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              徐志磊: 創新設計的科學

              發布時間:2020-12-14   來源:中國機械工程學會  作者:   閱讀次數:  【字體 】   打印

              創新設計的科學

              [2020-05-25 17:36   類別:大家·談   來源:2014年第1期機械工程導報   作者:徐志磊]

              一、造物和人造物

              人類是智慧的動物,地球上自從有了人類,就使自然環境發生了翻天覆地的變化。今天我們生活的環境中,除了山水樹林,周圍每天看到的、用到的、接觸到的東西,無不都是由人類自己創造出來的。即使山水樹木也是在人類的思維設計指導下,發生著偉大的變革。人們開山造橋、人工造林(當然也包括為了經濟發展,破壞了原始森林,污染了河流和空氣)??傊?,原始人類在幾千年的生存活動過程中,通過人工(Artificial)把自然物分解、組合,由此形成的物質世界就是由人類設計出來的。西方人所說的上帝創造“自然”,而我們稱之為“造物”,是指自然給予人類生存的環境,而人類自己創造的一切,都是由人類設計創造的。美國人亨利?佩卓斯基在1992年寫了一本書《設計是人類的本性》,談到人類文明的進程就是人類“設計”制造“人類自己需要的人造物”而改造“自然”的進程。

              二、關于創新設計

              21世紀初,世界進入了一個嶄新的階段。隨著科學技術的發展,從人類生活基本的條件衣食住行方面來看:衣服不僅足以蔽體,人類還開發了各種人造纖維,用石油可以紡出紗來;食品方面,雜交水稻使畝產量成倍增加;住的條件不斷改進,農村居民向城市邁進,高樓大廈不斷拔起,冷熱空調等等使生活質量有了根本性提高;行的方面,海陸空運輸技術的發展以前不可想象。

              從產品生產技術發展來看,工業技術從蒸汽機、電動機的第一次工業革命到現代科學技術發展形成的計算機、網絡、自動化智能化發展趨勢,從亨利福特的大批量流水線生產模式到現代化數控、智能化的即將到來的第三次工業革命。材料科學的發展也體現了現代科學技術發展的新特征:人類從原始的石器文化到青銅器、陶器進化到鐵器時代,現在已進入納米材料科學的時代,人們可以設想用分子學方法甚至是一個一個原子的設計組合制造出全新的功能特征的材料。

              面臨這樣一個嶄新的、前人不能想象的科學技術發展的時代,創新技術的不斷發展,其規模、速度在50年前,乃至20年、10年之前都難以預測,變化之快令人瞠目結舌。

              “設計”的定義,從原意上看,仍然成立,但其內容已經遠遠不是人們頭腦中“傳統設計”的概念可以解釋和集成的。這就要求我們用新的詞匯來表達現代設計的內涵,這就是“創新設計”。我們的設計師,如何跟上這個洶涌澎湃的潮流。站在潮頭頂峰上,引導潮流前進,還是抄襲拷貝被潮流淹沒?

              籠統、抽象地討論設計的定義,不足以搞清創新設計的真正內涵,現代設計的定義所覆蓋的范圍,已經遠不僅僅是設計出一個新穎的產品外形,更重要的是如何理解創新設計的現代內涵和歷史演變。創新設計要求滿足用戶的需求,采用當代先進技術、產品設計具有原始創新理念。原始創新設計首先要對某產品的設計概念有現代化的理解,也就是要改變傳統的設計概念,建樹現代化設計觀念達成共識。

              三、創造發明的源泉

              人類的智慧遠高于其他動物,原因之一是得益于人類大腦的學習和聯想功能。創造發明的源泉是“有啟發而自由”。自由是指外界環境對創造發明的制約,而啟發是指創造發明的一種產生模式來自“啟發”的摩擦和閃光。一個民族的文明進步得益于不斷地與外界交流和相互學習。摩擦就是指不同思維的碰撞、融合和轉化。產生創新理念的核心是思維的多樣化,文化的異化孕育著創新的思維。

              人類創造發明工具和器具是為了滿足生存、生活的需求。從原始社會開始,人類就為了生存、生活和社會的需求,不斷地創造、制造工具和器具,設計被理解為一種思維和過程的活動。在創造和制造過程中,第一步就是要用設計的思維,對目的物進行構思和策劃,設計始終引領和伴隨著創造發明的起始和全過程,使之成為有用的目的物(人工物)。富有想象力的先民,不斷尋求改進、創新,設計出合乎人類需求——更方便、更經濟的有用物品。器具和工具不斷變化的原因在于這個有用物品“還不夠令人滿意”。

              不夠令人滿意也可以說是不能滿足人的需求,但真正推動工業技術革命的力量,在于人的欲望而非需求。例如空氣和水是人類不可或缺的,但空調及冰水卻非民生所必需。因此與其說“需要”為發明之“母”,不如說“享受奢侈”。因為發明之“母”,每項器具多多少少都有設計改善的空間,這也正是革新的力量。因此所有器具都不斷改變,以適應不斷發現的缺點,一切的發明創新都離不開此原則,這也是推動發明家、設計師及工程師的動力。

              于是我們可以得出以下結論:沒有任何一件東西是完美的,我們對完美的定義也在不斷地改變,因此所有事物都會隨時變化。完美器具并不存在,設計本身就是一種嘗試拉近器具的缺點與理想的過程。

              這種(創新)演化過程從古到今一直不變,盡管以前的匠人如今變成了謹慎的科學家,而制作的器具也復雜到如核電站、宇宙飛船及計算機這樣的東西。

              真正決定器具形式的是使用者所發現的器具的缺點。發現缺點后不斷改進功能。不同地區、不同的人所觀察和注重的缺點不同,改進的方法也各異。因此不同的文化產生不同的器具,餐具中刀、叉和筷子的演變史就說明了科技與文化間的互動關系。

              筷子是中國人的偉大發明。中華民族有五千年歷史記載的文化,西方文明從狩獵時代過來時,中國發展了自己的農耕文化。西方人從刀子切割獸肉開始,演化為現代刀叉等餐具,而中國人則用一雙筷子一直使用了幾千年,成為不朽的創造發明。這是因為它使用方便、取材節約、制造簡單、成本低。直到今日還沒有出現一種發明能夠改進它、顛覆它。本來它應該與我國四大發明具有同等價值,但因為西方有同樣的取食工具刀和叉,筷子就不是唯一的“功能決定形式”的發明。直到今天,世界上還有一些民族還在用手抓食品進食的方法。全世界有1/4以上的人口,幾千年使用這樣的發明器具,不得不讓人們感受到筷子是不朽的發明創造!

              四、人造物的分類

              人造物一般地說可分為三類:

              一是工具,人類作為智慧的動物,重要的特征之一是制造工具,原始人用尖銳的石片作為工具,制造出各種形式的工具是人類文化創新進化的表征。

              二是器具,關乎人類生存、生活。器具的需要首先是因為儲存食物、飲水,而后是各種衍生的器具,進一步擴展到人類的衣、食、住、行的器物。

              三是人類心靈藝術表達的產品和知識傳遞的產品。

              一旦引入“人工物”的名詞,人們要制造出滿足需要的人工物,就有“設計出”和“制造出”的概念,即工程學的概念。合成或制造人工物特別是人們所需特性(有用的)人工物就是工程活動和技術的主要目標。工程師(更廣義地說設計師)所關心的是事物應當如何,即為了實現目標、為了具備功能,事物應當怎樣,從而引申出工程科學和設計學。

              從傳統上看,關于自然事物知識的教授是科學學科的任務:自然事物的存在狀態怎樣,它們是如何發生作用的。關于人工物知識的教授是工程學院的任務:如何制造具備人們向往性能的人工物,如何設計。

              工程師并不是唯一的專業設計師,凡是以將現存情形改變成理想情形為目標而構想行動方案的人都是在搞設計。工程科學和設計學作為專業的科學與基礎科學區分開來,主要關心設計過程。

              科學關心的是分析,工程關心的是綜合。在工程科學和設計學方面,許多內容都是智力上軟性的、直覺的、非形式化的,像烹調術一樣說不出所以然來。因此我們面臨的問題是,設計這樣的一種專業學科,需要同時達到兩個目標:在高級知識層次上進行工程科學教育和自然科學教育,這也是一個設計問題——組織設計。

              我們應該有完整的設計科學,才能具備充分的資格重新負擔起專業學科(一級學科)的責任。這門設計科學是關于設計過程的學說體系,它是知識上硬性的、分析的、部分可形式化的、部分經驗性的、可傳授的。特別是這種設計科學已經出現,它開始滲入工程學院,尤其是通過計算機學科和“系統工程”課程,管理科學通過工程管理學滲入到設計學的課程。

              五、傳統設計

              傳統設計只是按用戶需要,用現成的設計手冊(第二次工業革命以來,設計方法和技術不斷完善,很多的設計知識已經編撰出各行各業的應用設計手冊)和設計經驗,足以使設計師很快完成用戶的要求。我在20世紀50年代就學過一門叫“經驗設計”的課程,就是培養學生根據現存的手冊,曲線圖表、標準零部件設計出一種組合集成的產品,滿足用戶設計任務要求的圖紙、文件,供生產使用。

              早期(20世紀40~50年代)的工程設計方法主要是經驗型的,內容是經典的設計方法和試驗曲線、數據外推的規則等。產品研制過程是直線型的“畫加打”,即設計——模樣——試驗——改進,具體的方法有“邊做邊試”(cut-and-try),反復試驗(trial and error),過量冗余(over kill,extremes redundancy),縮比試驗(small-scale model test),覆蓋設計(lapping design)等,直到現在這些方法仍然是我們設計過程的基本方法。設計就是在前人已經做成產品的基礎之上,不斷改進、完善的過程,雖然不斷有新結構、新原理和新材料的逐步發展提高,但設計理念是線性的,即根據需求功能,構建機構、外型設計,然后模樣制造試驗。我當設計師的時候,一本英文版的“機械工程師手冊”伴隨著我走過設計的全過程,這就是那個年代的情況。

              傳統設計一般通過對國外產品的測繪、拷貝,仿制出所謂的新產品。從某種意義上說,在產品設計中,拷貝抄襲也是必須經歷的過程,它培養訓練了我們的設計師。但是測繪拷貝要有以下幾個條件。

              1. 測繪過程必須嚴格細致地分解被測繪對象。50年代日本工業化起步時,也是測繪了很多國外名牌產品,如工業機床、摩托車。他們將國外的頂尖產品詳細分解,寫成研究性“論文”和報告,對每個零件的材料、幾何精度、部件的性能都有詳細的分析報告。日本的機床設計和雅馬哈摩托車就是抄襲了瑞士機床和捷克著名品牌Jawa摩托車起家的。

              2. 測繪的設計隊伍具有基本的(或高級的)知識能力和分析水平,能充分了解原設計的性能特點、優點和缺點。

              3. 理解仿制技術和生產制造過程。關鍵技術國內能否復制,如何進行技術攻關,特別是材料性能。我國提倡的引進消化、集成創新其內涵也許與之相當。為什么我們的產品多年來停留在山寨產品的水平?恐怕是對產品的關鍵性能(包括材料)沒有如此深刻細致的分析能力,也包括我們的研制隊伍,沒有從多方面知識水平去開展核心技術攻關有關。

              六、創新設計的程序

              我國正面臨著加強創新設計,加快傳統產業轉型升級的關鍵時期,如何避免設計創新的淺層化?如何改變創新能力的改良性(小改變)、追隨性,提倡原創性,提高自主創新能力?

              首要的措施是以企業為中心,建立自己的設計研制隊伍,成立關鍵技術工程研究實驗室,組織核心技術攻關,或者將關鍵技術提交大學實驗室聯合攻關。

              從項目計劃一開始,改變研制產品的全過程,革命性的措施是從起點開始就建立項目研制程序,將研制程序分為以下幾個階段。

              1. 研究階段:將產品的功能、性能進行科學分解,從科學原理到采用現代技術應用,從分解為早期應用研究到項目的(或產品的)實驗室核心技術研究,設計出早期研究方案和實驗模型。

              2. 分析階段:將實驗室研究結果進行分析研究,如何滿足產品開發的目標。

              3. 概念設計階段:對產品如何滿足用戶(市場)需求進行可行性分析,也包括產品進入市場后的“價值鏈分析”(VOC)。

              4. 選擇階段:技術方案的選擇,分析各種方案的利弊,選擇最優方案。

              這個階段的工作極為重要。工業設計的歷史爭論是“形式決定功能”還是“功能決定形式”,而創新設計的理念,就在于如何創新,所以不要被某些思維所束縛?!霸O計”是一種多角度思維過程,為達到某一目的,設計師有多種選擇的可能??茖W家是發現、探索某種自然規律的存在,因此只有唯一的準確度結論??茖W家的目標是對大自然中特定目的進行認知實驗和分析,而工程師和設計師所關心的是事物應當如何。為了實現某種目標,具備某種功能,事物應當怎樣?應用科學知識和技術集成起來完成既定的任務,方法會有很多種,如何選擇、如何優化是他們的本領,正所謂條條大道通羅馬。

              5. 開發擇機:可以從初樣、試樣到正樣,不斷發現缺點并不斷改進性能和功能,現代的計算模擬手段可以大大加快樣機階段的進度。

              6. 工程開發:需要進行環境適應性試驗、產品質量安全改進、成本分析、產品應用體驗實驗這些方面的工作。

              7. 市場投放戰略、品牌戰略。

              8. 產品全壽命設計與分析。

              9.售后維修服務。

              10.綠色回收技術。

              以上過程中都要體現創新設計的工業設計師在各個環節中的定位和角色,以及與工程設計師的協同與合作。

              七、原始創新

              從科學發展史來看,基礎研究是原始創新的源泉和燃料?;A研究成果是創新設計的知識庫?,F代科學和技術的發展改變了人類生活的面貌?;ヂ摼W、現代醫藥、計算機和無線通訊、噴氣式飛機、氣象衛星、GPS、數碼相機和智能手機、人類基因組知識,無不源于基礎科學研究的成果。

              基礎研究對技術發展的實際應用舉例:

              l  因特網由美國國防部高級研究計劃局(DARPA)發展了基礎協議。

              l  谷歌的基礎研究搜索算法(由斯坦福大學拉里?佩奇的論文發展而來)。

              l  醫學成像技術是數學的反問題,核磁共振成像是由于對原子核研究成果為基礎而發展來的。

              l  因為有了輻射天文學,人類才能了解更深遠的星際和宇宙。

              l  有了超導磁鐵,才建立了粒子物理加速器

              l  氣象衛星,給予多普勒雷達,計算建模在超級計算機上大規模的精確氣象預報,有益于公共安全和農業。

              l  人類基因組計劃發展了新的癌癥治療方法個體化醫療、DNA鑒定技術,均是由美國能源部和國家衛生研究院完成的基礎研究中應用開發出來。

              l  所有飛機機翼的優化設計均由過去國家航空研究(現在的NASA)用計算流體動力學而開發出來。

              l  數據庫技術,由過去的研究院的數據交換發展而來。

              l  GPS的早期研究源于激光和微波激射,是由哥倫比亞大學、斯坦福大學合作以及貝爾實驗室和休斯公司合作的基礎研究。

              l  納米技術開發新藥

              l  適應性更強的材料和纖維

              l  工業催化劑

              l  更快的芯片

              l  可持續發展的水和能源

              l  鋰離子電池,手機和計算機到處可用,由紐約州立大學(Sunny基礎發現,1970年Binghamton,1980年Bell實驗室,2000年MIT開發)用于混合動力和電動汽車的大容量電池由勞倫斯伯克利y國家實驗室開發

              l  CCD成像:1960’s 貝爾實驗室開發

              l  Barcodes條形碼:現代快速響應是由計算機的糾錯誤碼的純科學研究開發應用

              l  同步輻射光源:至少有3個諾獎得主在生物醫學上利用此類設備做工作

              l  從伽利略到愛因斯坦到GPS全球定位系統,加速器技術的開發、了解夸克和輕粒子,同步光源成為新藥革命性開發的方法。

              八、創新技術發展趨勢

              活躍在快速上升期最新前沿技術介紹:

              l  人類増強技術Human Augmentation(利用藥物改變身體形態或功能)

              l  計算機——大腦接口:人機一體化,人與機器共同認識、感知、決策,從而突破傳統的人工智能系統的概念

              l  3D生物打印,制造三維結構的人體組織

              l  社交電視、三網融合、觀眾與觀眾以及電視內容的互動

              l  移動機器人:集環境感知、動態決策與規劃行為的控制與執行等功能于一體的集合系統,它集中了傳感器技術、信息處理、電子工程、計算機工程、自動化控制工程以及人工智能等多學科的研究成果,代表了機電一體化的最高成就。

              l  量子計算機

              l  自然語言問答

              l  物聯網

              l  大數據信息管理終端

              l  近距離無線通訊(NFC)支付技術

              l  增強現實(AR)

              l  無線電源技術

              l  云計算

              l  機器對機器(Machine to Machine)通信服務:實現對機器的遠程監控與指揮調度、數據采集等管理

              l  QR代碼或彩色代碼

              以上關于基礎科學研究的歷史回顧和現代創新技術發展的趨勢,讓我們看到:基礎研究——技術創新——工程開發——產品制造——市場需求是一個創新驅動發展的鏈條,創新設計的工程師處在各個階段的邊界上。并非是所有基礎性科學研究都會發展成為產品和市場化的應用?;A研究通過知識的學習、聯想而轉化成為可轉移的技術,而后轉化成為有用目的物的研究和開發。工程師(設計師)經過設計和工程化就形成了創新的產品,參與市場競爭,提升了國家經濟實力的基礎,乃至改變了世界、改變了我們的生活。

              圖1 從基礎研究到商品制造的轉化過程
               

              設計師就是站在如圖1中每個區域的界面上,通過學習、聯想、構思將科學技術轉化為現實工程產品和現實生產力的。
               

              九、創新設計的理念
               

              1.樹立創新設計的新思維。

              前文敘述了設計的理論:設計過程就是創新的過程。設計是一種創造性活動,是將物理世界通過科學研究深化認識的知識基礎,用來為人和社會的需求的目的物(確定的對象),通過工程科學的手段設計和制造出適合要求的系統、產品。并要考慮作為人工物適應生態環境系統(天然物)的前提下提供使用過程的服務和人工物整個壽命周期內對環境生態系統影響的解決。

              2.摒棄模仿、仿造、抄襲、侵犯知識產權,但并不排斥集成創新。

              創新設計要求樹立“我的設計是獨一無二、前所未有”的理念,但在實際過程中更需要深入理解現存產品的特性內涵和缺點,尊重和學習前人知識和經驗的累積?,F實世界就是人類長期不斷積累知識和經驗的過程中實現的。

              3.直面挑戰。創新是一場寂寞的長跑,創新道路絕不是一片坦途,而是充滿未知、風險和挑戰,對面臨的挫折不輕言放棄才是實現創新所采取的態度。

              4.創新的成功與失敗之比是很懸殊的,“失敗是成功之母”,但創新最終不會全部成功,但不創新就永遠沒有成功。

              德國有一位工程師,一生致力于創造發明旋轉式內燃機?,F在的直線往復式四沖程內燃機是將氣缸內燃氣膨脹推動活塞經過曲軸帶動飛輪并經減速器,最終帶動汽車車輪,工作效率低。將活塞系統改成三角形可直接驅動汽車。曾經做過很多先期開發研究、最終因為活塞—氣缸的密封問題始終沒有得到解決而宣告失敗。

              5.創新還存在現有技術的抵制問題。經論證即使是最好的技術,由于不能代替規模龐大的現有技術而受到抵制,長期得不到應用。

              6.創新可以分為兩種類型:演化型和革命型。演化型也稱漸進型、改良型,也就是前文敘述的現有產品改進其缺點,是經常發生的創新設計。革命型也稱顛覆型創新,是大風險、大投資、大回報的,它會改變世界的面貌。

              7.即使說我們一開始就要摒棄抄襲和拷貝,那么我們也應該從模仿世界現有的東西入手,理解它的原理、技術,分析它的優缺點,從局部改進入手,從學習研究入手,掌握、分析并改進,以適合中國的國情。

              8.創新設計能力是提高未來國際競爭力的主要體現。一流的核心技術既不能通過引進資本讓出市場來實現,也不能靠簡單的模仿抄襲來解決。只有依靠自主創新,從源頭上理解創新,從實際活動中、從創新設計知識、方法、程序上腳踏實地地去實施,才是創新驅動發展的唯一模式。

              9.更重要的是,創新靠提升自己的創新思維能力、想象力和思辨力,培養解決問題的能力。

              十、創新設計的跨學科問題
               

              學科是從科學專業知識分類形成的,現實世界人造物設計幾乎都是跨學科的。設計師固有的跨學科,“設計學科”的內容只是設計的理論問題,它包括設計知識、方法和經驗。單獨地將設計作為一門學科是完全必要的,但它無助于理解人們要進行的具體創新設計過程。因為在這個過程中,“設計”常被賦予不同的含義和不同的組成。在設計過程中要構思、驗證或解決一個不同的問題,必然會需要對某些不同學科進行適當深入的了解,特別是現代的復雜產品系統如飛機、衛星、核電站。

              從工程領域和創新設計角度出發,在不同領域,需要和不同的學科進行合作。

              1. 工業產品(工具類、包括國防武器):創新設計要和工程設計合作。

              2. 消費品(器具類包括醫療器械、家具):創新設計要和工程設計相結合(結合的意思是同時發生),以創新設計為主。

              3. 文化類(建筑、藝術):需要創新設計與工程設計合作。建筑方面要與土木工程學科的合作,藝術產品在需要工程設計時進行合作。

              創新設計學科如何培養跨學科人才。

              首先,現有的創新設計專業型教師要具備下列知識和能力:

              1.對創新設計學科專業本身要有深厚的知識水平。

              2.增加工程設計、制造和產品銷售(商業)知識,逐步形成T形的知識結構。

              3.碩士學位的創新設計專業畢業生應達到職業設計師水平。

              4.博士學位的創新設計專業畢業生應致力于從事跨學科設計研究,為跨學科的教學人員打好基礎。

                  此外還應該加強以下方面的培養:

              1.工程設計師要了解(英語的understanding,有了解和理解雙重含義)創新設計和商業管理(MBA)。

              2.創新設計師要了解工程設計和商業管理。

              3.商業管理人員要了解工程設計和創新設計。人才培養要以適應創新設計、工程設計、建筑、藝術、心理學、產品品牌和市場競爭的需要為目標。

              現階段,在我國鼓勵跨學科合作和交流存在著一些困難,要實行創新設計師與其他學科的合作、交流并非易事,這是因為:

              1.傳統的思維、工作模式和現行制度不容易改變。傳統的學科分工,隔離的學術氛圍、思維模式、制度框架不易改變。

              2.開放交流一些創新思維往往很難做到,因為隱含有個人對知識的占有和對財富來源的期望(名和利),但應該想到(教育和宣傳)互相封閉的結果使研究過程的效益下降,甚至一事無成。這需要提高合作團隊成員的個人價值觀。有很多合作失敗和成功的事例可供學習和借鑒。諾伯特·維納(v.wiener)建立的控制論被譽為人類社會最偉大的成就之一,就是由他和醫學學科的朋友討論研發而建立的。

              十一、 關于“設計科學”

              設計團隊和創新設計設計師要想邁進到“先進設計”的高度,要回答如何避免設計創新淺層化,提倡原始創新,掌握重要產品的關鍵核心技術,提高自主創新的能力,就要從原設計層面上研究“設計科學”。

              設計活動由三個要素組成:科學觀念和科學知識的掌握、理解和運用;先進設計方法的運用,以科學為基礎的各種設計方法;以系統工程的綜合集成和分層分析的方法應用于創新設計的過程。

              1. 科學知識和先進技術的理解。

              設計中采用很多傳統科學知識,掌握這些科學原理和知識,有助于培養先進設計的人才,比如:工程設計;工程應用數學;哲學和認知科學;社會科學的相關理念;經濟學、市場和營銷;計算機科學;現代信息科學理論;解剖學(例如骨骼構造,為人機工程需要);生理學。

              將包豪斯時代的工業設計對象,用現代的物理科學、心理學、經濟和現代生態環境系統進行再創造。

              解決設計問題的活動,必須以理解該問題的活動為先導。

              2. 先進設計方法的運用。比如,先進計算模擬技術;人工物設計的內外界面,對環境、生態系統適應性限度;人工智能設計;思維心理學,將只會嵌入自然;運籌學;優化設計技術。

              3. 運用分層制(Hierarchy)分解方法,解決復雜系統的設計問題。復雜系統由幾個子系統組合而成全系統,將各子系統分解開來進行設計分析,適用于工程復雜系統,也可用于生物系統和社會系統。一般在工程設計中是運用系統工程的方法來集成和分解。

              郝伯特?A ?西蒙給設計學開出設計理論的論題。

              現在已存在的設計理論單元和每一單元相關的大量知識(理論的和經驗的),如果我們起草設計學的課程大綱,使它在整個工程學課程體系中與自然科學并列,那么它至少應包括下列內容:

              1.設計的評價理論,統計決策理論。

              2.計算方法。

               = 1 \* GB3 ①選擇最優方案的算法,如線性規劃算法、控制理論、動態規劃。

               = 2 \* GB3 ②選擇令人滿意的方案和試探法。

              3.設計的形式邏輯、命令邏輯和敘述邏輯、備選方案的搜索。

              4.試探搜索:系統分解與手段——目的分析。

              《人工的科學》(The Science of the Artificial)   麻省理工學院出版社(1982版)

              5.搜索資源的分配。

              6.結構和設計組織的理論,層級系統。

              7.設計問題的表達。

              十二、信息科學

              信息科學已成為創新設計最重要的應用領域之一。傳統工業,尤其是制造業的科學基礎是自然科學,物理學提供最基本的原理。在此基礎上,化學、生命科學、地球物理、天文學以及各種工程科學為傳統工業提供了科學指導,而信息科學給人類提供了另外一種重大資源,人類發展所依靠的三大資源:人力資源、物質資源和信息數據資源。

              信息數據資源的開發和利用將是未來社會和經濟發展的重要手段之一。

              今天我們生活在海量信息和海量數據的時代,互聯網、計算技術、電子商務使我們獲取數據、分析數據、利用數據的能力有了質的飛躍。信息服務產業成為發達國家經濟轉型的主要支柱。谷歌和Facebook就是因為提供了信息服務而成為了世界知名企業。

              十三、計算科學與工程

              通過計算方法與系統(通常指計算機硬件、軟件和網絡等)來實現科學與工程的模擬計算,計算科學通過計算機建模模擬(M&S)使其理論得到擴展,如圖2所示。Cyber(暫譯為網絡)科學與工程由是應用數學、計算機科學發展起來的智能技術學科,在工程創新設計中得到很大的發展和應用。美國的“大挑戰學者計劃”(GCSP)是美國國家科學基金會應對外國競爭而設立的高性能計算建模和模擬研究計劃,用來解決科學與工程的根本問題。計算機建模模擬中的先進計算方法,將要解決如下問題:

              l  復雜系統的多尺度、多物理、多模型系統的模擬;

              l  不確定性的量化;

              l  大規模計算的基于模擬的優化。

              這種先進的設計方法將為創新設計提供重要的設計手段。


               

              圖2 計算科學的直觀定義

              十四、基于科學的工程模擬

              計算模擬從CAD、CAM、CAE發展成為以模擬為基礎的產品設計。應用現代計算工程工具,將工程問題的科學理論建立數學模型并進行物理的預測,為傳統的工程設計提供知識和技術,使工程師有能力預測或優化其系統。

              計算模擬廣泛應用于電氣、機械、土木、化學、航天、核、生物醫學和材料科學,乃至城市設計、環境分析、油田、氣象、地震、社會科學、國家安全、人口發展、金融、市場等領域。


               

              圖3 工程科學建模與決策

              計算模擬的遠景。
               

              ?設計優化。計算模擬是工程設計優化的極好工具,產品設計優化的目標不僅是單一的,要根據用戶需求,特別是可制造性、性能魯棒性和低成本,計算模擬都可以通過參數變量達到目標的優化結果。我們要在復雜的多因素設計環境中找出優化設計的基本認識,這在傳統設計中不易做到,以模擬為基礎的優化設計方法將會使產品設計水平空前提高。

              ?醫學應用。計算模擬增加了對疾病病例和治療的認識,改進了治療技術,從生物學領域對基因和蛋白質的模擬發展到生物系統細胞、組織和血管的模擬。

              ?數字城市和數字城市系統。

              ?空氣污染保護;

              ?基礎設施優化;

              ?長周期環境影響預測;

              ?突發事件的響應優化;

              ?城市環境治安基礎設施優化。

              十五、集成計算材料工程

              集成計算材料工程是指將材料科學應用的計算工具,集成為一個系統并將其進一步集成到產品設計和制造過程,使設計者不再通過傳統試制產品的方式來優化產品的性能。集成計算材料工程能縮短產品設計和工藝開發的周期及降低成本,改進材料和工藝,延長產品壽命,最終以快速響應市場需求變化方面具有巨大的潛力,是提高國家制造產業競爭力的創新途徑。

              集成計算材料工程也是信息科學的重要組成部分,材料信息包括:專人管理和維護的數據系統;結構—性能模擬;工藝與結構的關系;物理數據;熱力學、動力學和結構;微觀結構性能模擬;材料數據庫;成本分析。

              十六、賽博科學與工程

              賽博科學與工程(Cyber Science and Engineering) CS&E,指運用賽博基礎設施的計算科學與工程??茖W是求知識的事業,工程則是為滿足人類需要而對科學進行創新性的應用??茖W的支柱——即獲取知識的方法有兩個,分別是理論(為解釋物理現實提出的假設)和實驗(通過人的感知或運用工具觀察所獲得的知識)。賽博計算科學與工程是通過計算方法與系統(通常硬件、軟件和網絡等)來實現科學與工程。計算科學通過計算機建模和模擬,使其理論得到擴展,由應用數學、計算機科學和所有核心的科學與工程領域(包括基于數據觀測的科學與工程,統計學的交叉而發展起來的智能和技術科學),致力于計算方法和系統在科學發現和工程創新中的發展與運用。

              十七、創新設計的知識管理

              設計師的培養以深厚的知識為基礎,在當今信息時代,設計知識的信息量極大,要使設計師們方便快捷地利用本專業領域的科學技術知識,就要將分散在不同來源的知識集中起來。為設計師在設計特定任務時能盡快的掌握方法,需要將各種優秀設計案例和各行業專家、大師的隱性知識盡可能顯性化,從而對各種講課交流討論的設計知識達到集成共享,獲得更多的思維激發。因此,在一定的領域內建立專業的知識管理系統很有必要。

              建設知識管理系統的內容:建立設計知識庫;根據目標設計的產品特性,搜索匹配相似的設計案例、規范、標準、專利;沉淀多種設計案例,專利信息,設計人員可在門戶網站,工作平臺上找到與目標設計相似的設計案例。

              其中,設計知識庫的內容還可以包括:

              知識倉庫;

              知識地圖(指什么知識到什么地方去找,包括專家信息);

              創新創意知識;

              專家網絡;

              專家知識顯性化;

              創意孵化平臺;

              學習培訓教材 E-learning;

              協作交流文檔;

              知識傳承方法論;

              知識文化建設。

              知識管理的硬件平臺為:計算機平臺和中心;通信網絡;數據存儲;數字圖書館;為專業設計應用的知識中心。

              “知識管理”的目標是為廣大專業設計師提供知識產品和服務,它是賽博基礎設施的一部分,為設計師開展自主創新設計提供快捷、時尚的共享關鍵知識,可大大提高設計師的創新設計能力。

              十八、綠色設計和可持續制造

              制造業所消耗的能源占全球能源消耗的33%,二氧化碳的直接和間接排放占38%,因此,提倡和發展綠色產品和服務的設計,關心可持續的制造技術是創新設計當前和長遠的發展方向。

              綠色設計是一個重大的課題,它影響環境、經濟和社會。一些重大的頂層問題和政策,需要政府、企業和社會共同設計,加強規范來解決。這里僅提及設計和制造的技術方面的內容。

              1.產品可持續壽命周期和制造系統的設計,關系到產品的性能和質量、服務制造過程,制造工人和使用者的安全。

              2.設計中有限資源的應用和管理,材料的再利用優化,工程材料(碳氧燃料、金屬和聚合物)消耗的降低。

              3.設計考慮全壽命周期EOF(End of Life)是指產品和服務的設計、生產、使用、維修、報廢和產品的最終處理。設計師在設計過程中要考慮壽命周期影響(LCA)、最終價值最大化和產品壽命期管理(PLM)。

              4.商業模式的創新和優化,調節或管理。產品流通過程的資源節約,成本降低,社會消耗合理,環境影響和社會性能的可持續發展。

              具體的綠色設計技術有:

              ?制造的增量成型工藝開發;

              ?綠色制造過程數據管理;

              ?為供應鏈改進的集成后勤工具;

              ?質量控制嵌入制造過程,為“零缺陷”產品生產創造條件;

              ?材料再利用的優化設計;

              ?替代燃料和原材料的資源回收;

              ?再制造技術的推廣;

              ?實時的產品壽命期評估;

              ?產品壽命期管理為基礎的價格分析;

              ?可持續維修理念(含再制造、可分解產品結構等);

              ?可預測的維修技術;

              ?制造過程的綠色控制;

              ?綠色的包裝設計技術(初級、次級和運輸包裝設計);

              ?電子產品綠色優化設計 。

              十九、智能設計與制造(案例)

              2013漢諾威工博會展出的“集成工業”(Integrated Industry)值得我們關注,它是智能制造的重要案例,由博世力士樂公司開發的開放核心工程贏得了2013年赫爾墨斯獎。開放核心工程是一項軟件解決方案,它通過提供開放的標準、軟件工具、功能包和開放的內核接口等將迄今為止的各自獨立的可編程控制器和IT世界在一定范圍內連接在了一起,經典的基于PLC工程因此有了與高級編程語言相結合的可能性。工程師可以首次用多種通用的編程語言來創建新的軟體功能,可以直接訪問控制引擎。對于目前尋求的機器與IT世界聯網而言,這是一個必不可少的先決條件。此外,其創新功能還包括應用程序可以在外部設備和智能手機上運行。這些智能設備上的本地應用程序不僅能讀取數據,還可以寫數據到控制器上。人們將因此可以用智能手機和平板電腦編寫自己的應用程序,并把它無縫集成到自動化生產線中,通過開放核心工程,機器制造商可以明顯加快機器調試和診斷,并建立全新的用戶界面。

              另一個展出項目,用云計算基礎上的M2M解決方案的網關DE7000則可以讓用戶建立一個自動化設備和移動網絡之間的無線連接。各種數據包括來自傳感器、儀表的數字和模擬信號以及PLC現場總線的數據,都可以通過移動網絡(或者說是互聯網)送到云中存儲。在某種意義上,這個設備可以把自動化技術(傳感器和執行器)、IT(互聯網和云服務)和移動網絡全部連在一起,從而使數據無處不在,這就是智能制造很好的案例(科技日報2013年4月9日報道)

              “集成工業”通過將各個生產單元全面聯網實現生產力的大幅提升。生產過程中,機器與機器、機器與工件之間的互聯可以使得生產設備按照不斷變化的需求執行自我調整,從而降低能耗和提高生產率。通過“集成工業”技術,將實現新的生產結構,生產力有望因此提升高達30%。

              二十、創新設計人才的培養

              設計人才培養的基本要求是知識、技能與解決問題的能力。

              設計是一種行動過程和理解的過程,設計的能力要素是知識,設計方法和設計過程的設計。

              對創新設計專業的學生培養要求按KSAO方法符合前述的基本要求:

              K——本科生基礎知識(創新設計課程、工程設計知識課程、建筑學和其他課程);

              S——計算機運用技能,三維CAD、CAE建模與模擬,應用軟件及軟件開發;

              A——設計管理,項目(或課題)管理,團隊合作;

              O——對創新思維的內在興趣和熱忱的培養。

              二十一、STEM教育

              美國很早就提出對大學生、中小學生進行STEM(即科學、技術、工程和數學)教育,2012年由提出“追求卓越”計劃:再培養100萬名STEM專業的大學畢業生。

              美國認為,STEM教育決定美國是否能夠繼續保持世界領先地位,以及解決面臨的能源、健康、環境保護、國家安全的巨大挑戰問題。

              STEM教育就是要培養具有跨學科知識水平的學生,而不是單一學科的專業研究人員,新型STEM人才要學習的學科知識應包括項目管理與領導者交流信息的能力,在團隊中如何管理工作,具有較廣泛的專門知識去處理復雜的跨學科問題。

              STEM培養的人才,不僅要掌握專業所需的(傳統的)基礎科學和技術概念,更要掌握當前前沿發展的相關科學知識和新技術原理及應用,以及高性能計算技術,還要求培養了解經濟、商貿、人類心理特性和當前國家政策和市場動態。

              STEM培養掌握的人才必須超越傳統科學學科,向擴大視野的“以項目為基礎”課題和跨學科合作項目課題所要求的方向去努力邁進。

              具體的教育方法,首先是培養一批STEM教育的教師。

              在K12教育(指小學到中學12年教育)中引入STEM教育初級課程,從高中、大學前兩年教育貫徹STEM教育方法。

              提倡學校用探索性研究課程代替標準的實驗課程。教師需采用循證教育方法,培養以實證導向型教育實踐方法。

              與傳統的一味講課相比,鼓勵學生主動學習,讓學生對知識記憶更加深刻,可以提高批判性思維能力,這正是創新設計學生需要的。

              STEM教育采用研究式課程,使個人在課堂環境中開展科研項目和取得研究“發現”,讓學生真實體驗STEM教育改善學習效果,增加學生在教師研究實驗室進行研究和設計的機會。

              大學水平的教學技能以掌握計算機能力為主,在進入大學時需學習這些技能。

              目前面臨的挑戰是學生數學技能的不足,而計算數學知識是新時代科技發展的重要工具和手段,學好用好這門學科也是最有前景的機遇。應該從低年級開始培養學生對計算機、軟件、算法數學應用打好基礎。為此美國有一項計劃是在全國招聘10萬名中學數學教師,為STEM人才進入大學打好基礎。

              高中生暑期和其他預備課程幫助學生順利進入大學,為大學生二年級以前提供補習性課程,包括依賴于計算機技術的方法,聘用其他應用數學密集型學科(包括物理,工程學,計算機科學)的教師。

              建立教育部門和企業之間的伙伴關系,由企業支持STEM教育計劃(包括經費、學生實習、用人招聘需求等)。

              美國認為所有的美國人都需要STEM知識,STEM的教育理念在所有美國人的生活中發揮著重要作用,并且其作用正日益加強。他們認為,在一個民主社會中,如果許多公民對科學和技術進步不熟悉或不適應,那么這個社會將在全球化競爭中很可能處于經濟劣勢地位。

              能勝任STEM領域的工作人員隊伍正在不斷壯大,例如醫生、護士和其他醫療工作者以及先進制造業的專業人才,通常并未歸入STEM人才,但他們需要大量運用STEM知識和技能。

              STEM教育的主題,廣泛適用于學術界、產業界和政府領導、教師以及學生。

              追求卓越(Engage to Excellent)適用于這些群體的個人。

              需要說明的一點是,STEM教育計劃在美國推行了多年,但成效并不理想,因為要將STEM專業變為一個“學科”,困難比較大,但有一點是明確的:美國企業界、政府對這樣的人才需求是十分迫切的,所以一直在各種場合進行宣傳和推行。

              STEM專業畢業生的人才要求與我們討論的創新設計高級人才教育的方向是一致的,特別是跨學科研究方向和以項目為基礎的團隊,如何從在校大學生開始就參與設計實踐的教育方法。我們可以借鑒其教育方法,培養具有先進科學知識和先進技術,發展眼光的領導型、創新型人才,進一步帶動創新設計大學生和研究生走向未來。

              主要參考文獻:

              1.The Evolution of Useful Things  Henry Petroski (1992)

              2.The Science of The Artificial  Herbert A. Simon (1982)

              3.IMS 2020

              4.Report on the NSF workshop on Interdisciplinary Graduate Design Programs (2008,NSF,USA)  

              徐志磊院士簡介

              徐志磊,男,浙江省寧波市鄞州區人,1930年8月2日出生,1952年6月畢業于上海大同大學機械系。1953年2月至1963年8月,在上海機床廠任工程師、設計組長、主任設計師等職。1963年8月調第二機械工業部第九研究院,歷任設計部核裝置設計室副組長、組長、八所核裝置設計室主任、總體部副總工程師、院副總工程師、總工程師、研究員、戰略武器型號總設計師等職。

              1986年被評為國家級有突出貢獻的中青年專家。1989年獲國家科技進步二等獎,1987、1989年兩次獲國家科技進步獎特等獎,1996年獲首屆中國工程科技獎。

              現任中國工程物理研究院研究員。

              2001年11月當選為中國工程院機械與運載工程學部院士。


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