基于设计思维的应用型工科专业实验项目创新设计与实践

王栋 韩变枝

摘  要：针对传统工科专业优势弱化、实验项目创新性不足等问题，分析了实验项目创新设计的必要性，从思维层面引入设计思维理念，以设计思维具体实施步骤，构建基于设计思维的实验项目创新设计模式，并进行应用实践。结果表明，该模式能够有效解决实验项目的现实问题，提升教学效果，对探索传统工科专业实践教学改革的实施路径，实现创新型人才培养目标具有重要意义。

关键词：实验项目;设计思维;创新设计;教学实践

中图分类号：G640       文献标志码：A          文章编号：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

面對创新驱动发展国家战略的稳步推进，人才供需发生着深刻变化。我国高等教育积极应对，大力推进人才供给侧改革，指导各院校建立面向生产实际紧缺的新型工程应用技术人才培养机制，以适应产业升级和经济发展对人才培养质量的要求[1]。传统工科专业积累了丰富的教学经验和办学特色，形成了明显的比较优势，但在新经济、新技术、新产业蓬勃发展中，对社会需求的敏锐反应能力不强，人才培养模式相对固化，专业建设进展缓慢，导致传统优势有所弱化，主要表现在传统教学手段与方法仍然占据主要地位，学生的实践锻炼和能力培养未能引起足够重视，创新性实践教学环节缺乏。各院校积极探索传统工科专业转型升级新路径，持续改革教学内容，创新教学方法，以适应未来技术需求、引领行业发展的创新人才的培养。应用型人才培养已经成为了地方高校人才培养的主要目标，更加重视实践锻炼和解决实际问题的能力培养[2]。向应用型转变要求按照工学结合、知行合一，加强实验室建设，根据现实生产技术和工艺流程重构知识体系、实践体系和环境[3]。新工科建设要求全面落实“学生中心、产出导向、持续改进”的工程教育理念，着力提升学生解决复杂工程问题的能力，注重综合性、设计性项目训练[4]。全面深化教育教学改革要求立足于经济社会发展需求和人才培养目标，围绕激发学生学习兴趣和潜能，加强课程体系整体设计，提升学业挑战度，引导学生深思考、勤实践，激励学生刻苦学习[5]。传统教学主要以教师讲授理论知识，以验证性实验巩固学生所学知识，实验项目单一，流程固化，缺少综合性、设计性项目训练，学生的学习兴趣不高，能力培养成为教改瓶颈。“学与教”的变革是高等学校内涵建设的关键任务，是难点也是重点，应从思维层面创新，不能仅仅关注教学方式改革和工具使用。解决复杂问题取决于思维创新。设计思维作为一种方法，可以帮助教师充分利用现有的教学条件，设定并分析教学实践存在的问题，制定优化解决方案并解决问题，为教师提供一套系统的教学改革创新模型。

一、实验项目创新设计的必要性

（一）实验项目设计

实验教学的真实意义在于通过教师引导设计丰富有趣的实验项目，学生亲身经历，主动探索研究，激发学习兴趣，提高学习成效。通过实验活动，学生学会正确的学习方法，培养科学思维、动手操作、总结归纳、团队合作以及交流沟通等方面的能力，以及全面提高实事求是、严谨细致的科学素养。但现实实验教学受到时间短、活动范围小、材料等方面制约，教师干预较多，实验项目缺乏有效设计，导致实验项目程式固化、枯燥且更新率低，学生失去自主、合作和探究的学习兴趣。“问学生志趣变方法”的新工科建设理念要求必须根据学生志趣调整教育教学的方式方法[6]。两性一度的“金课”建设标准要求实验项目的设计应与工程实际或科研成果的紧密结合，应用型人才培养更应体现实践性。因此，创新实验项目设计是实践育人的必然要求，也是深化教学改革的重要途径。

信息技术的应用，以用户为中心、用户体验为核心的创新设计模式正在形成。创新是设计的本质要求，也是时代的要求。创新就要充分考虑高度契合用户需求，便于技术实现和推广。实验项目创新设计就是要以学生为中心，关注人才培养需求，并形成一定的应用模式。

（二）设计思维

美国管理学家HerbertA Simon提出设计思维概念，鼓励从需求出发定义问题，运用已经掌握的知识和技能，设计解决方案的新思路，不断迭代改进，直至形成创新作品，主要特征是以人为本，具有创新性、可视性和迭代性[7]。随着设计思维作为一种方法论面向大众推广，受到国内外高校广泛关注，并取得一定应用成果[8]。设计思维应用于教学改革，期望能够获得三方面的成效，一是为教师提供一种教改思维方式;二是能够帮助教师创新教学设计，教学效果有较大提升;三是能够促进学生思维能力的发展。设计思维具体实施过程可以划分五个步骤：

洞察：通过换位思考，从用户角度深度感知，确保产品符合用户需求。

定义：将混乱、无序的感知信息进行整合，使其形成可操作的问题。

创意：针对可操作性问题尽可能多地提出想法。

原型：利用已有知识、技能、工具及材料创建解决问题的方案。

测试：模拟环境测试，验证问题是否解决，迭代修改，直至用户体验达到最佳。

（三）设计思维与创新设计

设计思维所强调的洞察需求、迭代改进为创新设计提供了思维和方法支撑，使得创新设计思路清晰。设计思维的原型构建，将想法转化为现实，促进作品实现。设计思维与创新设计从基础层面就开始注重联系实际，解决现实问题，强调培养学生的思维能力，具有相同的教育理念。因此，设计思维这种方法可以与创新设计有机结合，成为实验项目设计与开发的新模式。

二、实验项目创新设计

（一）实验项目创新设计的原则

应用型人才培养强调知识的综合运用，核心是专业技能，并具备解决生产现实问题的创新思维和创新能力。实验项目的创新设计首先应基于综合实践能力的培养要求，实验项目设计包括专业知识学习、实验操作、创新环节等内容。实验项目应源于生产实际和科研成果，实现产学研高度融合，使项目具有挑战性。应创建“动静结合、虚实结合、局部与整体结合”的特色实践与创新教学平台，实现实验内容的延伸[9]。

（二）基于设计思维的实验项目创新设计要求

实验项目创新设计要提出具有多学科知识综合的真实情境问题，能够引领学生思考及探究，不仅要结合学生现有知识技能、兴趣爱好和社会经验，洞察培养需求，也有助于增强学生对于技术情感、态度和责任的认识和理解。要以人才培养需求为核心，注重人本主义，即培养学生的同理心，通过角色扮演深度体验项目情境。使用思维导图、同理心地图、用户旅程和清单等可视化工具，通过头脑风暴等方式，集思广益，融合思路，充分讨论解决方法，优选具有创新且可行的方案。结果评价应注重方法引导、精神鼓励和能力提升等方面，不仅要对原理知识的理解、基本技术技能的掌握进行评价，也要对同理心能力、协作能力、交流表达能力等方面进行评价。

（三）实验项目设计流程

以设计思维为方法指导，构建实验项目创新设计新模式，具体有设计、实施和评价三个阶段，如图1所示。

1. 项目设计

实验项目设计是实践教学环节的基础，也是实践教学能否实现教学目标的关键。项目设计包含拟定问题、开展活动、所需的资源以及结果评价等内容。为使项目设计具有科学性、驱动性和挑战性，选聘教学和实践经验丰富的教师，组成项目指导团队，以访谈会、论坛、媒体等渠道，收集学生共同关注的现实话题，按相应学科筛选拟定项目问题。实验内容主要包含实验目标、驱动性问题和项目设计，实验目标除常规学习目标外，还要有批判思维、交流沟通、团队合作和信息素养等方面的目标。好的项目问题能激发学生的学习兴趣，由被动转变为主动，促进学生深度思考，能够引导学生完成实验任务，锻炼实践能力。

2. 项目实施

项目实施过程有洞察需求、拟设问题、制定方案和呈现原型，如图2所示。实施过程中，学生在各个环节的活动表现，指导教师要及時记录和评价。

（1）洞察需求，体验项目

教师拟设一个能激发学生学习兴趣的现实场景，引导学生完成真实体验，从而提出一个与现实紧密契合的关键问题。学生分组交流，画出同理心地图，激发灵感，初步形成问题解决的思路。

（2）信息整合，定义项目

学生利用便利贴、白板等可视化工具，将体验信息进行整合，形成可操作性问题，以此形成可行性方案。

（3）创意构思，制定方案

小组成员进行头脑风暴，尽可能多地把创意想法都展示出来。充分讨论，结合成本、工具、资源等因素，筛选出最优方案，将所需知识、技能、材料工具以及完成时间等清单罗列出来，形成方案报告以及项目进程地图。

（4）原型制作，测试迭代

学生通过模拟仿真、手工等方式制作作品，以用户视角体验，重复“制作-测试-改进”过程，持续完善作品。教师进行技术指导和帮助，促进学生深度思考。

3. 评价

开展项目评价、作品展示和应用推广，能够提升交流表达能力，鼓励学生保持学习兴趣，使其有成就感，也能及时发现不足，实现作品的持续改进。

（1）多重评价，持续改进

教师引导学生开展自评、组内评价和组间评价，依据过程记录对学生进行评价，并组织项目团队和用户进行评价。评价内容既包括创意、方案、原型外观和性能体验，也包括工作态度、知识技能掌握、工作完成情况及综合能力等。

（2）展示交流，作品推广

小组选派代表进行汇报答辩，汇报实施过程，阐述具体思路、应用原理、优化方案、作品制作、实现的功能与创新点，并针对用户提出的问题进行答辩。通过制作小视频，在校园信息化平台展示、参加学科竞赛等，以他人视角评价作品的优点与不足，同时进行复盘反思，总结经验。通过展示交流活动，提升学生的交流表达能力和批判性思维能力。通过作品的应用推广，肯定学生的成果和努力，增强学习获得感与成就感。

三、应用实践

本文以电气控制与PLC应用技术课程“顺控图设计实验项目”为例，进行创新设计及应用。

（一）实验项目设计

指导教师团队选取“高效的电梯控制系统设计”为主题，见表1。

（二）项目实施

学生从开始参与“高效的电梯控制系统设计”项目，到实验项目完成并展示，历时2周，实际占用4个学时，见表2。

（三）项目评价

在“高效的电梯控制系统设计”项目中，多元化评价学生的学习成果，具体内容见表3。

（四）实施效果

在“高效的电梯控制系统设计”实验项目设计过程中，不仅展示了学生的专业理论知识、材料、工具和信息技术的综合运用，锻炼了学生的动手实践能力和交流合作能力，最终作品的成型也充分展示了学生的科学思维能力以及解决问题的能力，得到了教师团队和同学们的认可，也获得了用户的好评。以实际问题为驱动，学生学会了PLC编程软件、限位开关选用和安装等内容，专业知识得到巩固，实践技能得到训练。学生普遍对这种学习方式有兴趣、有动力，愿意参与，而且学习效果非常好。小组合作锻炼了协作能力和团队意识，角色扮演用户体验推动了深度了解现实需求，头脑风暴促进了敢于表达，不断地测试迭代培养了精益求精的科学精神，作品推广增强了学习获得感与成就感。教师认为，这种教学方式能有效解决实验时间、空间和材料等方面的约束，学生参与度高，教学效果好。此外，学生初步掌握设计思维的本质内涵和实施步骤，学会一种解决问题的思考方式，也学会心理层面同理心地图分析方法，同时，学生的信息素养得到提升，如思维导图、办公软件、视频摄录和网页制作等工具的应用。

四、结束语

实践性是应用型人才培养的首要特征，实验项目是重要载体，实验项目的创新设计是深化教学改革的主要途径之一。设计思维从用户需求出发，利用现有资源，创造性地解决现实问题，与创新设计具有相同的教学理念，可以为教师提供一套系统的教学改革思维模型。以设计思维为指导，构建了“三段四步”实验项目创新设计新模式，并以PLC应用技术该门专业课程的“顺控图设计”实验为例，进行了新模式的应用，能够为实践教学的实验项目创新设计进一步研究和推进提供借鉴与参考。这也只是从项目设计到实施的一个框架，工科专业试验在应用过程中，可以根据需要进行适度变动和调整，针对具体教学情境持续改进，实现最佳效果。

参考文献：

[1]李厚忠.基于卓越教学视角的地方本科院校应用型人才培养[J].中国成人教育，2017（4）：76-78.

[2]王琦峰.面向应用型人才培养的信管专业ERP实验教学研究与实践[J].中国管理信息化，2010，13（5）：111-113.

[3]黄远林，周丽，李素霞.基于项目教学的应用型人才培养体系构建与实践——以地理信息科学专业为例[J].教育教学论坛，2019（22）：167-169.

[4]黄喜兵.基于OBE的土木工程专业生产实习质量保障[J].大学教育，2020（6）：72-74.

[5]中华人民共和国教育部.教育部关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见[Z].教高〔2018〕2号.

[6]張瑞杰，王珈琦，李伟.新工科战略下基于工业设计专业设计思维教学的革新[J].教育教学论坛，2020（28）：188-189.

[7]曹烔烔，陈蕊，董黎明，等.基于设计思维的项目式学习设计与实践研究[J].中国教育信息化，2020（13）：88-92.

[8]刘卓，相静，陶金元.设计思维在学科竞赛中的应用路径及实践简析——以视觉传达专业为例[J].湖南包装，2020，35（4）：143-146.

[9]吴金刚，郭兵兵，荆永滨.基于应用型人才培养需求的虚拟仿真实验项目开发[J].电脑与信息技术，2020，28（5）：53-55+74.