工业设计创新人才培养的需求及仿生学运用

尹维 刘慧薇 杨铎

[摘 要] 致天下之治者在人才，人才是衡量一个国家综合国力的重要指标。对原始创新、技术创新需求强烈的今天，创新人才的培养更加迫切。随着我国轨道交通装备、大飞机等高端装备和工业机器人等智能制造产业的飞速发展，对工业设计人才的需求日益凸显。生物经过亿万年的进化，形成了诸多优异的功能、结构、色彩等，为工业设计提供了不竭的创新动力与源泉。通过工业设计专业创新人才培养的需求，并引入仿生学理论和方法提升人才培养质量，对工业设计专业创新人才培养提供参考。

[关键词] 工业设计;人才培养;仿生学;创新

[基金项目] 2015年度国家自然基金项目“木材气体保护摩擦焊接机理与工艺的实验研究”（51505248）;2019年度天津职业技术师范大学科研发展基金项目“信息化背景下当代认知心理学在教与学中的应用探索——以‘工业设计机械基础课程为例”（SK1903）;2013年度天津职业技术师范大学科研发展基金项目“3D打印技术在产品快速开发中的应用研究”（KJ13-09）

[作者简介] 尹 维（1983—），男，吉林德惠人，工学博士，天津职业技术师范大学机械工程学院高级工程师，主要从事仿生设计研究;刘慧薇（1981—），女，河南太康人，工学硕士，天津职业技术师范大学机械工程学院副教授，主要从事人机工程研究;杨 铎（1986—），女，河北遵化人，工学硕士，天津职业技术师范大学机械工程学院助理工程师，主要从事工业设计研究。

[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）42-0177-04   [收稿日期] 2021-03-28

目前我国是世界上为数不多的制造业大国，但还不是制造业强国。为实现中国制造高质量发展的目标，工业设计承担着重任。工业设计指以工学、美学、经济学为基础对工业产品进行设计，是一门技术与艺术相结合的学科。工业设计是机械产品的重要组成部分，是实现机械产品的实用性和宜人性的重要途径之一。目前，我国已经形成了庞大的工业设计或产品设计教育体系，但是，我国工业设计创新还存在一些不足，主要表现之一就是缺乏创新人才。工业设计专业大多学生的创新能力还不足，实践经验较少，其就业质量还不高。当然，这与课程设置、教师队伍建设、平台建设密切相关。工业设计专业具有跨学科和综合性等特点，强调技术与艺术相互结合、工学知识与美学知识相互渗透和融合。如何打破传统思维模式，进行機械学、材料学、力学和美学等多学科知识和实践进行融合，培养出适应时代发展的创新人才是我国工业设计专业人才培养的重要课题[1]。

2019年印发的《中国教育现代化2035》提出“加强创新人才特别是拔尖创新人才的培养，加大应用型、复合型、技术技能型人才培养比重”。2019—2025年中国工业设计行业市场发展战略研究报告也显示，工业设计创新人才培养，应具有整合、优化和创新的能力[2]，必须探索跨学科、复合型专业人才的培养模式[3，4]。仿生学是一门综合性边缘学科，在20世纪60年代仿生学作为一门学科正式出现。仿生学具有交叉、融合的特征，在机械、材料、医学和农业等学科领域已经得到广泛的运用。随着科技的高速发展，仿生学已发展成为以产业为基础、以需求为导向、以创新为引领的多学科相互渗透、彼此融合的新型交叉学科[5，6]。在工程技术领域，仿生学因其原始创新性在科技创新中的作用凸显，被誉为“新世纪科学研究的热点，原始创新永恒的不竭动力与源泉”[7]。

仿生学的快速发展，为工业设计提供了更大的创新空间。比如，形态仿生、表面形貌仿生、材料结构仿生、功能仿生和分子仿生等。仿生学因其交叉性的特点，有其不同的研究内容和研究方法，因此，仿生学在工业设计专业创新人才培养的方式方法也与传统的教学方式有所区别。然而，仿生学在工业设计专业创新人才培养中，却存在着理念滞后。创新不是拍脑袋乱想，必须以实践为基础，尊重和遵循科学规律。以现有产品为依据，以实际需求为导向，通过借鉴自然界本身就存在的生物或现象，再对其进行改进提升，使其功能性、实用性的匹配更加符合科技的发展。借鉴生物学的优点进行再创造，是工业设计创新人才的培养的不竭动力。

一、仿生学应用于工业设计专业人才培养的需求分析

（一）人民对美好生活的向往对工业设计创新人才的需求

目前，我国社会主要矛盾已经转化为人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾。已经从“物质文化需要”发展到“美好生活需要”。随之而来的是，工业设计的目的已经从单一的满足功能需求，逐步增加了对精神文明的需求，对审美的需求、舒适性的需求越来越多[8]。

随着我国生产力的快速发展，人民生活水平的不断提高，对工作环境、居住环境、出行环境等提出了新的更高要求。相关的家用电器、交通工具、生产设备、检测仪器等，不简单是功能的实现，更需要舒适性的提高，更需要美学的融入。这对新时代工业创新人才的培养提出了新课题。

现代的工业设计往往被人称为“功能主义设计”，要求以人为本，以人的使用功能为主，而人类作为自然界的一员同样应符合自然规律与自然形态。未来的工业设计将不仅仅从功能性出发，随着人类物质社会发展越来越丰富，产品单一的功能性已经无法满足人类的需求，在未来的设计中也会从更多的角度与方向进行延展与扩充，设计师通过功能、形态和色彩上的仿生来设计出既符合大众使用习惯，又能够满足人们审美、精神需求的全新设计产品。

（二）新材料、新工艺、新技术发展对工业设计创新人才的需求

技术进步成为经济增长的核心动力，从农业经济时代到工业经济时代，再到知识经济时代，技术进步对经济的贡献率越来越高。产业结构发生深刻变化，以人才和创新能力为动力的高新技术产业成为知识经济时代的支柱产业。处于什么样的经济发展阶段，就需要什么样的人才结构、知识结构、学科构成与经济发展相适应[9]。随着智能制造业的快速发展，工业机器人、3D打印、大数据等新兴产业快速发展壮大，对工业设计理念提出了新的要求，对工业设计学科创新人才培养提出了更高的要求。同时，新材料、新技术、新工艺不断涌现，对工业设计的创新提供了新的方法和技术支持。

（三）高端装备发展工业设计创新人才培养的需求

随着中国制造“2025”全面的、深入的实施背景下，工业设计发展迎来重大机遇，对创新型人才的培养，尤其是具有重要的基础性的工业设计专业人才的培养，提出了新的更高要求，需要在战略层面去重视[ 10 ]。工业设计要推进技术转移和科技进步以“定义需求、引领消费、创造市场”。近年来，虽然工业设计专业人才培养有了进一步提高，但要想跟上工业发展的步伐，仍存在一些不容忽视的问题。主要问题之一是培养理念的创新不够，一是教学改革和创新还不能适应工业设计专业发展的需求;二是智能制造、工匠精神还没有与人才培养有机结合，只重视理论教学、技术教学，缺乏职业精神和创新能力的培养。严重制约了工业设计专业创新人才的培养的科学性和战略性。

二、工业设计专业创新人才培养的仿生学运用

从工程技术方面来看，仿生学是根据对生物系统的研究，为设计和建造新的技术设备提供了新原理、新方法和新途径。将仿生学应用到工业设计人才培养中，两者相结合，从而培养出优秀的创新人才，使其创造出更多符合现代社会生活需求的高质量产品。但是，仿生学运用到工业设计人才培养过程中，不仅是简单的形态模仿、结构模仿和颜色模仿等，更要注意仿生学是一门科学技术，它的科学性、系统性、基础性、应用性和趣味性等特性在教育教学内容中要尤其体现。

（一）注重仿生学的科学性

现阶段许多设计人员在运用仿生设计方法时，由于缺乏对仿生原理深入的了解，知其然不知其所以然，致使设计人员设计思路较为狭隘。无论是仿生学还是工业设计专业，都是以应用为基础，但其也是科学，也要考虑其基本的原理、规律。仿生学基本原理包括需求性原理、模本原理、相似性原理、可实现性原理、比较优化原理等。仿生学的研究方法包括理论分析法、计算机仿真法、相似模拟法、试验优化法等。例如，在模仿生物的外部形态时，若单纯地模仿生物外部形态，无法使产品的外部形态具有美学特点，还会影响到产品的正常使用。汽车、高速列车和工业机器人等的仿生设计时，应合理、有效地提取生物外形特点，然后利用三维建模或逆向工程等方法建立三维几何模型或数学模型，并进行模型优化，使其体现出现代美学的特点，并且为其融入更多的减阻、降噪、感知和运动等功能，必要情况下，还需进行功能性和可靠性的仿真分析和试验测试分析，为用户提供便利、舒适的环境。在人才培养过程中，应注重生物功能实现的基本原理，功能优化的方法、原理，才能更好地进行工业产品的创新设计。

（二）突出仿生学的系统性

在工业设计领域应用仿生设计时，由于设计人员未能理解和掌握仿生设计方法，致使具象仿生、抽象仿生等方法未能获得良好的应用效果，导致工业设计产品只能模仿外型，未能使产品具备仿生功能，从而失去工业产品的应用价值，无法提高工业产品的实用性能力。仿生学研究的过程一般包括需求分析→生物原型→建模→原理→样品/样机→产品。许多设计人员的设计思维局限在模仿动植物的外型上，只注重外型模仿，未能使产品具备动植物的仿生功能。功能性仿生设计过程中，需要了解生物本身的特点以及生物功能实现的条件，需要大量的仿真或实验测试数据的支撑。工业设计创新人才培养过程中，重要的是要建立仿生学设计的系统性方法。第一，对实际工程需求进行深入细致的调研和分析，准确了解功能需求、性能要求和应用场景等;第二，应注意生物原型的特性、功能的提取，及其与实际需求的特点间的关联性;第三，对所提取的生物原型进行建模，包括物理模型、数学模型、分子模型等仿生模型;第四，通过模拟仿真或实验研究其相关功能、性能实现的原理;第五，在一系列模拟仿真或实验研究的基础上，进行原理样机/样品的试制;第六，形成在原理上、方法上或技术上等具有原始创新的工业新产品。可以说，没有系统性的考虑，仿生设计的工业产品是不完美的。

（三）仿生学运用的基础性

仿生学涉及生物学、材料学、机械学、物理学、美学、哲学等基础学科，人才培养过程中，应注意基础学科知识的传授。生物个体或群体的生存环境、生活仿生和进化特点等是其功能特性、美学特性实现的基础;新材料、新工艺、新技术是实现仿生设计产品的经济性、可靠性的基础;结构力学、流体力学、光学和生物学等是理解生物功能、原理的基础。没有扎实的基础学科知识的保障，对相关的关键科学与技术问题掌握不准确，很难出现经典的、颠覆性的仿生创新设计的引领行业甚至引领世界的工业产品。

（四）仿生学的工程应用性

工业设计专业的特殊性，决定了设计人才培养应更重视应用性。同时，仿生学是一门以应用为基础的交叉学科。人才培养中，应时刻注意应用性的学科特点。从这个角度讲，实践不仅仅是学习经验提升技能的有效方式，更是高校培養高素质创新型人才的有效途径。传统的工业设计专业人才培养过程中，虽然开设了艺术表达、机械相关的课程，但是出现了同质化的现象，学生在设计表达的技法以及产品风格的把握上处于思维定势，忽视了对学生的实践能力和创新能力的培养。在工业设计人才培养过程中，引导学生发现问题、思考问题，运用仿生学理论和方法转换思维模式、实现创新并解决问题，影响学生知识结构及层次的提升，有效培养学生的创新工程实践能力。

（五）仿生学案例的趣味性

鹰击长空、鱼翔浅底、莲之出淤泥而不染、候鸟万里年年飞，仿生学的研究内容极其广泛，无论是宏观的还是微观的，整体的还是局部的，只要生物系统比技术系统有明显的优势，就值得向生物学习，这都是仿生学研究的内容。因此说，生物经过亿万年进化出来的优点千奇百怪、趣味横生。仿生学在工业设计专业创新人才的培养过程中，要注重学术兴趣的培养，注重身临其境、引人思考。生活用品、生产工具、交通工具、玩具等，增加生物学形态、结构、色彩，也增加了产品的趣味性。仿生产品本身具有趣味性，能够活跃课堂。

工业设计需要积累经验，更需要创新为支撑。仿生学是工业设计新理念的源泉，在工业设计过程中适当地融入仿生学设计的理念，跳出以模仿改良为主的设计模式，以市场需求为导向，充分发挥经过亿万年进化优化的生物学功能，促进现代工业设计专业创新人才培养的新发展，为我国经济的高质量发展和产业转型升级增添动力。

三、结语

在新技术引领的经济变革中，工业设计专业人才培养面临着多重考验，除了建构学生的专业知识体系，还要培养学生的综合素质。以满足人民对美好生活的向往为动力，以新材料、新技术、新工艺等高新产业和高端装备的发展为契机，以市场为导向，以产品为基础，引入仿生学理论和方法，注重仿生学的科学性、系统性、基础性、应用性和趣味性等特性，促进工业设计专业人才培养的持续发展，为社会经济的发展培养有创新精神、创新能力的人才。

参考文献

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[4]顾炎辉.工业设计专业创新工作室教育改革研究[J].工业设计，2020（12）：34-35.

[5]李秀娟，张志辉，邹猛，等.需求视角下的交叉仿生学科及专业设立必要性分析[J].高等工程教育研究，2019（2）：46

-49+72.

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[10]孙晓枫，赵莹，周淼，等.新工科背景下工业设计专业人才培养模式改革研究[J].教育教学论坛，2019（37）：111

-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