基于玄機設計學的作業訓練初探\t

摘 要 工科研究生的創新意識與工程訓練思維培養是重中之重。以智能機械裝備設計及應用課程為例，以玄機設計學基本原則與方法為基礎，在作業訓練方面進行深入探討。針對選課學生多專業、工程訓練不足等問題，采用行動中心法等方法，對單個作業關聯性進行設計，并進一步提出多作業關聯性延伸，對于課程教學設計具有一定的實際意義。

關鍵詞 智能機械裝備設計及應用；研究生；創新意識；玄機設計學；作業訓練

中圖分類號：G643.2 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）16-0112-05

0 引言

工科研究生最重要的要求在于提出創新思想并落實，也就是突破原來的思維方式。在卡羅爾·德韋克（Carol S.Dweck）的《終身成長》中將思維模式定義為兩種：固定型思維模式與成長型思維模式[1]。固定型思維模式認為人的能力是一成不變的，以證明自己的能力為主要目的；而成長型思維模式則強調人的才能可以發展，并且樂于在挑戰中提升自己。與此觀點類似，當代心理研究領域的權威羅伯特·斯滕伯格（Robert Sternberg）進一步認為：人類的某項專長并不是固定的先天能力決定的，而是通過有目的的鍛煉獲得的。從這個角度出發，應該培養研究生的成長型思維模式。

數學家華羅庚先生比喻導師和研究生的關系是：導師負責給研究生指出兔子在哪里，并指導學生學會打兔子的本領；研究生從導師那里了解到兔子的位置、大小、肥瘦，并采用從導師那里學到的打兔子本領擒獲一只兔子。換句話說，研究生需要學會完成科研項目的思維體系。這種體系的形成需要不斷地進行思維訓練。研究生階段與本科生階段不同，需要學生獨立構建任務、提出問題并解決問題，而不是被動地完成教師交給的作業。因此，首先要調動研究生的主動意識，使他們對所研究的對象敏感而富有想象力；其次是通過一些理論方法與具體案例讓研究生逐步打開思路，從肯定自己轉向不斷完善；最后通過適當的訓練引導研究生把項目具體落實。

除了需要必要的理論提高研究生的知識基礎外，實踐活動是改進研究生思維方式最重要的形式，主要有三種：作業訓練、科研項目訓練和創新實踐訓練。其中的作業訓練逐漸引起了學者的重視。例如：亓玉昆[2]總結了美國的課程作業形式；高芬[3]對美國的研究生教學中的作業訓練等進行總結；吳瑞林等[4]分析了創新型研究生應該具備的關鍵心理品質，結合研究生學習的特點探討研究性教學對研究生創新能力培養的關鍵作用，最后討論研究性教學活動的具體設計和實施辦法，其中專門論述了開放式作業考核的使用；歐宗啟[5]對于如何在課堂上開展作業討論等進行了詳細研究，提出基本方式與原則；李炳林等[6]通過對作業任務的調查研究，從多因素多角度分析對研究生思維培養的影響。但是對于作業訓練具體內容如何與方法合為一體，則尚未見到相關論文。

故本文擬從作業訓練內容入手，以筆者講授的智能機械裝備設計及應用課程為例，參考文獻[3]～[6]的基本原則和方法，提出基于玄機設計學[7]的作業思維訓練，并在課堂上結合專業內容，通過多組作業由淺入深培養學生的創新思維與實現方法。實踐證明，該方式收到了良好的教學效果。

1 課程學情分析

智能機械裝備設計及應用課程由北京信息科技大學2011年開設的創新設計、機電集成系統設計與建模兩門課程在2020年合并而成，主要目的是培養研究生在機電系統方面的創新性思維以及一些具體的設計方法，后來融入智能控制等內容，形成現在的課程體系。主要以教師授課、翻轉課堂、小組討論等方式進行，共32學時，其中24學時為教師授課，8學時為學生PPT展示、討論等。講課內容以案例為主，引申出具體教學對象，使學生在分析討論中學習，形成自己的思辨方式，并培養設計思維模式。具體安排如表1所示。

從表1可以看到，本課程內容龐雜，涉及機構創新、機電系統、智能化處理、機器人等，其核心是增強學生的創新意識，理解智能技術在機械設計與控制中的作用。所以對機械設計、機械原理等專業課程的細節性設計要求不高，教學深度相對較淺，適合進行引導式教學，也有利于發揮選課學生的具體專業特點。

從選課情況看，選修研究生呈多專業、基礎差異大等特點。以2023年為例，主要由機械設計制造及其自動化專業學生組成，但是也有1/5轉自工業設計、通信、計算機等其他專業，幾乎沒有機械基礎，他們亟須補充對機械的認識與思維訓練；1/10有專升本背景，接受的工程訓練較差。即便對于來自機械設計等專業的大多數研究生來說，他們在本科階段經歷的工程訓練以部件為主，沒有上升到系統設計階段，所以也處于一知半解狀態。因此，如何幫助研究生快速改變對機械的認識并完成一些基本設計工作，成為本課程的重要課題。

本課程教學學時少，如果理論內容過多，容易引起學生的畏難情緒，因此，按照相關文獻所說的準則等選擇適當的案例與作業成為矛盾核心。以前以教師講授為主、課堂隨機提問為輔，效果并不明顯。從2017年開始逐漸引入學習通等現代教學工具，在時間和空間上大大延伸了線下課堂內容，成為主要教學手段。教研組把一些設計好的作業提前發放給學生，但不給出教學目的，要求學生提前完成文獻檢索與作業預習，在課堂上進行深入討論，最后給以目的說明，有利于學生進行深刻的自我思考。不斷篩選，逐步形成課程的作業訓練體系。

2 玄機設計學在作業訓練中的應用

2.1 作業訓練與玄機設計學

在線下課堂上，除了教師講解的案例外，還要求完成一些課堂練習和作業。研究生課堂教學以討論式為主，學生參與度高，評價以定性為主、定量為輔，這為開放式作業訓練提供了前提。著名的馬斯洛法說過：“如果你手里只有錘子，那么你的眼里就只有釘子。”反過來說，如果手里有很多種工具，那么看到的東西就會有所變化。學生完成的作業越多，所積累的專業知識越多，看待和解決問題的方式就會有所變化。

本文所指的作業訓練與單純的案例教學不一樣，是課后作業和傳統課堂練習的統稱，以提供思維培訓為目的，在授課教師引導下有目的地進行。這些內容以課前作業的形式進行作業訓練，由于有大量的文獻和時間支撐，其所涉及的內容和范疇遠遠超過課堂案例。考慮到選修課程中多專業學生的知識基礎不同，所設計的作業在理論方面不能太深也不能太淺，還要保護和調動學生的創新意識和學習熱情，十分考驗教師的專業技術能力和教學能力。

在參考文獻基礎上，重點基于玄機設計學進行探討。玄機設計學由日本大阪大學松村真宏教授在2005年提出，先后在伊利諾伊大學、斯坦福大學和大阪大學等大學開展研究，提倡通過一些精心構思、可以引起好奇心的設計引導而非強制人們達到某一目的，逐漸引起了教育界的重視。

該理論將誘使人們做出行動、解決問題且能滿足FAD（Fairness、Attractiveness、Duality of purpose）條件的誘因稱為玄機設計，強調物理誘因與心理誘因兩大構成元素，如圖１所示，并利用行動類似性整合這些元素。心理誘因是由物理誘因引發的，當二者之間有著自然關聯時，玄機設計才會生效。這種自然關聯因人而異，由于心理誘因的有無和強弱對每個人來說都不一樣，所以同樣的刺激并不是對所有人都會有效。但玄機設計強調自然而然發生的行為，所以沒有反應也是正常的。

玄機設計學實現的方法包括基本思考法、行動中心法、奧斯本檢核表法等。其中最常用的是行動中心法，即以行動為線索把以物為中心的思考法轉變成以行動為中心的思考法。玄機設計原則與作業訓練原則的比較如表2所示。其中，作業是設計對象，具體作業內容是設計元素，通過列舉與組合的方式實現教學目的。每次的作業有單獨的訓練目的，所有的作業聯系起來達到一個整體訓練目的。這一切都在不知不覺中完成，而非指令性操作。

從表2可以看出，首先，公平性是第一位的，即每個接受訓練的學生都會感覺被尊重，不會因為專業差異而無法理解作業內容；其次，引導性不是隨機的，而是有意識的，即按照設計者（教師）的思路走，不強迫學生被動接受，而是通過提高學生的興趣實現；最后，目的的雙重性體現在教師希望通過作業訓練培養學生的創新思維和工程實踐能力，而學生在每個作業中體會解決具體問題的快樂。

2.2 單個作業訓練關聯性

日本關西大學松下光范提出，玄機設計學是存在關聯作用的，它的關聯作用不像社會制度設計那樣有明確的規范，不會對人們的行動有強烈的指示。玄機設計是在提示其他目的的過程中起到關聯作用的。例如，“世界上最深的垃圾桶”就是為垃圾桶配上聲音，當投入垃圾時會出現落入桶里的聲音以及垃圾與其他雜物碰撞的聲音。垃圾的數量不同，所發出的聲音也不同。這實際上能夠間接訓練人們投放垃圾的主動意識。作業訓練與此類似，即通過作業內容激發學生的創新意識與工程訓練思維。也就是說，每個作業的訓練目的是明暗交織的，而非單一的。通過明線訓練得到暗線目的，達到潤物細無聲的目的。

單個作業設計思路是：研究問題的來龍去脈、技術發展脈絡，分析其發展難點與規律，總結或者提出相應解決問題的方案，在解決問題中培養學生的思維與能力。

課程作業訓練中的第一個大作業是“肥皂生產線上的空盒”。要求學生理解創新意義并詳細分析X光檢測系統的基本組成與實現方法，從中體會智能性。

由于生產肥皂的流水線無法識別沒有肥皂的空盒，所以不同廠家采用不同的方式解決這個問題。聯合利華建立由博士后等十余人組成的科研團隊投入大量資金和時間，采用紅外探測、激光掃描等高精尖技術，完成基于X光的肥皂盒檢測系統，當檢測到空盒后，機械手將空盒推出，將空填率降低到5%以內。一家國內企業僅用半天時間，在生產線末端采用電扇將空盒吹掉，也解決了問題。如果從解決臨時問題看，國內企業的效率遠高于聯合利華，其思考點跳出了純技術的限制，新穎實用，這就是一種創新思維的體現，尤其對于小企業而言，采用電風扇吹掉空盒是降低成本的好方法；但是，從長遠角度看，聯合利華的檢測系統進一步應用到其他行業可以創造巨額價值，這種創新重點體現在技術創新上。學生通過學習兩種思路、兩種解決方案，會主動體會到創新的必要性、條件性和技術實現的復雜性、長遠收益等，從而激發思辨意識，在今后的設計過程中區別對待。

同時，在分析X光檢測系統時采用分功能和黑箱法等，對該系統進行技術分解，讓學生厘清結構與控制之間的關系，以框圖的形式表達控制流程，幫助學生進一步認識智能化。

2.3 多個作業的關聯性延伸

玄機設計學中所舉案例是隨機零散的，而智能機械裝備設計及應用作為一門課程，其內容是連續的，因此教研組認為，針對特定章節的各作業之間應該有關聯關系，即每個作業的設計目的連起來可以形成一個連續的意識訓練鏈條，最終達到課程教學目的。課程中所布置的作業訓練如表3所示，訓練目的依次深入，最后以科技論文的形式表述機電系統設計。

從玄機設計學的角度看，這些作業的特點都強調通用化而淡化技術細節，每個作業對于學生的專業要求不高，只要具有一定的工科基礎，就可以理解其內涵，體現公平性原則；每個作業有明顯的導向性，即每個技術細節都為最終的智能機械裝備設計服務，讓學生在方案分析與總結中自覺融入創新意識，實現目的雙重性；不同的作業串聯起來形成一個系統性的思維訓練鏈條，體現作業之間的關聯性。引導學生從不懂創新、害怕創新到了解創新、分析創新、喜歡創新，讓學生從作業當中體會到創新思想的具體實施過程與最終課程的要求，并結合專業知識，以PPT和小論文的形式展示出來。

在人數許可的情況下，采用2～3人一組進行作業訓練效果較好，可以實現專業互補，提高學生的認知效率。但負面作用也較為明顯，有些學生只等著其他同學給出結果而自己不付出努力。所以，需要借助學習通等工具，要求學生隨時留下重要的節點痕跡，在最終的成績判定上作為一定的參考，督促學生參與小組作業。

2.4 教學評價

從學生的表現看，工業設計、計算機和通信等專業學生表現最佳，會很快理解各個作業的內容并完成高質量的PPT，其原因在于他們會從整體角度思考而不陷入細節分析中，但是對于具體技術則無法深入研究；機械專業類學生更關注機械技術細節，但是在表達方面很粗糙，而且容易“只見樹木不見森林”；力學專業類學生過于集中在理論研究上，對于機械等具體內容基本上不懂，但是邏輯推理很優秀，對于算法方面的表述最合理。

從學生的反饋來看，首先是作業之間的聯系很重要，從結構到系統再到智能、從傳統機構到現代機構再到熱點機構，始終牽引著學生的思維，讓他們產生一定的探知欲；其次是每次的作業形式很重要，要求查閱大量的文6daec4042ed21a98cc77b746283afa9445f611712cfeb44220d5ecc3479461b1獻資料，2023年有學生使用了ChatGPT進行檢索，這種文獻檢索練習和智能化工具的使用可以進一步提高學生的學習熱情；最后是每次的作業內容，使學生有明確的學習目標，從原理設計到結構設計，再到智能化設計，在細節方面體現機電系統裝備特點，不失專業性。在作業訓練過程中，學生會很清楚自己的缺點和問題，從而在未來科研工作中揚長避短，更利于科研工作開展。同時作業采用小組討論的形式，鼓勵不同專業學生成組，每個人都能根據專業特色分析作業內容，進一步豐富課程案例，對于教研組更新改進作業訓練內容可以起到很好的啟發作用。

正如玄機設計學所強調的，關聯作用過度會起到副作用，所以在作業訓練中要注意所設計的目標不能過高，否則會對學生的創新積極性造成打擊，如《大國重器》等類教學參考資料，由于距離學生學習環境過遠，容易讓學生產生挫敗感，只適合特例說明。因此，作業訓練需要在難度和深度上謹慎選擇。

3 結束語

結合玄機設計學和多年教學實踐，豐富智能機械裝備設計及應用課程的作業訓練內容，形成相對完整的思維訓練鏈，可以有效提升學生的創新意識與工程實踐能力，得到了學生的認可。接下來，將進一步在元素組合、行為引導等方面進行細化，并形成理論和實踐更加完整的作業訓練體系。

4 參考文獻

[1] 卡羅爾·德韋克.終身成長[M].楚祎楠，譯.南昌：江西人民出版社，2017：6-10.

[2] 亓玉昆.美國研究生培養課程作業形式多樣，成績評定嚴苛[J].科學大觀園，2020（17）：38-39.

[3] 高芬.美國高校研究生教學中的“教”與“學”：以美國馬薩諸塞大學阿默斯特分校教育學院為例[J].學位與研究生教育，2011（3）：73-77.

[4] 吳瑞林，王建中.研究性教學與研究生創新能力培養[J].學位與研究生教育，2013（3）：10-15.

[5] 歐宗啟.如何在研究性教學中培養研究生的創新能力[J].學位與研究生教育，2008（6）：12-15.

[6] 李炳林，彭詩尹.作業任務對研究生創造性思維能力影響的調查研究[J].教育文化論壇，2020，12（2）：78-82.

[7] 松村真宏.玄機設計學：改變人們行為的而創意構思法[M].袁光，譯.北京：中國人民大學出版社，2019：25-30.

*項目來源：2023年北京信息科技大學研究生培養思政建設項目“《智能機械裝備設計及應用》思政要素發掘與教學體系建設”（基金編號：2023PYYB01）；2022年全國機械原理課程教學研究項目“基于科技創新活動的機械原理課程設計教學研究”（基金編號：2022JYJG2028）；2018年北京信息科技大學高教研究課題“導師制下研究生文化建設的形勢、問題及對策研究”（基金編號：2018GJYB13）。

作者簡介：孫江宏，北京信息科技大學新能源系教師黨支部書記，博士，教授。