣鉸接可以動的。你在里面添加結構，讓這個形不動，固定。每個同學做的都是不一樣的，怎么評價？大家都不動的時候，而且每個人都有自己的美感和特色，你把中間的全部拆掉，連起來，那一定是誰用的最短誰最好，我用的材料最少，這就是客觀評價。不用去計算，我用五根半，他用了三根，馬上就知道了。所以結構需要重新設計。

然后從平面擴展到立體，變成一個三維的，空間里面需要什么？就是三棱錐的結構，這個從加工工藝、難度上，對學生的要求更高了，這是一個我們一年級的，剛上來讓學生解決力學的結構。這是我們一組學生做的。

然后接下來用瓦楞紙來完成紙橋實驗。瓦楞紙的結構，它有它的方向性，所以要學生充分的了解，用瓦楞紙做出穩定的結構，實現一定的跨度，能夠承受一定的重物。每個學生做到最終一步，可能前面折了十多個紙橋。

這是我們的第二個基礎課題，傳動的。一開始在機械上，它都在動，但是它動的原理，我們打開一看，好像是理解了，真的理解了嗎？所以一開始學生不會做的時候先要給他一個思路，讓他去抽象，而不是模仿。不是說照著那個鈴再做出個鈴來，不是，你把那個結構抽象出來，把它最重要的要素抽象出來自己完成一個獨立的模型。這是一個學習的過程，先讓他從這個角度進去，之后讓他做復雜的，抽象的，同樣的人的手，它沒有一個固定的結構去抽象，需要你變化。人手的結構特別靈活，你要用最基礎的材料模擬出人手的靈活度。每個同學做的都是不一樣的。最后，是要求這個人手是可以抓取什么東西的。再下一步，動的時候讓他創造性的，比如說你做一組演奏，給你一個電機完成一個演奏的動作。它是一組，有彈琴的有敲鼓的有吹號的有拉大提琴的，一個電機控制所有這些東西，它都要協調。

接下來再復雜的，還是電機，實現不同的運動方式。比如都往前運動，但是要求每個人走不同的運動方式。這是一個完整的過程，做到最終一步都需要很多次的優化和迭代。這是不同的人做的，每個人做的都是不一樣的，都是固定的電機來完成的。因為你要對電機的性能做很好的了解，它如何來控制，如何來減少摩擦，如何讓結構機構順暢。我們最后一個做得特別好，這個同學，他是利用了一個慣性，這個電機在中間實現了慣性，可以一步一步往前。

同樣，材料的課題也是這樣，第三部分材料課題，這也是基礎的，它也需要你，不去把一個材料堆在那兒做了什么，而是要生成一個新的材料。用原始的材料生成新的，在結構上，產生新的結構。我們最終做了一個固定的球，大家做的都是一樣的。

然后接下來我們也有開源的這部分，做的這個程序。學生用開源的方式，編程的方式，把之前傳動的部分結合到這個里面，用它來控制。因為有前面這些基礎。

這是我們整個學科的大的基礎平臺，接下來專業平臺，進入二年級之后，比如這一組專門研究氣流的，最后完成的是吸塵器也好干手器也好。那么從二年級就開始做和氣流相關的。比如這是做的氣動的玩具，讓學生根據科學的原理做一個氣動的玩具。比如這個小球，可以隨意控制這個球的上升下降，怎么樣讓它在一個位置上懸浮，跟著音樂來懸浮，它底下是電扇，對電扇的轉速什么的都有一個集中的控制。這是模擬的一個飛機的機翼，飛機為什么能起飛，一個基本的原理。氣流產生的時候，這個球會產生循環的狀態。

這些都要求學生手工完成，這是我們任課老師做的傳感器的部分，它精準地控制很多的傳感器，感溫的感熱的感壓的，然后跟我們的傳動結構在一起，比如你靠近這個球，就各種各樣的動，而且它結構很復雜，你要把所有的連接件，就是做出來可以，但是要讓它動起來，如果特別復雜的結構的話，在實現過程里邊有很多的難度要克服。

然后要對產品進行整體研究，將來要做的產品，這樣讓學生知道做產品應該做成什么樣，比如對戴森的整體系統的研究，它這么多年出了什么樣的，它的技術是如何一步一步迭代的，到最終的狀態。這是我們二年級、三年級做的一個基礎的實驗，從一開始，所有的要求都是學生一點點把結構做出來，而且我們的要求必須能夠測試，在性能，主要是完成性能指標的測試，而不是做一個形態，吸塵器最重要的因素，它的噪音，然后它的吸力，它的過濾性如何，你是如何解決這些問題的。這些問題不是說只有技術人能夠解決，因為技術人只是從某一個角度，就是從他了解的技術，設計的我們可以從很多全新的角度去提出很多意想不到的思路。

比如噪音的問題，學生就用無聲手槍的消音結構，充分研究這個消音結構，它實際上是一個風道的延長的過程。所以他們做的降噪，是如何把這個吸塵器出風的過程進行了延長，這個風道。

這是學生做的中間的過程，我們要求做完之后要去實驗室進行測試。比如這就是在浙江工程大學國家聲學重點實驗室做的相關測試，然后智能控制的部分，都要學生自己去迭代。

最后我講一個去年比較有意思的案例，我們到最終的專業介紹的階段，前面有那么多基礎，如何完成最后的這個過程。實際上也是非常復雜的，這是我們去年的一個畢業設計，解決的是一個水過濾的問題。因為吸塵器，家里買的一般都沒有水過濾，都是工地上用的，家里沒有，實際上水過濾，就是我剛才提的，你要先找到它的問題點在哪，為什么沒有水過濾。這兩個學生經過非常多的研究，不是到市場上去研究，而是說買回來吸塵器全拆開來看到底什么原因，去做實驗。

然后自己做了很多模型，比如第一個，他研究之后發現水過濾的吸塵器，跟傳統吸塵器，從概念上來講就是兩個東西。傳統是干的，就相當于中國人掃地一樣，用掃把掃。水過濾就相當于用抹布擦了，按理來說應該是抹布擦的更好，為什么不用抹布擦非得用雞毛撣子撣呢？原因有幾個，這是目前市場上的水過濾吸塵器，第一個，不管你怎么過濾，最后還有一層海帕，按理來說，這個灰塵融入到水里之后，再出來應該是很干凈的，為什么還需要最后一層海帕來過濾？這是我們一開始費解的地方。第二，為什么這個原因？就是因為水氣結合得不好，那個灰塵是氣帶進來的，首先我們需要它融到水里，氣再排出來。但是所有的現在的市場上的吸塵器，水氣不能充分結合，空氣里的灰塵進入水里又出去了，就像在水里吹一個泡，慢慢就冒到水面了。這個泡里面還有很多灰塵，順著這個泡又冒出來了，沒有完全和水融合。所以這是水氣結合率偏低，是目前市場上水過濾吸塵器最致命的問題。還有一個就是它的承載風力有限，傳統的吸塵器可以開到很大，特別大的吸力，為什么水過濾的不行？因為吸力一開大，這個過濾系統擋不好的話，所有的水都會抽進電機里，這個電機就廢了。所以水過濾的吸塵器，電機的功率一定不能開得特別大。所以你看所有市面上的水過濾吸塵器，吸力都不是特別大。這都是它幾個致命的問題。而且水過濾吸塵器都需要大量的水，所以體積比傳統吸塵器要大。這是現在幾個市場上難以克服的問題。

這個學生，這是他做的第一個模型，就是研究這個水過濾吸塵器到底問題出在哪。然后他搭建了一個結構，他要解釋這個問題，就把這個結構，按照之前基礎課的要求，拆解了。比如左邊是要過濾的，中間部分是溢水的，就是怎么能夠防止這個水崩到電機里。左邊就是水氣結合了，最后才是電機，他把這幾個部分全給它鋪開了，本來應該是整合到一個機器里面，那我做研究需要，全部打散，然后仔細觀察。

這是一開始做的模型的狀態。他同時做了兩個機器，首先要研究它的結合，他做了2號和3號兩個工程機。他一開始想了兩個想法，就怎么讓水和氣結合，原來是把氣，直接抽到水里，接合不了的原因就是它倆沒有充分的混合。要想充分的混合，一定要對水和氣的方向、進速有很好的控制。所以他做了兩個，2號機就是讓氣和水進的方向是相反的，撞在一起看能不能讓它充分的結合。3號機是讓它倆是同方向，但是速度控制不同，一個轉得快一個轉得慢。結果做完之后，測試完發現2號這個機器結合效果很明顯，氣泡明顯小很多，測試它跟原來的，攪得變得像泡沫一樣，非常小，沒有大泡就結合得很好。3號機就沒有實現，3號機做了很多個控制水和氣進出旋轉的轉盤，但是沒有實現結合，還有很多大的水泡。3號機的思路就不做了，就基于2號機來做迭代。

然后他總結了2號機的優勢之后，發現這個東西很難拿出來，水過濾器要去凈化它，最后要把這個灰洗干凈，你如果做成一體的話，是很難分離的。所以做的過程里面，4號機的時候，他在2號機的基礎上優化之后做了分離結構，就是這個里面是可以像豆漿機一樣可以抽出來，這樣對以后的清洗是很重要的要素。這是做的線路的分析。

但是做了4號機之后，做了大量的實驗，又發現了新的問題。就是水氣結合率可以實現了，但是一個致命的問題解決不了，承載風力不行。因為實驗的時候發現，它倆雖然很好的結合了，但是當水結合之后，往上排的時候，水逐漸的移到了上面那個平面里，就是這個水體分離了，進入上面的平面就離電機只有一層兩層擋板，會被完全抽到電機里面。這時候就卡住了，不知道怎么操作了。這時候他們做了大量的實驗和研究，到底怎么來解決這個問題，怎么樣水不被抽上去。經過了一系列的實驗研究，又做出了5號樣機。很簡單，我們今天看起來很簡單，但是當時研究的過程是很復雜的。卡在這里很長時間，停了好幾周的時間。就在原始的那里面加了個罩，在這里加了個罩，原來是隔板。加了一個罩的作用，實際上很簡單，就是這個水崩到上層以后會回流，像是做了一個連通的結構，又會慢慢回流到下面，不會積在下邊。這就解決了回流的問題，上去又回來。所以5號機的時候，它的承載風力就能夠實現了。這是5號機，它的風路的過程。

6號機，他在結構上已經沒有創新了，因為原來做的是亞克力來做實驗，然后這個用的，所有的把它變成了ABS，所有的結構進行了優化，下面攪水的轉盤氣流的轉盤，全部進行了優化，上面擋水的結構進行了優化。6號機是實驗這種方式是不是能夠承載極限的風力。就做出這個6號機，效果非常非常好。這是他做的轉盤，做的實驗。而且中間甩水的結構做了一個3D打印的。到這一步才允許3D打印，為什么之前不允許用？因為之前你用3D打印，一下就做到終點，中間很多對學生的思維可以訓練。實際上我們要求你通過一個暫時的結構把它組合起來，實現研究的過程。如果一下到最后，中間缺失了很多研究的過程。所以我們有這個設備也不允許你用，一定是研究成了之后，最后一步才允許做3D打印。這樣把甩水結構進行了優化，做成流線型，往下壓水和甩水，包括水在里面的潤滑度，效果更好。這是3D打印的中間的核心結構。

這是所有的性能的比較，從1號機到6號機的性能比較，可以看到中間的結構、功率，整體性差不太多，最大的承載風力，6號機從原來的4到了6.8，氣泡的直徑從10到了3，這兩項關鍵性的指標，就是他經過6次迭代以后，基本上完全實現了。現在要做一部完整的工程樣機，全手工的，7號機，這個機器是完全可以實驗的，性能相當好。當時為了驗證它的承載風力，這個風力到底能開到多大，中間做了一個實驗，拿了很多一塊錢的硬幣，還有一大把的螺絲釘，去拿吸塵器來吸。就是說，我風力開到這么大，連螺絲釘和硬幣都可以吸，實際上這是沒有必要的，因為吸塵器是吸灰的，都可以吸起來，然后電機里面，溢水結構防護得非常好，一點水都沒有。最后做的這個實驗。

這是7號機，工程機，最后一步，我們到了最后的畢業設計及在在這個ppt最后給大家放的，才是這個機器。只有最終這一部才允許這個殼做出來，之前所有的必須全部在我們自己的車間和導師工作室里面完成。

所以這個，從基礎的部分到最后的吸塵器最終完成，實際上是給大家展示了這樣一個過程，做基礎的力學傳動、材料、結構的研究，做氣流相關的研究，最后到工程樣機，看似做了一個畢業設計，實際上是從二年級已經開始準備了，一直到最后的階段。

我只是展示了一個這樣的設計，比如做文字研究的做實體交互的，都是這樣的過程，前期都是圍繞這些課題展開，一點點擴展到畢業設計。這就是它最終的這樣一個機器的狀態。

我的分享就到這里，謝謝大家。