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李泽湘:新工科教育课程探索

 

在《制造业破局和学院派创业》中,我们主要介绍了大湾区和中国制造业的现状和面临的挑战,从中得出我们需要根本性的创新,需要把科技与市场紧密融合起来去打造新的品牌。而在这方面,年轻的学院派创业者,因为没有经验,也就没有了思想的包袱和禁锢,所以更有优势去打破传统的框架,他们也是推动制造业破局必不可少的主力军。要做好这样的创新,我们必须要了解产业的趋势,明白有哪些好的资源。当然其中最关键的,就是我们的教育要采取什么样的改革,才能培养这一类的科创人才。
 
在《新工科教育的背景和使命》中,我们介绍了新工科教育的背景和使命,就是要解决《制造业破局和学院派创业》中谈到的制造业如何破局,如何来培养突破性创新的人才。我们回顾了新工科教育的使命和定位,以及传统工科教育在美国和中国的发展,总结了我们在传统工科教育方面存在的问题与挑战,在这个基础上,我们开始探索新工科教育需要解决的问题。
 
(李泽湘)
 
撰文 | 李泽湘
 
内容大纲
 
本文主要介绍新工科教育课程的探索,如何通过创意到原型的过程训练学生的设计思维和工程意识,以及科学方法的应用。
 
前序:
 
山寨现象层出不穷?
 
教育的缺失?
 
1. 硬科技创业:市场需求与科技深度融合
 
如何从山寨走向创新?
 
初创公司失败的主要因素有哪些?
 
学校在硬科技创业中扮演何种角色?
 
2. 设计思维与工程意识
 
南方科技大学系统设计与智能制造学院如何产生?
 
南方科技大学SDM202课程如何设计?
 
香港科技大学IPD课程有哪些经验?
 
3. 科学方法与工程师技能
 
香港科技大学FIE课程如何衔接科学方法与项目载体?
 
学生从失败中可以有哪些收获?
 
全文约14000字,预计阅读时间25-40分钟
 
前 序
 
在讨论具体的解决方案之前,我们先看两个案例:
 
案例一:
 
德国设计师里多·布瑟在发现自己的设计被仿制后于1977年创立了 “金鼻子剽窃奖”,德国反剽窃行动协会 “Aktion Plagiarius” 每年为仿冒产品颁发一次 “金鼻子剽窃奖”,奖杯是一个长着金鼻子的黑色小矮人,象征着那些用仿冒的手段获取利润的厂家。而在2018和2019连续两年的前十名都被中国企业包揽(图1)。
图1 德国金鼻子剽窃奖产品一览
 
于是我们仔细研究了这种山寨现象,思考为什么山寨如此频繁?曾记得,2000年到苹果智能手机出来之前, 深圳的山寨产业也短暂辉煌过。怎么样才可以避免山寨,又如何突破这样的困局?其实德国的制造业在19世纪初期水平并不高,Made in Germany 常被英美笑话,成为低质量的代名词。但是他们痛定思痛,在时任柏林工业大学校长 F. Rouleaux 推动下,通过改革教育找到了他们发展创新突破的出路。这恰恰是我们如今面临类似的情况,需要大家一起来思考和探索。
 
案例二:
 
深圳机器人产业在大湾区甚至全国都处于首屈一指的地位。从规模来讲,2019年它的总产值达到1200亿 (工业占70%,服务类占30%, 企业数近650 家,其中南山区占有40% 产值,宝安区占有40% 企业数量)。从质量来讲,深圳拥有最多的排行全国前50名科技机器人的公司(图 2),而作为机器人产业的一个细分行业的无人机产业,也被誉为世界 “消费无人机之都”(大约400家公司,产值达到400亿)、大疆产品在美国的市场占比超过 70%。工业类的机器人产业在第一讲我们已经分析过、而面向消费市场的机器人产业 如果把大疆等极少数公司剥离开来,就很有问题了。
 
图2 机器人公司分布
 
为什么创新无论是传统制造业还是现代机器人产业都是如此匮乏?经济活跃之地宁波如此(山寨奖众多获得者来源地),科技产业发达之地深圳也是如此。在政府不遗余力的推动创新的大环境下,我们必须找到一条创新突破之路,这就是如何把市场需求与科技深度融合起来(硬科技创业)。为此,我们需要让企业家尤其是未来的企业家和工程师们掌握创新所必备的方法和工具:设计思维与工程意识。设计思维与工程意识能帮助你定义产品,抓住用户和市场的痛点。在产品的研发过程中,即使产品已经被定义 (比如戴森的吹风机),那么怎么才能比别人做的更好?这就需要一套科学方法和工程师技能。所以设计思维和科学方法,是走出山寨,开始创新的关键,那么怎么样把这两条植入到新工科教育里?
 
硬科技创业:市场需求与科技深度融合
 
关于山寨,乔布斯也经常引用一句毕加索的名言 “Good artists copy,great artists steal” 。
图3 乔布斯如何理解毕加索名言“ Good artists copy,great artists steal”?
 
那么类似前文提到的 “剽窃” 是否也是 “good artist”?我们应该如何理解这句话?
 
简单来说,Copy指的是山寨和仿制,而且是没有真正搞清楚原理,进行简单的形式化,甚至把别人的错误都原封不动山寨过来,这样也就只能做一个非常低端的成品,显而易见,这种山寨反而提醒用户想起之前的产品。
 
关于Steal,乔布斯也谈到过,你要研究别人的产品,但是不应该止步于别人的产品。应该让别人的产品成为创新的起点,给自己一些启发,尤其要向最好的人去学习。
 
Olin工学院校长 R. Miller 关于创新有很重要的描述:“每当一个重要的创新的出现,用户使用之后会忘记以前别人的样子。” 就像我们使用智能手机之后就忘了之前的功能手机,也不愿意回到从前。山寨反而让人想起之前更好的东西。
 
其实我们通过山寨 Copy 去学习,并不是坏事,我们应该把山寨作为一个起点,跨越山寨,追求创新。我们的挑战就是如何从山寨到创新、这也是科创之问,李约瑟之问和钱学森之问的核心。我们反复强调创新一定要有方法和科学,而不仅是口号。创新需要结合市场,用户需求和技术来驱动。同时要充分利用新兴市场的机会,充分利用大湾区已有的资源和条件以及产业基础去创新。
 
有不少的同学问到初创公司失败的关键因素在哪里。美国网站CBINSIGHTS 通过调研101家失败的初创公司,总结了他们失败的主要原因(图4),其中42%失败的原因,是做出的产品并不是市场客户所需要的。其次诸如现金流断裂,团队不牛,敌不过竞争对手,产品缺乏竞争力等等。另外经常报道科技初创公司和产品故事的 FAST Company 杂志,也总结出一些失败的经验。其中前三条基本和 CBINSIGHTS 的内容类似。
图4 CBINSIGHTS总结初创公司失败的原因
 
总结来说,团队不牛是新工科教育要重点解决的一个问题。牛的关键标准之一,就是要具备理解市场和客户的痛点,做出满足真实需求、极致的产品 (见前文Olin9条)。我们总结松山湖基地5年多50几个团队经验的时候,首先领头人是团队里最关键的。其次通过科学方法、理解行业与需求、系统思维进行迭代。其他方面还需要找准问题,懂科学管理方法,有打样、量产与供应链支持等。
 
接下来我举几个在产品定义上失败的例子。硅谷的创业团队Leap Motion,成立于2010年,在早期虚拟现实领域中引起轰动,吸引了著名风险投资公司,融资近一亿美元。他们计划要做一款VR产品,有高精准度,易用,价格合理等等,并且觉得这个产品会满足市场需求。但是最后的结果并不是市场和客户真正需要的,精度低于传统的鼠标键盘,属于额外的输入工具,用途不广等。最后不得不倒闭。
 
Lytro,硅谷很出名的光场相机公司,融资1.4亿美金,做出的相机特点就是不需要聚焦,可以随便拍照,照片拍完之后由软件再处理。虽然产品听上去不错,但是最后也失败了。
 
其他诸如在无人机方面有很强团队的 Hover Cam,扫地机器人 iRobot的一款 Scooba,MIT的Rethink,被软银收购的Pepper,早期Sony的机器狗Aibo, 也都是因为定义的失误,导致产品、甚至公司的失败。这样因为产品定义不准最后导致失败的案例还有很多。
 
另一方面,即使产品定义对了,击中了市场和用户的痛点,但是做得不好,跟竞争对手相比没有优势,这样的失败案例也很多。比如前面提到获得德国剽窃奖的各类产品,
 
如果他们可以比原来的产品做得更好,一定可以被市场和客户接受。另外美国的无人机公司3DR,希望成为美国的DJI,还有内地的一些产品对DJI进行模仿,最终也失败了。
 
所以我们需要把新工科环境下在学校中要学的内容放在一个框架和系统中(图5), 这样我们就知道目前掌握哪些,缺少哪些,需要补充什么,在哪些方面需要做得更好。
图5 价值主张框架图
 
在这个框架中,首先我们需要明白用户要解决的问题(Jobs),他目前有什么痛点(Pains)和期望(Gains)。我们需要站在用户的角度, 用同理心去观察和了解客户的需求、痛点和期望。这就是我们常说的设计思维。设计思维教会我们从零开始,从市场和客户的需求与痛点开始去创新, 而不是从别人已经定义好的产品出发。把问题找准后,我们再用发散思维去罗列和比较各种解决方案。这时我们可以把竞品考虑进来,但最后要用批判思维科学方法去评估、优化和筛选方案,并且通过原型制造去验证方案的可行性,这样反复迭代,才能实现真正的创新。
图6 Stanford d.school 设计思维框架
 
图6显示了斯坦福大学 d.school 梳理出来的设计思维框架。要掌握这套方法, 必须从实际出发,比如选定一个主题, 让学生以小组的形式从市场和客户调研开始,一步一步一直做到原型,并且演示和展示其设计方案。老师在这过程中,一步一步引导学生,让他们在做的过程中,学会和掌握设计思维的关键技巧(团队合作,同理心, 发散思维、批判思维、融合与整合、沟通、样机制作、演示等等)。选择好的主题可以更好的聚集比如潜在用户、渠道、行业和样机制作等资源。课程的结果最好以C 端产品或解决方案为佳。B端(企业)产品需要好的客户和渠道资源,G 端 (政府)尤甚。通过多门和多类设计课程的训练,学生才能熟练掌握和应用产品创新的方法、技能和思维。无论她未来做什么,都将受益终身。
 
南方科技大学吴景深教授将为我们介绍南方科技大学新设立的新工科教育探索平台,南科大系统设计与智能制造学院以及该学院为南科大学生开设的一门产品设计课程(暑假)。香港科技大学(广州)InnoX 项目,作为研究生新工科教育改革探索平台,也推出了两门项目课程,一门 Integrated Product Design(IPD, 综合产品设计),一门 Fundamentals of Integrated Engineering(FIE,综合工程基础)。IPD 的徐楠同学将分享他学习这门课的经验。梁博士将介绍 FIE 课程, 杨怡豪 同学将分享他们的课程经验,以及思维的转变过程。
 
景深教授介绍的暑假课程以及 IPD 课程的着重点在产品定义。而 FIE 课程的着重点在把数学、物理、工程基础和工具融合起来去把原理弄清楚,再通过仿真,计算和优化去寻找科学的解决方案,以及通过动手和快速原型制作去验证设计的可行性。这门课的基础来源于Olin QEA课程的框架。图7显示了IPD和FIE课程在产品创新过程中的定位。
图7 新工科产品设计与工程设计课程在 产品创新过程中的定位
 
我们再回头看看Olin课程体系(图 8)的特点。第一,6门产品设计课程 (还有一门 Product and Market 必修课没有显示出来)占据核心位置 (~ 20% 课程占比)。第二,艺术、人文、社会科学和创业课程与设计课程环环相扣。让学生理解人,人的价值观、人的需求,并且把产品创新的成果最后服务于人(starts with people and ends with people )。这与毛主席的从群众中来到群众中去有异曲同工之妙。第三, 通过一个又一个的项目课程去融合数学、科学和工程科学知识。学生通过这些项目,不止学会和理解学科关键知识,并且能与软硬工具结合起来, 系统的分析和解决问题。在这个过程中,学生学会如何学习,学会财务、经济与管理在工程项目中的应用,从而提升自己的职业技能与素养。
 
最终找到自己的兴趣和使命。为人生的下一个目标,无论创业,深造还是就业奠定了扎实、雄厚的基础。Olin的学生培养流程非常符合哈佛大学 Amabile 教授的创新者培育流程(图 9)。
图8 Olin课程体系
图9 哈佛大学Amabile教授的创新者培养流程和环境
 
传统工科教育注重成绩和排名,课程和培养方案几十年基本不变。Olin 的办学方针则注重学生能力的培养(见Olin9条和图 10)。
 
Olin的课程体系与培养方案从世界经济与技术发展的新格局出发,用设计思维方法、通过系统调研,与学生Partner 共同设计和优化课程,引入企业资源和反馈,不断试错、不断迭代(至今已17年,仍在改进中),为新工科教育探索指明了方向,值得我们借鉴和深度思考。
图10 Olin能力标准
 
港科大和南科大的新工科教育探索跟 1930 年代梅贻琦、顾毓琇、李郁荣和1990年代吴家玮创办现代工科研究型大学一样,对中国尤其是大湾区未来的工程教育和创新经济发展有重要的潜在意义。
 
设计思维与工程意思
 
这一部分内容我邀请两位嘉宾进行分享。
 
首先请南方科技大学系统设计与智能制造学院创始院长吴景深教授对南方科技大学系统设计与智能制造学院以及课程SDM202综合系统设计的介绍。
 
分享内容:
 
李教授从工程学发展的历史着手,由古至今,从国际到国内,运用大量的数据对工程的发展和目前的现状做了详尽的总结。从他的报告中可以意识到,当前的工科发展在面对工业4.0的挑战时,给了我们一个巨大的任务,就是怎么样在工业4.0时期,可以让我们国家的发展进入到以创新为驱动的模式。李教授的报告为我们开展新工科教育,培养创新人才奠定了很好的基础。
 
在谈到新工科的重要性和必要性,以及对社会发展的驱动力的时候,大学扮演了一个非常重要的角色。大学以人才培养为使命,尤其在理工科大学的工科学院,新工科成为我们培养下一代创新工程师的重要使命,我们面临的挑战就是如何把宏观的诉求落实到具体的人才培养计划。我在任职于香港科技大学期间就开始关注这个问题,并且创办了综合系统与设计学部,尝试把新工科理念变成具体人才培养细节。在我2019年加入到南科大之后,创立了系统设计与智能制造学院(SDIM)。
 
首先我对学校及学院做一个简单的介绍,然后介绍如何在新工科教育的细节过程中,通过培养计划的组织,通过课程的创新,把新工科教育中最重要的理念落实到日常的教学工作中。
 
南方科技大学拥有小而精,国际化的办学特色,追求创知,创新,创业的价值观。近年来在学术前沿,需求导向等方面水平逐年提高。在应用型方面的教育,诸如技术转化和企业家精神方面等额外关注,为深圳产业化做出了贡献。
 
根据创知,创新,创业的价值观背景,我们讨论创建SDIM,去完成致力工程教育改革的特殊使命,秉承育人为宗旨、学生为中心、拥有全球视野、家国情怀、创新、务实、团队精神的价值观,希望在南科大为创新创业奇才营造成长的绿洲。
 
目前教授团队包括李泽湘教授在内共12人,从国内外大力引进背景不同的专业人才,背景分布广,对交叉跨学科研究指导提供充分的人才储备。
 
作为SDIM我们致力培养具有如下素质的人才:好奇心及终身学习的热情与能力;团队合作能力与技巧;系统思维与创新思维能力;创业能力与企业家精神;全球化视野;伦理道德底线。
图11 工业人才金字塔
 
从工程人才金字塔(图11)来看,有三层人才对将来的创新工程领域非常重要。首先是创新领军人才(可遇不可求,很难说从教育引导创新领军人才培养)。在创新领军人才和在线工程师及技工之间,有一层非常重要的金领人才,就是系统架构师、CTO。这一类人才是把创新领军人才的思想和理念转化为可执行的在线工程师的任务。我们希望创造出创新领军人才自由成长发展的绿洲,致力把其他层级的工程师培养成具有设计思维、系统思维、均衡工程知识基础和鲜明专业特长的系统架构师。这是我们从人才金字塔总结出来的SDIM人才培养的愿景。
 
针对我们培养人才的愿景,我们做出了人才培养的规划方案:学生要注重学习过程、对知识积累与能力提高同行、促进个性化发展、培育团队精神。通过在第一年提供数学、物理、编程、设计和英文等基础课程,以学生兴趣为中心的个性化培养方案,因材施教。课程架构的专业特点鲜明,多学科知识均衡的课程架构,采用模块化和学分制有机结合。采用项目引导的主动式学习环境,注重学生自学能力培养,通过小组互动学习提高沟通技巧。并且通过社会需求、企业合作、创业实践、 国内外大赛等引导学生综合设计项目。
 
新工科教育课程已经在SDIM开展(图12),同学们通过体验式学习,混合式学习,项目引导式学习,多学科交融,边学边做,边做边学,主动式学习的气氛已经在我们学院形成。我们鼓励引导学生整合周边所有的资源,多方面去学习。
图12 SDIM新工科教育课程氛围
 
以今年春季开展的综合系统设计课程为例,这个课程整合了三门课程(设计思维与工程,机械设计与制造,材料工程基础)的内容,关键在于如何设计项目去引导学生学习,达到三门课所需的课程目标。于是我们从设计思维出发,以学生为客户,通过设计思维方法论在创新过程中提倡 “以人为本”,系统考虑用户需求以及技术实现性,经济持续性。创新的焦点从产品为中心转移到以客户为中心,从聚焦市场转变为聚焦用户体验,使我们在通过科学与工程强化训练下无法自觉形成 “创新以人为本”的思维得到改变。
图13 SDM202 课程流程
 
基于课程需求(图13),我们需要去学习如何做市场调研。因为疫情的关系,遇到这样的挑战,我们就让同学们根据自己家中的情况和周边社区的环境去做调查,在如此的大环境下,人们有怎么样的痛点。在开学第一周到第四周,同学们做社会调查时候需要学习以下几个方面的内容:首先,设计思维原理及市场调查工具,明白如何去定义问题。第二,通过网上授课,传授机械设计及机械制造导论,工程材料性能及材料的选择方法。
 
除了以人为本的首要因素之外,设计思维也非常强调技术可行性以及经济的可持续性。系统扎实的工程教育使我们有能力转化 “创新设计概念”,使其成为技术上可实现,经济上可持续的市场产品。因此我们的课程设计还需要传授三门课非常扎实的知识要点和技术能力,希望把设计和工程连接起来。 到三月中旬,同学们就需要做技术可持续方案,从中学习到产品设计基础,计算机辅助设计及机械制造原理及应用,工程材料的组成,结构,测试及加工等内容,这些知识也都融合在项目的解决方案和探索执行过程中,边做边学。
 
针对当前疫情,经过同学们调研以后,我们希望同学研发出可以解决居住过程中的卫生环境质量问题的产品。课程的项目设计必须涵盖设计,机械,材料三个方面的内容。当前同学们已经进行到定义痛点,下一步会给出潜在可能解决方案。后期就会具体工作,之后进入实验室动手做成产品。
 
我们在2019暑期课程已经尝试类似的教学,同学们经过互动学习和自我学习,做出很多有趣的产品,在制作过程中学习到材料,编程,3d打印,电子线路控制等很多知识。老师也会通过课堂逐一解决核心知识问题,对知识进行衔接,难点答疑。
图14 SDIM新工科2019暑期课程
 
除了简单的测试问答,同学们最终要把产品放到舞台上,通过做项目给大家展示,讲述学到了哪些知识,这些知识解决了哪方面问题(图14)。这种学习模式可以学到很多过去容易疏漏的知识点,深化了作业达不到的效果。
 
吴景深教授分享内容结束
 
吴教授介绍了南科大新工科教育改革探索,通过本科生的设计课程介绍了如何去找问题以及定义产品的过程。香港科技大学广州校区针对研究生也开设了一门设计课程IPD,接下来有请徐楠同学分享他对于这门课程的心得体会。
 
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香港科技大学广州校区的InnoX项目具有多学科交叉,项目制学习,学生自我驱动,老师协助引导等项目特色。在课堂之外,还有校企合作,并且会邀请行业嘉宾来做经验分享。项目招收的学生背景各不相同,这门课程也吸引了经济学背景同学加入。
 
那么在课程开始的时候,大家都有一个疑问,这门新型课程和传统的课程不一样,招不同背景的学生,可以做出怎么样的集成化产品设计?
 
老师在开课初期告诉我们今年的主题是劏房社群。根据这个主题,我们做了一些基本的调研(图15):例如劏房是香港特有的一个居住现象,人均居住面积大概在5-6平方米,而这狭小的空间却需要付出租金4500港币(中位数)。加上住房附带其他的开支竟然超过了他们每个月支出的42%。此外,这里也因为没有独立厕所和独立厨房等产生其他一系列卫生问题。正常香港的房屋价格一平方尺租价大约60港币,劏房却高达79,高出了接近1/3。我们通过调研得到了这些冰冷的数字,可是面对这样的社会化问题,我们这些理工科背景的同学又能做些什么?
图15 香港劏房社群
 
在课堂开始的阶段,老师们通过联络香港本地的面向劏房群体的慈善机构(非政府组织),使得我们有机会对接并在他们引导下进行了初期的现场考察。不仅使我们在表面对劏房有了了解,还深入到住户内去体会。这对久居学校的学生来说大开眼界,大家都把这些调研所闻所见所想带回到了课堂,一起讨论。
 
基于我们对劏房调研发现的问题,我们最开始提出了18个对应的解决方案。其中,硬件类的主题占61.1%,面向社群的主题占比63.9%,这也比较符合理工科研究生的思路。之后同学们对这18个主题进行整合迭代之后,汇总成信息平台,重物搬运,公共空间,洗衣干衣,便捷收信这5个集合性方案。然后大家根据自己的情况投票,最终选出信息平台,重物搬运,公共空间这三个主题作为后续的研究方向并且确定三个小组。组员们非常主动的进行更加深入的调研:参与非政府组织(NGO)福利活动,对邻里街坊随机访问,进行入户调研,派送福利,深入访谈。
图16 重新定义问题
 
整个学习过程是从劏房这个一团乱麻的大主题下,慢慢抽丝剥茧,寻觅到了一个清晰的方向(图16)。相比于我之前上课科研的经验,停留在课堂上并且针对已经定义好的问题,再去想解决方案。这也是IPD课程和传统课程很大的不同点。
图17 IPD课程最终三个成果
 
最后的三个成果(图17)有重物搬运机,方便劏房住户上下楼搬运货物;信息化平台,方便住户获得有利信息;还有我为大家介绍的亲知空间:
 
在项目探索阶段进行了各类调研发现,有超过20万香港基层居民,分布在全港9万余间分隔楼宇单位,即 “劏房”。约18%的劏房居民是15岁以下,接受基础教育的青少年群体。
图18 劏房孩童生活
 
在如此狭窄逼仄的空间中,孩子们还保持了非常积极的学习态度,让我们很感动(图19)。
图19 IPD课程进度
 
整个项目的推进(图19),结合了老师们讲授的设计性思维来进行。通过两个月的市场调研,我们把问题进行了发散和收敛,最终确定了公共空间这个方向。然后根据大方向去探索方案,再次进行迭代,并且根据我们的想法进行了原型化设计,然后把原型带到劏房之中并邀请劏房居住孩童参与了先导运行。
 
调研前期,我们根据想要接触的对象:学生,家长,单身住户设计了问卷,也进行了超过10次不同类型的现场调研,并对调研所得进行讨论,归档管理信息。
图20 劏房孩童调研数据
 
结合我们的调研,获得了这样的数据(图20)。劏房居住孩童大概在下午3点放学,但是他们不可以单独留在家里,所以需要在下午和晚上的某些时段去到集中的补习社进行补习。除了功课之外,他们也会有各样的兴趣爱好需求。对孩子们来说,他们缺乏优质的教学资源,而且需要去到很远的补习社,交通不确定性带来不小的安全隐患。而他们的家长收入有限,教育支出占了一部分。有相当比例的单亲家长为了照看孩子,难以去寻找全职工作来补贴家用。对于成年单人住户,居住在狭小空间,有脏乱差的缺点,支付高昂租金,获得了缺乏保障的环境。
 
基于这些痛点,设计了如下的运行方案。Weshare 在劏房环境中,把教育和居住通过时空复用的方法融为一体,24小时内,晚上8pm到次日下午1pm归为私有的单人住户,正好对应了他们下班回来在家进行娱乐和休息。从下午1pm到下午8pm他们不在家,空间闲置,正好应对了孩子们放学时间,我们请他们变成公共学习空间进行小组式学习。更具体的房间布局,单人住户可以休息,工作,娱乐,切换成公共学习空间,床折叠起来,展开桌椅,孩子们可以进行自习,工科辅导,还有活动。
 
我们的团队有六位来自不同专业背景的同学,根据自己的专长和兴趣设置了不同的角色和分工。同时我们的老师们也是来自不同的学系,这也是IPD课程和传统课程很不一样的一点,不是单一的老师来授课,而是一个不同背景的导师团,从开始的引导到后期的辅助,都让我们受益匪浅。
 
关于这门课程,我还带来了其他同学们的分享:
 
Alane:劏房源自香港独特的政治与经济体制,也会被世界局势影响。从产品设计角度看,虽然现在有很多先进的技术,但是还是需要从源头剖析深度痛点,才能做有影响力,社会价值的产品。
 
Cassie:她感觉贫穷限制了劏房居民的需求与想象力。但是因为语言问题,沟通难以深入。很希望在后续可以把课程授予的方法论多操练。
 
Erin:作为经济系的同学,她感觉和理工类的同学一起,参与香港劏房社群调研与产品开发。很刺激~也坦言自己的经济学研究的范畴相对很宏观,没有理工科的加持很难去实践与验证。这种跨学科的交融能更好地服务社会。
 
Nathan:纵贯整个课程,整个调研与迭代进程非常曲折。开始并没有想做到 Weshare,通过不断的迭代才走到最后。和之前的研究生阶段的上课和科研模式很不同。WeShare 的共享经济模式,不仅有线下实体的操练,而且还深入到劏房社群中,邀请他们来体验并给我们反馈。后期发展有很多相应的理工类技术,可以转化,匹配或者开发。
 
徐楠同学分享内容结束
 
科学方法和工程师技能
 
吴教授讲述SDIM的设计课程和徐楠同学分享的IPD课程,面向的问题都来自生活之中,来自周边感知的痛点。这也匹配了新工科教育的关键点,就是如何把社会的痛点和个人的兴趣点作为起点去定义要解决的问题。
 
下面我们请到香港科技大学广州校区InnoX项目的梁浩博博士和杨逸豪同学来介绍另外一门课程,去探索如何把数学、物理和工程等基础知识与项目载体相结合。
 
杨逸豪同学也是是失败两次的团队成员,我们一直强调失败是最好的老师,我们来聆听逸豪同学通过多次失败的学习感悟,也希望大家从他的分享中来总结新工科教育和传统的课程有什么不同之处。
 
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梁浩博博士:
 
香港科技大学InnoX研究生项目在新工科教育中做了两门课程的探索,一门课就是徐楠同学分享的集成产品设计(IPD),另一门就是我为大家介绍的综合工程基础(FIE)课程。这门课是以项目为主导,以学生为主体的体验式学习课程,采取团队教学的新模式,由数学系的胡继善教授带领,工程学科背景的周晋妮博士和梁浩博博士参与指导。同时,松山湖机器人基地也联合广东工业大学开办了类似的针对本科三年级学生的课程。
 
从李老师提到过的山寨现象出发,中国企业包揽德国抄袭奖,我也另外找到了一些案例,图21中左是 UR Robots 的协作机器人,右边是国内的同类产品。
图21 UR Robots vs. 国内同类产品
 
山寨现象屡见不鲜。很多产品既没有把原创产品好的部分学到,又没有对原创产品的缺陷做修改和弥补,可以说是抄都没没抄好。这也让我们想一想背后的几个问题: 1. 为什么山寨现象在我国层出不穷? 2. 为什么连抄都抄不对? 3. 怎么样才能从山寨走向创新?
 
我们把这样的问题带到校园中,发现同学们也会有类似的生搬硬抄,缺少思考的现象。同学们可以想一想,有没有遇到过类似的情况:1. 你们在要解决一个问题,或者要做一个项目的时候,缺少分析,不管三七二十一就先动手,出了差错再修改调整。2. 设计的时候全凭感觉,会不会出错心里也完全没底,完全靠运气。当然,也不知道学到的数理科学知识可以用在什么地方。
 
结合产业和校园两个方面,怎么样才能避免这种山寨抄袭现象?其中两点非常关键,第一是要深刻理解原理,第二就是要对产品有一个重新的正确定义。我们把这样的需求带入课堂,参考Olin工学院的QEA课程,根据我们学生的特点做了改进和重新设计,开设了FIE课程。课程的特点非常鲜明,是通过项目引导学习,注重培养量化分析能力,由学生主导,整合所有可以利用的资源,自我驱动式学习,也会与实际工程接轨。爱因斯坦说过 “如果给我1个小时拯救世界,我会花55分钟来弄清楚问题,5分钟去寻找解决方案。” 这门FIE课程,就是想让同学们学会怎么样分析问题,把55分钟的基础打好。
 
我通过一个基础的模块 “造船” 给大家简单讲述一下课程的体系和流程。在课程最开始的时候,我们会给同学们介绍一些基本的船体情况,比如有单体排水船体,水翼船,滑行船体等等,让大家有一个基本的了解。之后会告诉大家,集中关注在单体排水船体,并且设计满足如图22要求的船体。
图22 船体设计基本要求
 
带着这些基本要求,因为我们的学生们是工程背景,有一定的数学、物理、编程基础,另外我们又给了大家一些时间去搜索资料了解,然后就进入了我们正式的第一节课,造船初体验。 这节课的要求是让同学们在两个小时之内设计好船,并且预测自己的结果,最终测试。
图23 造船初体验--流程
 
大家在两个小时内也经历了产品制造的流程(图23),从构思到设计,装配出模型进行测试。可是测试的结果怎么样呢?只有一组同学符合要求,但是这组同学在预测的时候并不确定自己的设计会不会出问题。所以我们总结,大家还是以先做再错然后再改的这种思维来处理问题,即使成功也是巧合,并不能真正解决问题。利用这次课堂,也让大家增添了对课题的兴趣,感受到了创新课堂的氛围。
 
我们课程的正式内容,就造船模块,分两个阶段。第一个阶段就是按照我们提出的基本要求,同学们进行模块的构建,在这个阶段适时嵌入相关的知识点和工具的应用,帮助同学们进行项目。按照大家一惯的思路,在收到要求之后,就会开始设计基本结构。但是我们要摒弃这种不分析的思维,所以我们要求大家先来分析,对整个核心知识进行一个分解。也就是说,如果要满足这些条件,你必须要知道哪些知识点。就拿AVS来举例,如果AVS要满足要求,需要计算扶正力矩,如果不了解扶正力矩,就要通过自己的搜索进行下一步的分解,诸如浮力矩,重力矩等等,以此类推,直到分解到你可以熟知掌握运用的内容,然后我们再一层一层往上进行学习。这样我们既做到了每个知识点的应用,同时又保证了各个知识点之间的串联,而不像传统的内容一样学不致用。
 
针对同学们的学习,我们还设计了各类小实验让大家去体验。比如质心和浮心的内容,我们通过用不规则的铁板,以及漂浮的小木块,让同学们既要估算又要精确计算,切身去体会估测和分析的不同,并且对这些知识点掌握地更牢固。我们还会鼓励同学们,去思考不同的解决方法,不会因为以及有了一种方案就停滞不前。通过对知识进行碎片化再整合,之后再利用工具去实现设计船体,然后就可以动手操作了。这就是所有的课程模块都遵循的一个流程,对大问题进行分解,然后再进行学习和整合。
图24 FIE课堂
 
我们的课堂氛围(图24)是互动式课堂,以学生为中心。因为我们发现, “同学们知道” 和 “同学们怎么样给别人讲出来” 是完全不同的概念。所以我们会邀请同学站到台前来给大家讲述自己的体会。同时课堂上我们还会有小组讨论,根据同学们的背景,进行随机分配或者强强联合,来保证大家的学科交叉,让大家从同伴中学习知识。所以我们的课程不仅仅是传统的老师面向学生,而是大家相互学习的一个环境。我们的教学团队也会时刻对同学们的情况进行了解,给大家的问题进行深度剖析,同时教学团队也会有学科的交叉,来满足同学们不同方向的需求。
 
经历了四周的训练,我们就要验收第一阶段的成果了。虽然第一节课成绩不尽人意,但是我们教师团队对大家还是满怀期待的。可是结果并不是很乐观,只有两组同学完全满足了要求,大部分同学的AVS都不满足要求。还有两组同学表面上是满足了要求,但是实际上他们是因为提前测试,发现不合规就去通过添加配重来使船达标。这种面子工程我们是拒绝的。所以第一次测试的结果没有达到课程的要求,这次测试也更加验证了,不分析先做,最后还是会导致失败。当然我们要从失败中寻找问题,从失败中学习,于是我们又给大家一周时间,让大家去分析出问题的原因,重新去做。第二次的结果还不错,但是还是有两组失败,其中一组是有同学强烈要求自己一个人做,没有组队,所以我们也得出团队合作还是很有必要的。另外一组的AVS角度还是没有达标,但是很好的一点是,他们之后通过分析找到了自己的错误,并且验证了自己的分析是正确的。我们非常鼓励大家从失败中学习。
 
简单的总结整个课程的体系,我们会在课程开始介绍整体框架,然后同学们去进行探索,提出新问题。带着这些问题,同学们在课下学习新资料,攻克这些新问题。下一节课的时候,教师团队会对同学们的情况进行了解,来汇总同学们的问题,查漏补缺,引入新的问题,然后不断的进行循环和迭代。所以我们既不是要做手工课,也不是要上数学课,而是要让同学们分析背后的原理,去掌握这种工程思维。
 
在第二个阶段,针对我们的研究生同学,让他们突破自己专业的舒适区,打破定势思维,在运用第一阶段知识的情况下,去自己定义和设计项目。同学们也提出并且设计了诸如飞行船,潜水艇,避障船等等。
图25 与真实的项目设计结合
 
那我们的课程怎么样去和真实的工程结合呢?松山湖机器人基地和广东工业大学就做了一个很好的尝试,利用这种工程分析思维,结合“云鲸”的产品,让学生们通过拆分产品,利用扫地机器人内置的传感器和开源系统控制系统,来做出符合要求的产品来(图25)。更可贵的是,课堂上还邀请到了企业的技术负责人来分享经验,这些都是新工科教育中必不可少的环节。我们也有失败库和案例库让大家去真正感受真实的工程。
 
之后我们的课程会根据不同主题来设计,比如智能家居,现代农业等等,既要保持一定的热度,也要保证有新鲜度。大家在学会这些方法之后,可以拓展到不同的领域。所以回归到最初的两点,理解原理和定义问题。我们这门FIE课程,就是帮助大家去理解原理,而IPD则是训练大家如何去定义问题,结合起来,就是走出山寨的开始。就像云鲸,Dyson一样,他们之所以脱颖而出,就是因为他们既定义好了问题,又对问题理解的非常到位,再加上产品出色的设计,造就了他们今天的成绩。
 
梁浩博博士分享内容结束
 
杨逸豪同学:
 
大家好,我是杨逸豪,刚才老师提到过有两次失败经验的成员。下面我来谈谈对于FIE这门课程自己的心得体会。在第一节课知道这门课的主题之一是造船时,我的内心有很大的困惑。首先对于这个主题,我个人并不太感兴趣,其次对于有关学习的知识点(图26),我感觉之前都有了解。不过带着这样的疑问,我也进入了课程的学习。
图26 造船知识点分解
 
在FIE课堂上对我最大的感受就是这门课互动性特别强,我们通过小组讨论的形式来进行学习,每个学生都可以分享自己对于基础知识点的理解和想法,同时对于比较基础的知识点,比如质心浮心等,尽管之前已经学习过,但是由于时间过去比较久,或者当时也没有掌握的很好,而导致遗忘。在课堂上就会通过亲自动手实践,计算的方式来加深理解。
 
在课后通过作业等形式,主动搜寻资料,自主学习项目所需的知识。以我个人为例,我也是通过一次次的作业和同学们的交流当中逐渐理解了船的长宽比对于AVS角度的影响以及如何通过 Matlab 建立船体动力学方程来模拟仿真。
 
我们每周会有单独和老师会面的机会,和老师助教积极沟通,讨论课堂和学习情况,及时调整改进课程内容。经过四周的学习,就进入了最后的项目阶段。之前也提到过我们组前后一共失败了两次,现在回看最主要的问题就是前期的分析不够细致。首先第一次实验之前缺乏分析,对于建模的数据没有仔细研究,急于动手实验。实验中出现错误想直接改正,没有回溯建模数据检查。只是凭借以往的经验直接修改,导致无论如何都没有办法同时满足几个要求。有了这个经验,在第二次开始之前,仔细检查第一次失败的设计模型,找出问题所在再开始设计。第二次一开始也没有成功,但是失败后我们组并没有特别慌张,而是立马回看检查数据,确定问题出现在制作过程中产生的误差。最后我们修正了问题,最终成功达到要求。
 
在完成项目的过程当中,因为我们同学们背景不同,所以可以从同学身上学习到很多。我的第一个队友是精算背景,数学能力特别强,第二个队友有算法设计的基础,这些都让我接触到之前不太了解的知识。经过一个学期非常不一样的学习过程,对于FIE的疑惑也慢慢消除。在我看来这门课的重点并不在于主题是什么,而是通过完成项目的形式来学习原理知识,把已学的或者新学的联系起来,应用到项目当中,同时随着更多的主题模块设计出来,一定能找到自己感兴趣的主题并且有所收获。
 
除此之外我也切实体会到了分析的重要性,要重视分析并且从失败分析中学习提升。
 
从我们组前后两次失败后的心态以及解决问题的难易程度可以知道,只有在前期做足了分析,你的每次失败才会更加有意义,你才能学到更多。
 
杨逸豪同学分享内容结束
 
非常感谢四位现身说法,不论老师还是学生,在新工科环境下如何去学习,训练自己的思维,都是非常重要的。
 
第四课我们将介绍松山湖机器人基地如何为有志创业的同学提供一个实现梦想的生态环境。同时,我们也请智能家居机器人公司云鲸科技创始人张俊斌同学,机器人核心技术公司 本末科技创始人 张笛同学分享他们在松山湖机器人基地的创业经验。随后,我将介绍机器人基地(Xbot Park)为有创业意向的同学提供的从0到1点创业培训项目计划。
 
鸣谢:
 
香港科技大学梁浩博博士根据网课撰写文字稿,松山湖机器人基地同事为本文改进提供参考建议。南方科技大学吴景深教授, 香港科技大学 梁浩博博士、徐楠同学和杨怡豪同学的分享, 港科大InnoX 项目 IPD 和 FIE 老师和学生的参与和支持。
 
单位:
 
松山湖机器人产业基地、香港科技大学、南方科技大学
 
参考文献
 
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[13] 颠覆创新人才培养的欧林经验, 李泽湘,知识分子, 2019-05-06
 
[14] The global state of the art in engineering education, March 2018. Dr. Ruth Graham [15] Reimaging and enpowering Design of Projects: A Project-Based Learning Goals Framework, J. D. Stolk and R. Martello, Olin College of Engineering, 2018
 
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