基于設計思維的應用型工科專業(yè)實驗項目創(chuàng)新設計與實踐

王棟 韓變枝

摘? 要：針對傳統(tǒng)工科專業(yè)優(yōu)勢弱化、實驗項目創(chuàng)新性不足等問題，分析了實驗項目創(chuàng)新設計的必要性，從思維層面引入設計思維理念，以設計思維具體實施步驟，構(gòu)建基于設計思維的實驗項目創(chuàng)新設計模式，并進行應用實踐。結(jié)果表明，該模式能夠有效解決實驗項目的現(xiàn)實問題，提升教學效果，對探索傳統(tǒng)工科專業(yè)實踐教學改革的實施路徑，實現(xiàn)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標具有重要意義。

關鍵詞：實驗項目;設計思維;創(chuàng)新設計;教學實踐

中圖分類號：G640? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）03-0030-05

Abstract： Addressing some issues of the weakness in the aspects of traditional engineering specialty advantage and the lack in the innovation of experimental projects. The necessity of innovative design was analyzed for the experimental project .It introduces the concept of design thinking from the thinking. According to the implementation steps of Design Thinking， the innovative design mode of experimental projects has constructed and carried on the application practice. The results show the mode can effectively solve the practical problems of experimental projects and improve the teaching effect. It is of great significance to explore the implementation path of practical teaching reform for the traditional engineering specialty and to realize the cultivating goal of the innovative talents.

Keywords： the experimental projects; design thinking; innovative design; teaching practice

面對創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展國家戰(zhàn)略的穩(wěn)步推進，人才供需發(fā)生著深刻變化。我國高等教育積極應對，大力推進人才供給側(cè)改革，指導各院校建立面向生產(chǎn)實際緊缺的新型工程應用技術人才培養(yǎng)機制，以適應產(chǎn)業(yè)升級和經(jīng)濟發(fā)展對人才培養(yǎng)質(zhì)量的要求[1]。傳統(tǒng)工科專業(yè)積累了豐富的教學經(jīng)驗和辦學特色，形成了明顯的比較優(yōu)勢，但在新經(jīng)濟、新技術、新產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展中，對社會需求的敏銳反應能力不強，人才培養(yǎng)模式相對固化，專業(yè)建設進展緩慢，導致傳統(tǒng)優(yōu)勢有所弱化，主要表現(xiàn)在傳統(tǒng)教學手段與方法仍然占據(jù)主要地位，學生的實踐鍛煉和能力培養(yǎng)未能引起足夠重視，創(chuàng)新性實踐教學環(huán)節(jié)缺乏。各院校積極探索傳統(tǒng)工科專業(yè)轉(zhuǎn)型升級新路徑，持續(xù)改革教學內(nèi)容，創(chuàng)新教學方法，以適應未來技術需求、引領行業(yè)發(fā)展的創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。應用型人才培養(yǎng)已經(jīng)成為了地方高校人才培養(yǎng)的主要目標，更加重視實踐鍛煉和解決實際問題的能力培養(yǎng)[2]。向應用型轉(zhuǎn)變要求按照工學結(jié)合、知行合一，加強實驗室建設，根據(jù)現(xiàn)實生產(chǎn)技術和工藝流程重構(gòu)知識體系、實踐體系和環(huán)境[3]。新工科建設要求全面落實“學生中心、產(chǎn)出導向、持續(xù)改進”的工程教育理念，著力提升學生解決復雜工程問題的能力，注重綜合性、設計性項目訓練[4]。全面深化教育教學改革要求立足于經(jīng)濟社會發(fā)展需求和人才培養(yǎng)目標，圍繞激發(fā)學生學習興趣和潛能，加強課程體系整體設計，提升學業(yè)挑戰(zhàn)度，引導學生深思考、勤實踐，激勵學生刻苦學習[5]。傳統(tǒng)教學主要以教師講授理論知識，以驗證性實驗鞏固學生所學知識，實驗項目單一，流程固化，缺少綜合性、設計性項目訓練，學生的學習興趣不高，能力培養(yǎng)成為教改瓶頸。“學與教”的變革是高等學校內(nèi)涵建設的關鍵任務，是難點也是重點，應從思維層面創(chuàng)新，不能僅僅關注教學方式改革和工具使用。解決復雜問題取決于思維創(chuàng)新。設計思維作為一種方法，可以幫助教師充分利用現(xiàn)有的教學條件，設定并分析教學實踐存在的問題，制定優(yōu)化解決方案并解決問題，為教師提供一套系統(tǒng)的教學改革創(chuàng)新模型。

一、實驗項目創(chuàng)新設計的必要性

（一）實驗項目設計

實驗教學的真實意義在于通過教師引導設計豐富有趣的實驗項目，學生親身經(jīng)歷，主動探索研究，激發(fā)學習興趣，提高學習成效。通過實驗活動，學生學會正確的學習方法，培養(yǎng)科學思維、動手操作、總結(jié)歸納、團隊合作以及交流溝通等方面的能力，以及全面提高實事求是、嚴謹細致的科學素養(yǎng)。但現(xiàn)實實驗教學受到時間短、活動范圍小、材料等方面制約，教師干預較多，實驗項目缺乏有效設計，導致實驗項目程式固化、枯燥且更新率低，學生失去自主、合作和探究的學習興趣。“問學生志趣變方法”的新工科建設理念要求必須根據(jù)學生志趣調(diào)整教育教學的方式方法[6]。兩性一度的“金課”建設標準要求實驗項目的設計應與工程實際或科研成果的緊密結(jié)合，應用型人才培養(yǎng)更應體現(xiàn)實踐性。因此，創(chuàng)新實驗項目設計是實踐育人的必然要求，也是深化教學改革的重要途徑。

信息技術的應用，以用戶為中心、用戶體驗為核心的創(chuàng)新設計模式正在形成。創(chuàng)新是設計的本質(zhì)要求，也是時代的要求。創(chuàng)新就要充分考慮高度契合用戶需求，便于技術實現(xiàn)和推廣。實驗項目創(chuàng)新設計就是要以學生為中心，關注人才培養(yǎng)需求，并形成一定的應用模式。

（二）設計思維

美國管理學家HerbertA Simon提出設計思維概念，鼓勵從需求出發(fā)定義問題，運用已經(jīng)掌握的知識和技能，設計解決方案的新思路，不斷迭代改進，直至形成創(chuàng)新作品，主要特征是以人為本，具有創(chuàng)新性、可視性和迭代性[7]。隨著設計思維作為一種方法論面向大眾推廣，受到國內(nèi)外高校廣泛關注，并取得一定應用成果[8]。設計思維應用于教學改革，期望能夠獲得三方面的成效，一是為教師提供一種教改思維方式;二是能夠幫助教師創(chuàng)新教學設計，教學效果有較大提升;三是能夠促進學生思維能力的發(fā)展。設計思維具體實施過程可以劃分五個步驟：

洞察：通過換位思考，從用戶角度深度感知，確保產(chǎn)品符合用戶需求。

定義：將混亂、無序的感知信息進行整合，使其形成可操作的問題。

創(chuàng)意：針對可操作性問題盡可能多地提出想法。

原型：利用已有知識、技能、工具及材料創(chuàng)建解決問題的方案。

測試：模擬環(huán)境測試，驗證問題是否解決，迭代修改，直至用戶體驗達到最佳。

（三）設計思維與創(chuàng)新設計

設計思維所強調(diào)的洞察需求、迭代改進為創(chuàng)新設計提供了思維和方法支撐，使得創(chuàng)新設計思路清晰。設計思維的原型構(gòu)建，將想法轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實，促進作品實現(xiàn)。設計思維與創(chuàng)新設計從基礎層面就開始注重聯(lián)系實際，解決現(xiàn)實問題，強調(diào)培養(yǎng)學生的思維能力，具有相同的教育理念。因此，設計思維這種方法可以與創(chuàng)新設計有機結(jié)合，成為實驗項目設計與開發(fā)的新模式。

二、實驗項目創(chuàng)新設計

（一）實驗項目創(chuàng)新設計的原則

應用型人才培養(yǎng)強調(diào)知識的綜合運用，核心是專業(yè)技能，并具備解決生產(chǎn)現(xiàn)實問題的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。實驗項目的創(chuàng)新設計首先應基于綜合實踐能力的培養(yǎng)要求，實驗項目設計包括專業(yè)知識學習、實驗操作、創(chuàng)新環(huán)節(jié)等內(nèi)容。實驗項目應源于生產(chǎn)實際和科研成果，實現(xiàn)產(chǎn)學研高度融合，使項目具有挑戰(zhàn)性。應創(chuàng)建“動靜結(jié)合、虛實結(jié)合、局部與整體結(jié)合”的特色實踐與創(chuàng)新教學平臺，實現(xiàn)實驗內(nèi)容的延伸[9]。

（二）基于設計思維的實驗項目創(chuàng)新設計要求

實驗項目創(chuàng)新設計要提出具有多學科知識綜合的真實情境問題，能夠引領學生思考及探究，不僅要結(jié)合學生現(xiàn)有知識技能、興趣愛好和社會經(jīng)驗，洞察培養(yǎng)需求，也有助于增強學生對于技術情感、態(tài)度和責任的認識和理解。要以人才培養(yǎng)需求為核心，注重人本主義，即培養(yǎng)學生的同理心，通過角色扮演深度體驗項目情境。使用思維導圖、同理心地圖、用戶旅程和清單等可視化工具，通過頭腦風暴等方式，集思廣益，融合思路，充分討論解決方法，優(yōu)選具有創(chuàng)新且可行的方案。結(jié)果評價應注重方法引導、精神鼓勵和能力提升等方面，不僅要對原理知識的理解、基本技術技能的掌握進行評價，也要對同理心能力、協(xié)作能力、交流表達能力等方面進行評價。

（三）實驗項目設計流程

以設計思維為方法指導，構(gòu)建實驗項目創(chuàng)新設計新模式，具體有設計、實施和評價三個階段，如圖1所示。

1. 項目設計

實驗項目設計是實踐教學環(huán)節(jié)的基礎，也是實踐教學能否實現(xiàn)教學目標的關鍵。項目設計包含擬定問題、開展活動、所需的資源以及結(jié)果評價等內(nèi)容。為使項目設計具有科學性、驅(qū)動性和挑戰(zhàn)性，選聘教學和實踐經(jīng)驗豐富的教師，組成項目指導團隊，以訪談會、論壇、媒體等渠道，收集學生共同關注的現(xiàn)實話題，按相應學科篩選擬定項目問題。實驗內(nèi)容主要包含實驗目標、驅(qū)動性問題和項目設計，實驗目標除常規(guī)學習目標外，還要有批判思維、交流溝通、團隊合作和信息素養(yǎng)等方面的目標。好的項目問題能激發(fā)學生的學習興趣，由被動轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃樱龠M學生深度思考，能夠引導學生完成實驗任務，鍛煉實踐能力。

2. 項目實施

項目實施過程有洞察需求、擬設問題、制定方案和呈現(xiàn)原型，如圖2所示。實施過程中，學生在各個環(huán)節(jié)的活動表現(xiàn)，指導教師要及時記錄和評價。

（1）洞察需求，體驗項目

教師擬設一個能激發(fā)學生學習興趣的現(xiàn)實場景，引導學生完成真實體驗，從而提出一個與現(xiàn)實緊密契合的關鍵問題。學生分組交流，畫出同理心地圖，激發(fā)靈感，初步形成問題解決的思路。

（2）信息整合，定義項目

學生利用便利貼、白板等可視化工具，將體驗信息進行整合，形成可操作性問題，以此形成可行性方案。

（3）創(chuàng)意構(gòu)思，制定方案

小組成員進行頭腦風暴，盡可能多地把創(chuàng)意想法都展示出來。充分討論，結(jié)合成本、工具、資源等因素，篩選出最優(yōu)方案，將所需知識、技能、材料工具以及完成時間等清單羅列出來，形成方案報告以及項目進程地圖。

（4）原型制作，測試迭代

學生通過模擬仿真、手工等方式制作作品，以用戶視角體驗，重復“制作-測試-改進”過程，持續(xù)完善作品。教師進行技術指導和幫助，促進學生深度思考。

3. 評價

開展項目評價、作品展示和應用推廣，能夠提升交流表達能力，鼓勵學生保持學習興趣，使其有成就感，也能及時發(fā)現(xiàn)不足，實現(xiàn)作品的持續(xù)改進。

（1）多重評價，持續(xù)改進

教師引導學生開展自評、組內(nèi)評價和組間評價，依據(jù)過程記錄對學生進行評價，并組織項目團隊和用戶進行評價。評價內(nèi)容既包括創(chuàng)意、方案、原型外觀和性能體驗，也包括工作態(tài)度、知識技能掌握、工作完成情況及綜合能力等。

（2）展示交流，作品推廣

小組選派代表進行匯報答辯，匯報實施過程，闡述具體思路、應用原理、優(yōu)化方案、作品制作、實現(xiàn)的功能與創(chuàng)新點，并針對用戶提出的問題進行答辯。通過制作小視頻，在校園信息化平臺展示、參加學科競賽等，以他人視角評價作品的優(yōu)點與不足，同時進行復盤反思，總結(jié)經(jīng)驗。通過展示交流活動，提升學生的交流表達能力和批判性思維能力。通過作品的應用推廣，肯定學生的成果和努力，增強學習獲得感與成就感。

三、應用實踐

本文以電氣控制與PLC應用技術課程“順控圖設計實驗項目”為例，進行創(chuàng)新設計及應用。

（一）實驗項目設計

指導教師團隊選取“高效的電梯控制系統(tǒng)設計”為主題，見表1。

（二）項目實施

學生從開始參與“高效的電梯控制系統(tǒng)設計”項目，到實驗項目完成并展示，歷時2周，實際占用4個學時，見表2。

（三）項目評價

在“高效的電梯控制系統(tǒng)設計”項目中，多元化評價學生的學習成果，具體內(nèi)容見表3。

（四）實施效果

在“高效的電梯控制系統(tǒng)設計”實驗項目設計過程中，不僅展示了學生的專業(yè)理論知識、材料、工具和信息技術的綜合運用，鍛煉了學生的動手實踐能力和交流合作能力，最終作品的成型也充分展示了學生的科學思維能力以及解決問題的能力，得到了教師團隊和同學們的認可，也獲得了用戶的好評。以實際問題為驅(qū)動，學生學會了PLC編程軟件、限位開關選用和安裝等內(nèi)容，專業(yè)知識得到鞏固，實踐技能得到訓練。學生普遍對這種學習方式有興趣、有動力，愿意參與，而且學習效果非常好。小組合作鍛煉了協(xié)作能力和團隊意識，角色扮演用戶體驗推動了深度了解現(xiàn)實需求，頭腦風暴促進了敢于表達，不斷地測試迭代培養(yǎng)了精益求精的科學精神，作品推廣增強了學習獲得感與成就感。教師認為，這種教學方式能有效解決實驗時間、空間和材料等方面的約束，學生參與度高，教學效果好。此外，學生初步掌握設計思維的本質(zhì)內(nèi)涵和實施步驟，學會一種解決問題的思考方式，也學會心理層面同理心地圖分析方法，同時，學生的信息素養(yǎng)得到提升，如思維導圖、辦公軟件、視頻攝錄和網(wǎng)頁制作等工具的應用。

四、結(jié)束語

實踐性是應用型人才培養(yǎng)的首要特征，實驗項目是重要載體，實驗項目的創(chuàng)新設計是深化教學改革的主要途徑之一。設計思維從用戶需求出發(fā)，利用現(xiàn)有資源，創(chuàng)造性地解決現(xiàn)實問題，與創(chuàng)新設計具有相同的教學理念，可以為教師提供一套系統(tǒng)的教學改革思維模型。以設計思維為指導，構(gòu)建了“三段四步”實驗項目創(chuàng)新設計新模式，并以PLC應用技術該門專業(yè)課程的“順控圖設計”實驗為例，進行了新模式的應用，能夠為實踐教學的實驗項目創(chuàng)新設計進一步研究和推進提供借鑒與參考。這也只是從項目設計到實施的一個框架，工科專業(yè)試驗在應用過程中，可以根據(jù)需要進行適度變動和調(diào)整，針對具體教學情境持續(xù)改進，實現(xiàn)最佳效果。

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