工科類工業設計專業“基礎力學”課程的地位和教學探索

摘要：當前工科類工業設計課程體系中去工科化的現象呈現上升趨勢，“基礎力學”作為專業基礎課，其學時不斷被縮減，甚至在課程體系中被去除，嚴重影響了合格工業設計人才的培養。從工業設計學科和力學學科的關系出發，討論了力學課程在工科工業設計課程體系中的地位和作用，認為“基礎力學”在整個工科工業設計課程體系中占有不可或缺的地位。同時針對目前的工科工業設計專業的實際情況，提出了其基礎力學教學應做到“課程興趣化，概念應用化，推導簡略化，計算簡單化”，著重于學生對基礎理論和基本概念的理解和應用。

關鍵詞：工業設計；基礎力學；人才培養；課程體系

作者簡介：樓力律（1973-），男，浙江湖州人，河海大學機電工程學院，講師。（江蘇 常州 213022）

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2012）28-0061-02

隨著科學技術的飛速發展，工業設計產業和工業設計教育近二十年來呈現迅猛上升的趨勢。我國先后有200多所高等院校開辦了工業設計專業，總體上形成了兩種專業培養路線，一是以產品造型、藝術設計為主線的藝術類培養模式，二是以機械設計、功能設計為主線的工科類培養模式。[1]然而，近幾年來，工科類培養模式由于本科教學課時量的縮減等因素，去工科化的情況越來越嚴重，工科類課程被邊緣化。作為工科類課程的專業基礎，力學課程在某些學校甚至從培養計劃中被去除。這種去工程化導致的結果是工業設計專業的畢業生很少有人畢業以后真正去從事工業設計。據上海“中國工業周”公布的數據顯示，我國近年來工業設計畢業生約有30％～40％流向包裝和商標設計，有40％～50％的人改行去搞裝潢、廣告、網頁設計。[2]這種情況與培養工業設計人才的初衷相去甚遠。“基礎力學”類課程在工業設計專業中被去除的主要原因無非是兩條：一是該課程在培養工業設計人才過程中“沒有用”；二是力學類課程太難，學生無法接受。本文試圖從工科類工業設計專業本科教學的現狀出發，討論基礎力學在工業設計學科中的地位，探討基礎力學在工業設計專業教育中的必要性；同時從教學方法入手，討論如何在短學時情況下有效地完成工業設計專業基礎力學的教學工作。

一、國內工科類工業設計專業教育的現狀

表1列舉了國內部分從屬于機械、航空航天、車輛工程或相近學科學院的工科類工業設計專業的培養計劃中開設的工程類課程和藝術類課程的課程學分數（包含必修課和限定選修課），給出了屬于基礎力學范疇課程的學分。

盡管統計數據樣本較少，但仍能夠從中看到一些問題。總體來說，藝術類課程在專業比重中均大于工科類課程。而開設基礎力學課程的學校，其工科類課程的比重相對要高一些。高校B甚至其工科類課程比重超過了藝術類課程。但是，一個明顯的事實是，藝術類課程仍然占據主導地位。事實上，從我國現行的工業設計教學體系來看，從20世紀70年代引進的包豪斯設計教學體系沿用至今，[3]其主體偏向藝術設計方向。工業設計專業是以產品造型為主體的綜合性較強的專業，它與純藝術造型的一個顯著區別在于它的對象是以使用功能為主的工業產品。因此工業設計師的知識結構應該是以藝術造型為主體，其他相關知識與能力為橫向支持的倒T形結構。[4]因此，偏重于藝術設計課程也是無可厚非的。那么是不是可以說，工業設計師就可以不需要了解產品的技術原理和生產工藝等工程技術·答案顯然是否定的。忽視基本工程原理的工業設計產品，無論其表面多么光鮮，仍然是一件失敗的作品，畢竟它不具有可用性。工業產品設計師對于產品技術方面的了解應包括產品的技術原理、材料與制造技術和工程設計原理等幾個部分，而技術原理部分包括機械與結構設計、車輛設計、固體力學、流體力學、自動化與控制以及不斷發展的各種新技術。[4]

二、“基礎力學”在工科類工業設計專業中的地位和作用

1.力學和工業設計的關系

目前被廣泛采用的定義是國際工業設計協會聯合會（ICSID）在1980年的巴黎年會上為工業設計下的修正定義：“就批量生產的工業產品而言，憑借訓練、技術知識、經驗及視覺感受而賦予材料、結構、形態、色彩、表面加工及裝飾以新的品質和資格，叫做工業設計。”[5]工業設計的首要目的，就是通過對產品的合理規劃，而使人們能更方便地使用它們，使其更好地發揮效力。所謂結構，是指產品中各種材料的相互連接和作用方式。如果把材料比喻成為產品的肌肉，那么結構就是產品的骨骼。而結構與形態的特點包括有序層次性和穩定性。有序層次性，指的是根據產品復雜程度不同，它的結構包括零件，組件，部件等的組合關系；穩定性，指的是產品零部件之間相互作用保持一種平衡的狀態，要充分考慮構件受力變形、膨脹、摩擦等干擾。結構的組合方式有光滑連接、剛接、鉸接等，不同材料的連接包括摩擦力連接、磁力、氣壓等等，產品造型設計中不僅需要考慮結構問題，還有很多機構問題，比如常見的平行四連桿機構、凸輪機構、折疊機構等等。不難發現，技術知識、材料、結構、形態、表面加工等關鍵字無一不和力學有關。即使是工業設計中的產品造型，也并不是單指外觀的形態和色彩等媒介所創造出來的視覺效果，它同時還包括機能形態，結構形態，美學形態。19世紀70年代美國芝加哥學派的代表人物沙利文提出“形式服從功能”，其原意就是在于首先要實現功能，其次才是形式。

力學是關于力、運動及其關系的科學。它為人類認識自然和生命現象、開拓工程設計提供理論和方法，是人類科學知識體系的重要組成部分，對科學技術發展具有重要的引領、支撐和推動作用。[6]復旦大學丁光宏教授認為，牛頓在創立經典力學的時候，所建立的還原論的研究方法是現代一切科學研究的基礎。也就是說現代一切成為科學研究的東西，它所用的方法都是力學的方法。錢學森曾經指出，“力學加計算機將成為21世紀工業設計的主要手段”。錢學森所指意為現代工業復雜的設計，都可以用基于力學原理的計算機模擬來實現。

從上面可以看出，力學和工業設計兩者本身之間存在著密不可分的關系，脫離力學原理的產品，只是一件沒有實用價值的藝術品甚至是一件危險品。2010年5月，廈門一女子在住處坐在電腦桌前的氣壓升降椅上，椅子卻突然爆炸。醫生在手術中，從該女子體內取出12塊碎片，其中包括鐵環、螺絲和大塑料塊等，觸目驚心。[7]圖1顯示的是爆炸后的椅座。不考慮力學原理而進行的設計造成的事故和損失不勝枚舉，這里不再贅述。

2.“基礎力學”在工科工業設計課程體系中的地位和作用

“基礎力學”是現代工程技術的重要理論基礎之一，是重要的技術基礎課。它在基礎課和專業課之間起著承前啟后的作用。通常工科類的工業設計專業都會開設機械設計基礎等工科專業課程。“機械設計基礎”課程中，需要用理論力學中點的合成運動和剛體平面運動的分析方法去分析“連桿機構”和“凸輪機構”等各種機構的復雜運動；要用靜、動平衡的概念去分析機構的平衡；要用材料力學的知識去分析齒輪、傳動軸、蝸輪蝸桿的受力和變形。“機械制造工藝學”課程中，需要考慮工藝系統的受力變形、殘余應力、機械加工中的振動等因素。由于缺乏必要的力學知識，孫遠波在其文中指出“多次發現工業設計學生在注塑件設計時用增加厚度的方法增加強度，而不是用加強筋的方法，這樣會造成材料的浪費和零件出模以后的嚴重變形”。[8]

工科類的本科生很多將會進一步進入研究生階段的學習。而我國目前開展工業設計研究生教學的學校相對較少，很多工業設計本科生轉向機械、電子、車輛、航空航天等專業攻讀碩士、博士學位。而在工科類研究生階段的學習，如果缺乏必要的本科基礎力學知識是不可想象的。工業設計的學生如果是在工廠或生產單位就業，缺乏必要的力學知識將使其在工作中捉襟見肘。河海大學2004到2006級這個階段的工業設計畢業生很多在和筆者的交流中，更是透露出能進一步加強力學知識學習的期望，甚至希望能學習到“彈性力學”、“流體力學”、“有限元”等較為復雜的力學課程。

由此可見，“基礎力學”在工科工業設計課程體系中是一種橋梁和紐帶的地位，其作用是不可替代的。忽視“基礎力學”的教學，必然會導致整個培養鏈的斷裂，培養出合格的工業設計人才也將無從談起。

三、工科基礎力學的教學模式

工科類工業設計的課程體系決定了其數學基礎與普通工科專業不能相提并論。眾所周知，力學和數學是密不可分的，針對于相對薄弱的數學基礎，工科的基礎力學的教學也應作出適當的調整，全面且深入地學習基礎力學課程不僅沒有必要而且會使學生產生厭倦感。如果失去了對課程的興趣，那么課程教學的預期效果自然也無法達到。

1.課時及內容的安排

通過分析國內部分工業設計開設基礎力學課程的培養計劃可以看出，基本上存在著兩種模式，一種是以傳統理論力學加材料力學的模式；另一種是縮減了內容的工程力學的模式。事實上，工科類工業設計的“基礎力學”的教學目的首先是建立起基礎力學理論的基本框架，為后續課程打下一個必要的基礎；其次是掌握基礎力學的基本原理和基本方法，在其將來的學習和工作中不至于犯下常識性的違背力學原理的錯誤。而對于將來致力于研究生階段學習的同學，在掌握必要的力學基礎前提下，也能相對輕松地完成課程知識的進階。

基于這樣的教學目的，涵蓋理論力學靜力學、部分動力學知識以及材料力學中基本的應力、應變計算、穩定分析的工程力學模式是合適的也是必要的。通常來說，在省略煩雜而冗長的理論推導和分析所占據的課時量以后，包含部分實驗，總體48～64學時的工程力學能夠滿足實際教學的需求。某些高校還專門為工業設計專業開設了類似于工程力學的“設計力學”課程。

2.課程的教學方法

在長期的工科類工業設計的教學實踐中，針對目前課時短、學生數學基礎相對薄弱的特點，提出工科類工業設計基礎力學課程應做到“課程興趣化、概念應用化、推導簡略化、計算簡單化”。

（1）所謂課程興趣化，指的是要讓學生意識到力學之于工業設計的重要性，通過典型案例來提升學生的學習興趣。例如在建筑設計中，某些結構是為了節省材料與空間，求取效率最大化而存在，在簡約設計考量下，許多基于理論力學、結構力學的原理成為很好的解決方案，從而使其成為工業設計的典范作品，如圖2所示的Herman Miller SAYL人體工學椅。當結構力學能夠與工業設計相交融時，便能將造型的創意付諸實踐，讓設計不再只是好看的概念，進而真正走進你我的生活。[9]

（2）所謂概念應用化，指的是盡量不強調抽象的數學表達式去解釋力學的一般規律，而從實際問題出發，解釋力學基本原理在設計中的應用，指出哪些是合乎力學原理的設計，哪些是違背力學原理的設計。如圖3所示，講授彎曲正應力在截面上的分布這個知識點時，通過懸臂支撐結構的設計比較的合理性，很容易讓學生理解彎曲正應力遠離中性軸較大，而在中性軸處為零的概念。

（3）所謂推導簡略化，指的是省略大部分復雜且冗繁的數學推導。盡管這些推導在對概念的理性認識方面有其必要性，但是在學時短、內容多的情況下，工業設計的學生只需要知其然即可，至于知其所以然，可以在課后通過自學或者答疑的方式來解決。

（4）所謂計算簡單化，指的是工科類工業設計的學生沒有必要去掌握一些力學求解的技巧性方法。一方面，相對薄弱的數學能力會使學生在處理復雜計算的過程中產生厭倦，另一方面對于復雜力學問題的計算，只要建立起正確的力學模型，均可以通過計算機軟件或程序去解決。而教學中，計算的目的往往是讓學生能夠深入地理解力學的基本概念和原理。在工業設計基礎力學教學中，過于追求數學的方法和技巧往往會產生舍本逐末的效果。

四、總結

工科類工業設計專業的課程體系，應當圍繞著培養合格的工業設計師的思路來進行設計。片面追求藝術類課程，而忽視工科類課程的結果往往與學校培養人才的初衷相違背。“基礎力學”是工科專業類課程的基礎，是連接基礎課程和專業課程的橋梁和紐帶，在工業設計課程體系中，應當有其不可或缺的地位。注重對基礎力學基本概念和基本理論的教學，不僅能使學生具備工業設計的理性素質，也為學生進一步學習和就業打下良好的理論和實踐基礎。

參考文獻：

[1]郭茂來，許錦泓，楊亞萍，等.關于工業設計教學的思考[J].嘉興學院學報，2007，(6).

[2]周憲.工科類工業設計專業發展的探討[J].科技創新導報，2008，(16):

61-63.

[3]宓勝杰，宋紅毅，趙慶.工業設計專業教學改革思考[J].常熟理工學院學報(教育科學版)，2007，(6):118-120.

[4]孫遠波.藝術與科學技術的融合——論工業設計專業的工程技術基礎教育[J].北京理工大學學報(社會科學版)，2004，(3):70-73.

[5]徐震宇.工業設計的思考[J].大藝術，2007，(1):14-15.

[6]國家自然科學基金委員會，中國科學院.未來10年中國學科發展戰略:力學[M].北京:科學出版社，2012.

[7]廈門升降椅爆炸致女子被炸傷 大量碎片嵌入身體[EB/OL].(2010-05-04)[2012-06-30].http://www.chinadaily.com.cn/hqgj/jryw/2010-05-14/content_310057_5.html.

[8]孫遠波.工業設計專業工程力學教學初探[J].北京理工大學高等教育研究，2001，(2).

[9]炤元黃.理性的視覺沖擊——當結構力學融入工業設計[EB/OL].[2012-06-30].http://blog.renren.com/share/262306421/7394884246.

（責任編輯：宋秀麗）