工業(yè)設(shè)計創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需求及仿生學(xué)運用

尹維 劉慧薇 楊鐸

[摘 要] 致天下之治者在人才，人才是衡量一個國家綜合國力的重要指標(biāo)。對原始創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新需求強烈的今天，創(chuàng)新人才的培養(yǎng)更加迫切。隨著我國軌道交通裝備、大飛機等高端裝備和工業(yè)機器人等智能制造產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，對工業(yè)設(shè)計人才的需求日益凸顯。生物經(jīng)過億萬年的進化，形成了諸多優(yōu)異的功能、結(jié)構(gòu)、色彩等，為工業(yè)設(shè)計提供了不竭的創(chuàng)新動力與源泉。通過工業(yè)設(shè)計專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需求，并引入仿生學(xué)理論和方法提升人才培養(yǎng)質(zhì)量，對工業(yè)設(shè)計專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供參考。

[關(guān)鍵詞] 工業(yè)設(shè)計;人才培養(yǎng);仿生學(xué);創(chuàng)新

[基金項目] 2015年度國家自然基金項目“木材氣體保護摩擦焊接機理與工藝的實驗研究”（51505248）;2019年度天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)科研發(fā)展基金項目“信息化背景下當(dāng)代認知心理學(xué)在教與學(xué)中的應(yīng)用探索——以‘工業(yè)設(shè)計機械基礎(chǔ)課程為例”（SK1903）;2013年度天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)科研發(fā)展基金項目“3D打印技術(shù)在產(chǎn)品快速開發(fā)中的應(yīng)用研究”（KJ13-09）

[作者簡介] 尹 維（1983—），男，吉林德惠人，工學(xué)博士，天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機械工程學(xué)院高級工程師，主要從事仿生設(shè)計研究;劉慧薇（1981—），女，河南太康人，工學(xué)碩士，天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機械工程學(xué)院副教授，主要從事人機工程研究;楊 鐸（1986—），女，河北遵化人，工學(xué)碩士，天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機械工程學(xué)院助理工程師，主要從事工業(yè)設(shè)計研究。

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）42-0177-04? ?[收稿日期] 2021-03-28

目前我國是世界上為數(shù)不多的制造業(yè)大國，但還不是制造業(yè)強國。為實現(xiàn)中國制造高質(zhì)量發(fā)展的目標(biāo)，工業(yè)設(shè)計承擔(dān)著重任。工業(yè)設(shè)計指以工學(xué)、美學(xué)、經(jīng)濟學(xué)為基礎(chǔ)對工業(yè)產(chǎn)品進行設(shè)計，是一門技術(shù)與藝術(shù)相結(jié)合的學(xué)科。工業(yè)設(shè)計是機械產(chǎn)品的重要組成部分，是實現(xiàn)機械產(chǎn)品的實用性和宜人性的重要途徑之一。目前，我國已經(jīng)形成了龐大的工業(yè)設(shè)計或產(chǎn)品設(shè)計教育體系，但是，我國工業(yè)設(shè)計創(chuàng)新還存在一些不足，主要表現(xiàn)之一就是缺乏創(chuàng)新人才。工業(yè)設(shè)計專業(yè)大多學(xué)生的創(chuàng)新能力還不足，實踐經(jīng)驗較少，其就業(yè)質(zhì)量還不高。當(dāng)然，這與課程設(shè)置、教師隊伍建設(shè)、平臺建設(shè)密切相關(guān)。工業(yè)設(shè)計專業(yè)具有跨學(xué)科和綜合性等特點，強調(diào)技術(shù)與藝術(shù)相互結(jié)合、工學(xué)知識與美學(xué)知識相互滲透和融合。如何打破傳統(tǒng)思維模式，進行機械學(xué)、材料學(xué)、力學(xué)和美學(xué)等多學(xué)科知識和實踐進行融合，培養(yǎng)出適應(yīng)時代發(fā)展的創(chuàng)新人才是我國工業(yè)設(shè)計專業(yè)人才培養(yǎng)的重要課題[1]。

2019年印發(fā)的《中國教育現(xiàn)代化2035》提出“加強創(chuàng)新人才特別是拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，加大應(yīng)用型、復(fù)合型、技術(shù)技能型人才培養(yǎng)比重”。2019—2025年中國工業(yè)設(shè)計行業(yè)市場發(fā)展戰(zhàn)略研究報告也顯示，工業(yè)設(shè)計創(chuàng)新人才培養(yǎng)，應(yīng)具有整合、優(yōu)化和創(chuàng)新的能力[2]，必須探索跨學(xué)科、復(fù)合型專業(yè)人才的培養(yǎng)模式[3，4]。仿生學(xué)是一門綜合性邊緣學(xué)科，在20世紀60年代仿生學(xué)作為一門學(xué)科正式出現(xiàn)。仿生學(xué)具有交叉、融合的特征，在機械、材料、醫(yī)學(xué)和農(nóng)業(yè)等學(xué)科領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的運用。隨著科技的高速發(fā)展，仿生學(xué)已發(fā)展成為以產(chǎn)業(yè)為基礎(chǔ)、以需求為導(dǎo)向、以創(chuàng)新為引領(lǐng)的多學(xué)科相互滲透、彼此融合的新型交叉學(xué)科[5，6]。在工程技術(shù)領(lǐng)域，仿生學(xué)因其原始創(chuàng)新性在科技創(chuàng)新中的作用凸顯，被譽為“新世紀科學(xué)研究的熱點，原始創(chuàng)新永恒的不竭動力與源泉”[7]。

仿生學(xué)的快速發(fā)展，為工業(yè)設(shè)計提供了更大的創(chuàng)新空間。比如，形態(tài)仿生、表面形貌仿生、材料結(jié)構(gòu)仿生、功能仿生和分子仿生等。仿生學(xué)因其交叉性的特點，有其不同的研究內(nèi)容和研究方法，因此，仿生學(xué)在工業(yè)設(shè)計專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的方式方法也與傳統(tǒng)的教學(xué)方式有所區(qū)別。然而，仿生學(xué)在工業(yè)設(shè)計專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)中，卻存在著理念滯后。創(chuàng)新不是拍腦袋亂想，必須以實踐為基礎(chǔ)，尊重和遵循科學(xué)規(guī)律。以現(xiàn)有產(chǎn)品為依據(jù)，以實際需求為導(dǎo)向，通過借鑒自然界本身就存在的生物或現(xiàn)象，再對其進行改進提升，使其功能性、實用性的匹配更加符合科技的發(fā)展。借鑒生物學(xué)的優(yōu)點進行再創(chuàng)造，是工業(yè)設(shè)計創(chuàng)新人才的培養(yǎng)的不竭動力。

一、仿生學(xué)應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計專業(yè)人才培養(yǎng)的需求分析

（一）人民對美好生活的向往對工業(yè)設(shè)計創(chuàng)新人才的需求

目前，我國社會主要矛盾已經(jīng)轉(zhuǎn)化為人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分的發(fā)展之間的矛盾。已經(jīng)從“物質(zhì)文化需要”發(fā)展到“美好生活需要”。隨之而來的是，工業(yè)設(shè)計的目的已經(jīng)從單一的滿足功能需求，逐步增加了對精神文明的需求，對審美的需求、舒適性的需求越來越多[8]。

隨著我國生產(chǎn)力的快速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，對工作環(huán)境、居住環(huán)境、出行環(huán)境等提出了新的更高要求。相關(guān)的家用電器、交通工具、生產(chǎn)設(shè)備、檢測儀器等，不簡單是功能的實現(xiàn)，更需要舒適性的提高，更需要美學(xué)的融入。這對新時代工業(yè)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)提出了新課題。

現(xiàn)代的工業(yè)設(shè)計往往被人稱為“功能主義設(shè)計”，要求以人為本，以人的使用功能為主，而人類作為自然界的一員同樣應(yīng)符合自然規(guī)律與自然形態(tài)。未來的工業(yè)設(shè)計將不僅僅從功能性出發(fā)，隨著人類物質(zhì)社會發(fā)展越來越豐富，產(chǎn)品單一的功能性已經(jīng)無法滿足人類的需求，在未來的設(shè)計中也會從更多的角度與方向進行延展與擴充，設(shè)計師通過功能、形態(tài)和色彩上的仿生來設(shè)計出既符合大眾使用習(xí)慣，又能夠滿足人們審美、精神需求的全新設(shè)計產(chǎn)品。

（二）新材料、新工藝、新技術(shù)發(fā)展對工業(yè)設(shè)計創(chuàng)新人才的需求

技術(shù)進步成為經(jīng)濟增長的核心動力，從農(nóng)業(yè)經(jīng)濟時代到工業(yè)經(jīng)濟時代，再到知識經(jīng)濟時代，技術(shù)進步對經(jīng)濟的貢獻率越來越高。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生深刻變化，以人才和創(chuàng)新能力為動力的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)成為知識經(jīng)濟時代的支柱產(chǎn)業(yè)。處于什么樣的經(jīng)濟發(fā)展階段，就需要什么樣的人才結(jié)構(gòu)、知識結(jié)構(gòu)、學(xué)科構(gòu)成與經(jīng)濟發(fā)展相適應(yīng)[9]。隨著智能制造業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)機器人、3D打印、大數(shù)據(jù)等新興產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展壯大，對工業(yè)設(shè)計理念提出了新的要求，對工業(yè)設(shè)計學(xué)科創(chuàng)新人才培養(yǎng)提出了更高的要求。同時，新材料、新技術(shù)、新工藝不斷涌現(xiàn)，對工業(yè)設(shè)計的創(chuàng)新提供了新的方法和技術(shù)支持。

（三）高端裝備發(fā)展工業(yè)設(shè)計創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需求

隨著中國制造“2025”全面的、深入的實施背景下，工業(yè)設(shè)計發(fā)展迎來重大機遇，對創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，尤其是具有重要的基礎(chǔ)性的工業(yè)設(shè)計專業(yè)人才的培養(yǎng)，提出了新的更高要求，需要在戰(zhàn)略層面去重視[ 10 ]。工業(yè)設(shè)計要推進技術(shù)轉(zhuǎn)移和科技進步以“定義需求、引領(lǐng)消費、創(chuàng)造市場”。近年來，雖然工業(yè)設(shè)計專業(yè)人才培養(yǎng)有了進一步提高，但要想跟上工業(yè)發(fā)展的步伐，仍存在一些不容忽視的問題。主要問題之一是培養(yǎng)理念的創(chuàng)新不夠，一是教學(xué)改革和創(chuàng)新還不能適應(yīng)工業(yè)設(shè)計專業(yè)發(fā)展的需求;二是智能制造、工匠精神還沒有與人才培養(yǎng)有機結(jié)合，只重視理論教學(xué)、技術(shù)教學(xué)，缺乏職業(yè)精神和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。嚴重制約了工業(yè)設(shè)計專業(yè)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)的科學(xué)性和戰(zhàn)略性。

二、工業(yè)設(shè)計專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的仿生學(xué)運用

從工程技術(shù)方面來看，仿生學(xué)是根據(jù)對生物系統(tǒng)的研究，為設(shè)計和建造新的技術(shù)設(shè)備提供了新原理、新方法和新途徑。將仿生學(xué)應(yīng)用到工業(yè)設(shè)計人才培養(yǎng)中，兩者相結(jié)合，從而培養(yǎng)出優(yōu)秀的創(chuàng)新人才，使其創(chuàng)造出更多符合現(xiàn)代社會生活需求的高質(zhì)量產(chǎn)品。但是，仿生學(xué)運用到工業(yè)設(shè)計人才培養(yǎng)過程中，不僅是簡單的形態(tài)模仿、結(jié)構(gòu)模仿和顏色模仿等，更要注意仿生學(xué)是一門科學(xué)技術(shù)，它的科學(xué)性、系統(tǒng)性、基礎(chǔ)性、應(yīng)用性和趣味性等特性在教育教學(xué)內(nèi)容中要尤其體現(xiàn)。

（一）注重仿生學(xué)的科學(xué)性

現(xiàn)階段許多設(shè)計人員在運用仿生設(shè)計方法時，由于缺乏對仿生原理深入的了解，知其然不知其所以然，致使設(shè)計人員設(shè)計思路較為狹隘。無論是仿生學(xué)還是工業(yè)設(shè)計專業(yè)，都是以應(yīng)用為基礎(chǔ)，但其也是科學(xué)，也要考慮其基本的原理、規(guī)律。仿生學(xué)基本原理包括需求性原理、模本原理、相似性原理、可實現(xiàn)性原理、比較優(yōu)化原理等。仿生學(xué)的研究方法包括理論分析法、計算機仿真法、相似模擬法、試驗優(yōu)化法等。例如，在模仿生物的外部形態(tài)時，若單純地模仿生物外部形態(tài)，無法使產(chǎn)品的外部形態(tài)具有美學(xué)特點，還會影響到產(chǎn)品的正常使用。汽車、高速列車和工業(yè)機器人等的仿生設(shè)計時，應(yīng)合理、有效地提取生物外形特點，然后利用三維建?；蚰嫦蚬こ痰确椒ń⑷S幾何模型或數(shù)學(xué)模型，并進行模型優(yōu)化，使其體現(xiàn)出現(xiàn)代美學(xué)的特點，并且為其融入更多的減阻、降噪、感知和運動等功能，必要情況下，還需進行功能性和可靠性的仿真分析和試驗測試分析，為用戶提供便利、舒適的環(huán)境。在人才培養(yǎng)過程中，應(yīng)注重生物功能實現(xiàn)的基本原理，功能優(yōu)化的方法、原理，才能更好地進行工業(yè)產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計。

（二）突出仿生學(xué)的系統(tǒng)性

在工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域應(yīng)用仿生設(shè)計時，由于設(shè)計人員未能理解和掌握仿生設(shè)計方法，致使具象仿生、抽象仿生等方法未能獲得良好的應(yīng)用效果，導(dǎo)致工業(yè)設(shè)計產(chǎn)品只能模仿外型，未能使產(chǎn)品具備仿生功能，從而失去工業(yè)產(chǎn)品的應(yīng)用價值，無法提高工業(yè)產(chǎn)品的實用性能力。仿生學(xué)研究的過程一般包括需求分析→生物原型→建模→原理→樣品/樣機→產(chǎn)品。許多設(shè)計人員的設(shè)計思維局限在模仿動植物的外型上，只注重外型模仿，未能使產(chǎn)品具備動植物的仿生功能。功能性仿生設(shè)計過程中，需要了解生物本身的特點以及生物功能實現(xiàn)的條件，需要大量的仿真或?qū)嶒灉y試數(shù)據(jù)的支撐。工業(yè)設(shè)計創(chuàng)新人才培養(yǎng)過程中，重要的是要建立仿生學(xué)設(shè)計的系統(tǒng)性方法。第一，對實際工程需求進行深入細致的調(diào)研和分析，準確了解功能需求、性能要求和應(yīng)用場景等;第二，應(yīng)注意生物原型的特性、功能的提取，及其與實際需求的特點間的關(guān)聯(lián)性;第三，對所提取的生物原型進行建模，包括物理模型、數(shù)學(xué)模型、分子模型等仿生模型;第四，通過模擬仿真或?qū)嶒炑芯科湎嚓P(guān)功能、性能實現(xiàn)的原理;第五，在一系列模擬仿真或?qū)嶒炑芯康幕A(chǔ)上，進行原理樣機/樣品的試制;第六，形成在原理上、方法上或技術(shù)上等具有原始創(chuàng)新的工業(yè)新產(chǎn)品?？梢哉f，沒有系統(tǒng)性的考慮，仿生設(shè)計的工業(yè)產(chǎn)品是不完美的。

（三）仿生學(xué)運用的基礎(chǔ)性

仿生學(xué)涉及生物學(xué)、材料學(xué)、機械學(xué)、物理學(xué)、美學(xué)、哲學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科，人才培養(yǎng)過程中，應(yīng)注意基礎(chǔ)學(xué)科知識的傳授。生物個體或群體的生存環(huán)境、生活仿生和進化特點等是其功能特性、美學(xué)特性實現(xiàn)的基礎(chǔ);新材料、新工藝、新技術(shù)是實現(xiàn)仿生設(shè)計產(chǎn)品的經(jīng)濟性、可靠性的基礎(chǔ);結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)、光學(xué)和生物學(xué)等是理解生物功能、原理的基礎(chǔ)。沒有扎實的基礎(chǔ)學(xué)科知識的保障，對相關(guān)的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題掌握不準確，很難出現(xiàn)經(jīng)典的、顛覆性的仿生創(chuàng)新設(shè)計的引領(lǐng)行業(yè)甚至引領(lǐng)世界的工業(yè)產(chǎn)品。

（四）仿生學(xué)的工程應(yīng)用性

工業(yè)設(shè)計專業(yè)的特殊性，決定了設(shè)計人才培養(yǎng)應(yīng)更重視應(yīng)用性。同時，仿生學(xué)是一門以應(yīng)用為基礎(chǔ)的交叉學(xué)科。人才培養(yǎng)中，應(yīng)時刻注意應(yīng)用性的學(xué)科特點。從這個角度講，實踐不僅僅是學(xué)習(xí)經(jīng)驗提升技能的有效方式，更是高校培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的有效途徑。傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計專業(yè)人才培養(yǎng)過程中，雖然開設(shè)了藝術(shù)表達、機械相關(guān)的課程，但是出現(xiàn)了同質(zhì)化的現(xiàn)象，學(xué)生在設(shè)計表達的技法以及產(chǎn)品風(fēng)格的把握上處于思維定勢，忽視了對學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在工業(yè)設(shè)計人才培養(yǎng)過程中，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、思考問題，運用仿生學(xué)理論和方法轉(zhuǎn)換思維模式、實現(xiàn)創(chuàng)新并解決問題，影響學(xué)生知識結(jié)構(gòu)及層次的提升，有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新工程實踐能力。

（五）仿生學(xué)案例的趣味性

鷹擊長空、魚翔淺底、蓮之出淤泥而不染、候鳥萬里年年飛，仿生學(xué)的研究內(nèi)容極其廣泛，無論是宏觀的還是微觀的，整體的還是局部的，只要生物系統(tǒng)比技術(shù)系統(tǒng)有明顯的優(yōu)勢，就值得向生物學(xué)習(xí)，這都是仿生學(xué)研究的內(nèi)容。因此說，生物經(jīng)過億萬年進化出來的優(yōu)點千奇百怪、趣味橫生。仿生學(xué)在工業(yè)設(shè)計專業(yè)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)過程中，要注重學(xué)術(shù)興趣的培養(yǎng)，注重身臨其境、引人思考。生活用品、生產(chǎn)工具、交通工具、玩具等，增加生物學(xué)形態(tài)、結(jié)構(gòu)、色彩，也增加了產(chǎn)品的趣味性。仿生產(chǎn)品本身具有趣味性，能夠活躍課堂。

工業(yè)設(shè)計需要積累經(jīng)驗，更需要創(chuàng)新為支撐。仿生學(xué)是工業(yè)設(shè)計新理念的源泉，在工業(yè)設(shè)計過程中適當(dāng)?shù)厝谌敕律鷮W(xué)設(shè)計的理念，跳出以模仿改良為主的設(shè)計模式，以市場需求為導(dǎo)向，充分發(fā)揮經(jīng)過億萬年進化優(yōu)化的生物學(xué)功能，促進現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的新發(fā)展，為我國經(jīng)濟的高質(zhì)量發(fā)展和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級增添動力。

三、結(jié)語

在新技術(shù)引領(lǐng)的經(jīng)濟變革中，工業(yè)設(shè)計專業(yè)人才培養(yǎng)面臨著多重考驗，除了建構(gòu)學(xué)生的專業(yè)知識體系，還要培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)。以滿足人民對美好生活的向往為動力，以新材料、新技術(shù)、新工藝等高新產(chǎn)業(yè)和高端裝備的發(fā)展為契機，以市場為導(dǎo)向，以產(chǎn)品為基礎(chǔ)，引入仿生學(xué)理論和方法，注重仿生學(xué)的科學(xué)性、系統(tǒng)性、基礎(chǔ)性、應(yīng)用性和趣味性等特性，促進工業(yè)設(shè)計專業(yè)人才培養(yǎng)的持續(xù)發(fā)展，為社會經(jīng)濟的發(fā)展培養(yǎng)有創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力的人才。

參考文獻

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-113.

Needs of Innovative Talent Cultivation in Industrial Design and Application of Bionics

YIN Wei， LIU Hui-wei， YANG Duo

（School of Mechanical Engineering， Tianjin University of Technology and Education，

Tianjin 300222， China）

Abstract： Talent is the key to governing the world and the important index to measure a countrys comprehensive national strength. The cultivation of innovative talents is more urgent in the strong request for original innovation and technology innovation. The demand for industrial design talents continuously emerges with the rapid development of intelligent manufacturing industry in China， such as high-end equipment and industrial robots. Organisms have formed many excellent functions， structures， colors and so on after millions of years of evolution， which provide inexhaustible innovation power and source for industrial design. The needs of cultivation of innovative talents in industrial design are analyzed， and the application of theories and methods of bionics to improve the quality of innovative talent cultivation is discussed， which provides reference for the cultivation of innovative talents in industrial design.

Key words： industrial design; talent cultivation; bionics; innovation