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导 言 设计通论

  设计的方法广泛应用于解决问题和达到预期目的,甚至很少或没有受过培训,或对一般方法没有兴趣的人们也使用这种方法。所以,用一个人们熟悉的实例——设计一座庭园来开始我们对设计理念的探讨是有意义的。设计庭园的例子便于我们研究一般设计的特性,研究在设计过程中通常会伴随而来的步骤和方法。
 
  第一章将“导言”描述的设计理念应用到具体的课程设计。第二章研究“课程的结构、内容和实施”。

一个示意性的例证
  设想我们预期的目的是建造一座家庭的庭园。设计者不必是知道如何设计家庭庭园的专家,虽然他需要具有一些有关植物的知识,或知道如何能找到这些植物。采取的方法也不需要是很有条理的,但每阶段需要有细致的步骤。我们要做的是:

● 要逐步明确我们要建什么样的庭园,是种植蔬菜还是花卉,或两类都种植?是利用庭园聚会还是养蜂,或是单为享受在庭园活动之乐趣?另外,如何判断我们庭园的设计成功与否?是为获得更富有营养的饮食、蜂蜜,或减少购买花卉的开支,还是表示显著的社会地位、平静的心态或是其中的几种目标?同时,我们要开始明确实施计划时在物质上、财务上和法律上的限制。
● 在明确了我们的目标和限制条件后,我们要确定可供选择的设计理念,帮助我们有重点地考虑设计的各种可能性。庭园设计的理念可以是能供给连续的季节性的蔬菜或花卉,也可以是仿造英国乡村庭园,吸引(或驱赶)野生动物,或单建造一座只需周末管理维护的私人庭园。我们要研究书籍杂志上的样板花园,在互联网上搜索,同专业的园艺家讨论和参观朋友和邻居的庭园,希望发现我们没有想到的方案。
● 我们要将各种可能的方案缩减到吸引人并在限制条件允许的范围内可行的设计理念,再仔细认真考虑我们的预期目的,从中选择一种可能是最好的理念。
● 然后,要考虑研究这种理念的各方面细节,开始庭园实际设计和规划的工作。在这阶段,要权衡各种要求。例如,在要有大面积树阴的林木和需要阳光的植物之间作出选择。我们的规划很可能还只是一种草图,只说明了如何安排花园的植物和其他特色布局。在把规划发展成最终的方案时,我们要征求专家的意见和建议,或利用市场上现有的计算机辅助设计方案。
● 在建造庭园的实际工作中,我们会遇到意外的困难,迫使我们修改原来的设计,甚至选用替代的设计理念。
● 家庭园艺家知道,即使花园建成后,设计上的挑战也并没有结束。建成的庭园可能并不完全像设计的那样,或庭园虽建造得如设计一样,但我们并不喜欢,或许建造过程中的错误此时才显现出来。换言之,我们会发现修改是必要的。我们也必须估计到一种情况:即使庭园起初是完全令人满意的,但在所种的植物和花卉长大盛开时,它们之间的实际搭配有了变化,不得不再作些变动。

  我们对建造庭园实例的探讨说明,虽然在建筑、工程和园艺等方面的设计并不神秘,但显然设计也的确存在人们在解决难题和达到预期目标时不容忽视的特点,所以我们更广泛地探讨设计的特性是有意义的。

设计的特性
  如果以上阐述的是布鲁克林大桥而不是一座私人庭园,设计上的问题也会是相同的。每项特殊的设计工作都有它传统和环境上的特色,但是它的方法、步骤同样适用于任何程序或系统的设计。如上述庭园的例子所述,设计有以下特点。

  设计是有目的的。目的(预期的目的)可以是提高课程的成效,解决交通的堵塞,以农作物的多样化替代使用农药,或用理解改变死记硬背,用新方法开拓现有技术,或制造一种新产品或提供更好的服务。在实践上,一项设计可以有多种目的,它们可能是一致的,也可能是矛盾的、清晰的或隐晦的,当前的或长远的、政治的或技术的。无论是什么样的目的或是几种目的的结合,设计人员最好从一开始就了解全部目的,他们才能作出相应的设计。

  设计是审慎而深思熟虑的。布鲁克林大桥不是一天内就能以它雄伟的面貌呈现在人们面前的,它不是由一座浮桥经过几十年演变而成的,也不是工人们走一步看一步就能建起来的。在研究建造一座桥梁时,这种情况似乎是显而易见的,但学校课程的情况就不总是这样的。设计需要深思熟虑做出规划,如一种物体、事件、程序或体系。课程就是这样一种工作,如同认真规划庭园、船舶、武器、宴会、舞剧、交通模式、装配线或科学试验。

布鲁克林大桥


伦纳多•戴文塞设计的有摆动翅膀的飞行器示意图

    有关设计创新重要性的报告,请参阅戴瓦·沙佩尔1995年写的有关创造经度精确测定仪的故事《一个解决了他时代最重大科学课题的天才的故事》。

  设计需要有创造性。设计并不是必然会导致取得成功的某种机械的程序。正像科学本身常被曲解为是一系列固定步骤(“科学方法”)的必然结果,设计是一个多变而创造的过程。然而,如同科学探索一样,设计具有一些反复表现出来的特点。无论是设计一座新的医院或一条电话线路系统,在设计的每个阶段都应该有机会吸收引用创造性见解、新的观念和革新。谈设计的作用是巨大的也许是正确合理的,正因为设计是系统的又是有创造性的,是既要脚踏实地又要富于想像力的。

  设计在多层次上运作。布鲁克林大桥有一个整体的设计,但是每个部分和建筑工序都得有各自的设计。这些设计包括切割和运输建造桥塔的石块,制作钢缆,铺设行车道,甚至包括制造特种工具。一个主要的设计原则是一个层次的设计决策必须同较高层次的设计相协调(以布鲁克林大桥为例,一个铆钉如不同大梁预计拉力相匹配,最终会导致整个大桥的倒塌)。许多普通工程涉及已有零部件的挑选,因为用什么零部件可能会影响整体的设计。另外一种情况是大型工程的设计也需要特殊新部件和工序的设计。

  设计需要有折中方案。设计不是为追求真理和它本身的完美,但它必须使一项工作取得成功。人们期望建筑师和其他设计人员提供在具体条件下能有效解决问题的实际方案。作出解决问题的决定时,在利益、费用局限和风险之间要进行权衡。所以,不管规划多么细致,见解多么创新,从不同角度看设计总是会有缺陷的。但它们也会因合理的妥协而被会意地接受。有些缺陷可能是事先没有预料到的,直到设计的物件或程序实际使用以前,这些缺陷在设计过程中并没有暴露出来。所以设计方案必须时刻关注取得成功的规定。

“世上没有十全十美的设计。因为调整好一个限制因素常常会导致与其他限制因素的冲突。例如,最轻的材料不一定是最结实的,效用最高的形状可能不是最安全或者最符合审美标准的。因此,每项设计都应有多种选择方案。方案的选择取决于人们把每个限制因素看得多重。例如,是要结实还是要轻巧?外观重要还是安全更重要?我们的任务是能得到一个合理地平衡各种限制因素的设计,应该懂得从来没有一种设计可以同时做到最安全、最可靠、最便宜、最有效等。”

    ——摘自《面向全体美国人的科学》24页

  设计也会失败。导致设计失败的原因有很多。立体电影虽然在技术上是按计划制作的,但在市场销售上是失败的。伦纳多•戴文塞设计的有摆动翅膀的飞行器因机械和观念上的问题失败了(因为300年以后才开发出充分的动力,还因为他是错误地以鸟为原型设计的)。正如汉丁堡灾难清楚地表明的,用氧气作燃料的飞船也因为不安全而失败了。一个设计的系统可能因为一个或几个部分的失误而失败。即使每部分单独运转得很好,也可能因各部分不协调,运转不灵而导致失败。多数情况是设计既不会完全令人满意,也不会全部失败。所以,设计成败的关键是从开始到以后的各设计阶段均需要不断改正、评估和改进。

  设计是有步骤进行的。设计是一种进行规划的系统方法。虽然没有严格顺序的固定步骤,但在设计过程中确实不时地或间歇需要一定的步骤。在实际的设计工作中,各阶段可能会有曲折。在某阶段作出决定时,需要考虑同其他阶段决定改动的相互影响。在进行一项设计的过程中,设计不可避免会有改动。在设计不断取得进展时,设计的目的可能变得日益明确,或者由于发现限制因素和经费的问题而不得不调整设计。
简言之,设计应包括以下四个步骤:

● 制定尽可能明确的设计规范细节,确切地说就是要达到什么目标和受  到哪些条件限制。
● 要有几种可供选择的设计理念,认真研究每种设计理念,从中选择一种作为进一步编制设计方案最理想的设计思想。
● 编制一个全面的设计,对设计的各方面进行测试并做必要的调整。这阶段要不断调整平衡目标、限制条件、效益、成本、风险和预期的设计。
● 根据经验和用户反馈的意见,完善整个设计。

  本章的剩余部分将详细阐述以上四个步骤。

在约翰·哈奇逊和约翰·卡斯聂茨于1994年撰写的“技术设计和问题的解决”一文中,对设计步骤提出了另一种方案:①识别存在的问题和机遇;②编制设计概要;③调查和研究;④制定替代的解决方案;⑤选择一种解决方案;⑥设计编制工作;⑦设计模型和样板;⑧测试和评估;⑨重新设计和改进。

制定设计的规范

  设计是为了达到某些具体目标要求而进行的一项有意义的工作。它是一种用来达到预定的目的和满足需要,或利用一次机遇的手段。因而,设计的第一步是明确要达到什么目的。同时也要考虑到设计总会遇到的制约因素,如时间和资金的限制、法律的约束、政治上的考虑、文化传统、自然法则以及其他限制条件。目标和限制条件决定了要求设计达到的规范细节。

  此外,设计规范可以是技术上的、美学上的、财务上的、政治上的或道义上的。波音727飞机的设计要求在飞越海洋时,如有一个发动机发生故障,它仍能安全地抵达一个机场,这要求既是技术上的也是道义上的。设计规范可以是客户或设计人员期望的特点细节,也可以是外界对设计的要求。事实上,编制设计的大部分工作是在达到既定目标和开始设计要求的同时,解决如何应对或绕开各种限制条件。

  目标
  
  人们常用笼统的语言来表述目的,如创建一个比现行的更能节省成本的卫生保健系统,制造一辆能行驶更长路程而不需要充电的电动车,建造一座美丽的庭园或编制一套能使所有人都具有科学素养的从幼儿园到十二年级的课程。这类一般性的目的必须充实发展成具体的目标。只有确定了所有的目标,设计工作才能开始,必须有比目的的一般叙述更为详尽的说明。设计开始后,还需进一步具体阐明目标,而且对目标的描述会越来越明确具体。偶尔也可能增加新的目标,但大多数具体目标都是逐步从更高层次的目标发展引申出来的。

  确定目标究竟要具体到什么程度也是重要的。试举一例,假如纽约市市长命令市府官员寻求解决横贯市区(东、西)机动车交通提速问题的办法,官员可以尝试这样或那样的模式来解决提速问题,但是也可能有的模式使交通情况变得更糟。所以在着手处理这个问题以前,交通模式的设计人员要更具体地知道“横贯市区交通提速”问题究竟要达到什么具体目标。提速是包括所有横贯市区的道路还是只是一些主要道路?是加速所有地区的交通还是只是曼哈顿地区?交通提速是指全天还是只在一定的高峰期间?需提速多少?是10%吗?所谈的提速是指每条街道都同样提速还是所有街道平均加速等。

  然而,确定目标的细节不像看起来那么简单。常常是目标日益明确清晰时,在有不同利益和认识的群体中就会引起不同意见和反应。举例说,科学家可能会同意美国应制定维持宇宙探险宏伟计划的建议,但是如果议会将这意见解释为增加空间站的经费,这建议会遭到相信无人驾驶的宇宙探险更富有成果的科学家的反对,因为其他领域的科学家觉得他们的经费将会有被削减的危险。同样地,横贯市区交通的提速自然会减慢其他方向交通的速度。要做成一件事,我们只得决定或不得不放弃另一件事,或一件事要做得更多,我们就得同意少做其他事。

  目标会遇到各种限制。事实上,某些目标会成为其他目标的限制条件。市长的命令可以被认为是“加速一个方向的交通而又不减慢其他方向的交通”。市长也可以规定其他要求,如新的交通流向设计不能给公众和机构带来不便和风险,不增加城市开支或减少收入,不能给送货造成困难或妨碍其他方面的营业。因此,在设计的某些方面还必须增加一些内容,否则就不可能作出一项既能达到市长提出的要求,又能满足他所提出的各种条件的设计。不过,在进行必要而有根据的平衡之前,必须精确而详尽地阐明各种限制条件和目标。
我们要预料到在设计过程中,随着对情况的更多了解和出现的制约因素,人们会修改目标。例如,对交通流量的研究说明横贯东西的交通只在1/3的区域意外地减慢了,这就要重新确定目标,只需要提高这些街道交通的速度,而不必改变其他的道路。市长是否能接受重新确定目标的意见更多涉及政治上的考虑,而不仅仅是技术上的问题。

  设计常会有比表面上看到的多得多的问题。在交通问题上,市长真正的目的或许是想通过表示准备迅速解决城市长期存在的交通问题来增加他再次当选的机会,转移对其他类似住房、犯罪等问题上缺乏政绩的批评意见。我们建造一座家庭花园的真正目的也许是为了显示社会地位和较高生活水平,或为退休夫妇提供有意义的活动场所。如目标表达得过分明显,也许就难以达到。以学校为例,平常用教育词汇表述的减少旷课逃学的目标也有一种较比隐晦的说法,如说社区的目标是要使没人监管的年轻人白天不在街上闲逛。设计人员应意识到要取得成功就要考虑到没有或不能公开讲明的目标。

  限制条件

    “每项工程设计都要受到条件的约束,必须查明这些约束条件并加以考虑。一种类型的约束条件是绝对的,例如物理定律——能量守恒定律,或者物理特性,如弹性极限、导电性和摩擦力。其他类型的限制则有灵活性,如经济限制(可供该项目支配的经费)、政治限制(地方、州政府和国家的法规)、生态限制(自然环境的毁坏)和道德限制(对某些人的伤害和对下几代人的危险)。一个最佳的设计要考虑所有这些限制因素,并且找出合理的折衷方案。”

    ——摘自《面向全体美国人的科学》23页

  明确限制条件同描述目标一样是设计的一部分,目标是说明要完成的事,而限制条件是具体说明其限度。从一定意义上说,有关目标的许多论述也适用于制约条件。在开始设计时,常用一般的词说明要应对的限制条件,如“不能把残疾人排除在外”,“利用国际机场现有的跑道”,“有益于环境保护”,“不增加教育经费”等。没有一条这类特别的限制条件是作为设计目的而充分表述清楚的,所以必须把这类限制条件变成具体的要求。例如,有关跑道的限制需要及早表述为具体要求,即在了解国际机场跑道的物理性能基础上,限定跑道允许的最大载重量、制动装置的性能和飞机的最大起飞距离。

  一些对设计最严格的限制条件是由外界硬性规定的。如一座新博物馆必须达到它所在地区建筑规范的要求;一架新的喷气式飞机必须符合联邦航空局的安全要求;一种新药必须达到美国食品及药物管理局规定的药品疗效和安全的要求。有意思的是所有这些外界的要求不都是由政府或有法律权力机构提出的,专业行业协会有时也提出要求,或规定约束设计的标准。

  正因为有些互相冲突的目标和相互矛盾的限制条件,在设计过程中可能要修改目标。在限制条件日益明确时,它有时明显地妨碍达到确定的目标。这种情况会导致需要重新协商,消除或变更某些限制条件。但是,要这样做有时是困难的,甚至是不可能的。例如,对跑道的要求,建造者可能试图说服当局采用如新型起落架那样的技术革新来提高跑道能承受的最大降落重量。另一方面,因物理定律(如地心吸力)造成的限制条件是完全没有商量余地的。

  总之,正如在设计过程中发现目标并不现实而不得不改变一样,也可以通过各种努力,如研制新材料,采用新技术,创立新的工艺流程,废除某些法规,引导公众意见,改变各种奢望和改变资金的优先顺序等,使限制条件不起作用。

形成设计的理念

  每项引人关注的设计,如巴拿马运河、全球自然资源编目(the Whole Earth Catalog)、戛纳电影节都有一个或几个令人感兴趣的设计理念,但它们常常是简略的,很少是精确的。这些观念——“设计理念”在设计前就已形成,虽然它们很少在设计完成后仍会完整地存在,可它们在设计开始时是必需的。

  设计理念是一种或一整套贯彻始终的观念,它提示要设计事物的特性。例如,纽约联合国总部建筑群的设计人员开始是要建造一座显示这个新诞生国际组织尊严和重大意义的设施,也成为一个实际的“和平讲台”。这个被比喻为“和平讲台”的建筑在精神上是国际性的。但它还要与周围环境和谐协调,它应是面向未来而不是回顾过去。评论者对最后的设计是否完美地体现了这些理念有着不同意见,认为同样这些理念或许还能编制出更好的设计方案。但对设计人员来说,这些理念提出了一个有影响的统一的主题(设计理念有时也能在激发人们对项目的热诚和集资方面起重要的作用)。

如要了解不同设计理念在重大项目上应用的报告,请参阅大卫·麦克夫1978年所著的《海洋间的通道:巴拿马运河的建造(1870~1914)》。

  人们可以从草图琢磨到设计理念,有时也用文字或文字结合图像来描述设计理念。不过更多的情况是可以从已有的编制得很好而又广为人知的多种设计中选择采用一种设计(车站旅行车、有尖屋顶的住房、大学预科课程),或修改一种设计(装有航空椅的旅行车、有日光浴设备尖屋顶的住房、增加社区课目的大学预科课程)。有时,没有吸引人的先例可以用做设计的理念,然而设计人员可以强调早开始设计的某些方面,如目的、组成部分、特色或效果,使设计具有它的特点和指导进一步改进完善设计。


  设计常有许多可供选择的替代方案。做任何事很少只有一种正确的方法。提出和研究比较各种可能性是成功的设计一个基本步骤。从许多方案中选择一种设计理念也许不是一件容易的事,但是,需要研究和作出明智的选择将迫使设计人员在确定设计细节前从更大范围进行思考。

  如何从可能的设计理念中进行选择作出决定?着重认真分析有利方面和限制条件、费用,对其他系统的依赖关系和可能的副作用是有裨益的,但是,在经验和对所设计领域了解的基础上的敏锐洞察力也有着重要的作用,如造船工程师很了解船舶,电影导演懂得电影等。但是,正如研究可选择的设计理念是重要的一样,同样重要的是设计不能停留在研究可选择的方案上。同时编制许多设计进行比较是太昂贵了。

实施设计

  只有在确定了目标,明确了限制条件和选择了设计理念,才能开始进行全面的设计。我们再来研究一下布鲁克林大桥,这是里程碑式的实例。修建大桥的目标是寻求一条通道,可以让大批人群来回过布鲁克林和曼哈顿之间的东河(East River)。这就导致产生要建造一座双塔吊桥的设计理念(而不是其他类型的桥梁,也不是过河隧道或渡轮),其高度应能通过远洋船舶。然后形成了桥梁所有特点的规范细节:建双塔桥的地点、建桥材料、桥的高度、制作钢缆的材料及钢缆的安装和固定、桥墩的大小及墩距。

  在开发一件产品或一个系统过程中会出现新机遇和新思路,同时也会有未预见的难以避免的障碍。但不是所有的思路都能起作用和所有障碍都能克服的,所以在设计进展中必须作出选择。正确估计效益、费用和风险能提供在各种可能性中进行权衡的依据。例如,在建造布鲁克林大桥的双塔时出了许多工人的伤亡事故,总工程师不得不在双塔建设不到设计高度时停止建设,他认识到挽救工人生命比大桥有一天可能倒塌的长期风险更为紧要。至今,看来这种妥协权衡是成功的,布鲁克林大桥到目前已经过了一个多世纪。然而,设计上也有过极端的案例,它们的妥协平衡不是人们期望的,是不能接受或甚至不能忍受的,就有必要拒绝选用的设计理念而采用另一种理念进行设计。

几个有用的策略
 
  实际上,进行一项设计有时可能是相当容易的,有时也会使人胆怯畏缩,这取决于设计所面临的复杂性。设计一座庭园或许只需要几天或几周,只需不多的帮助;但是设计一座空间站就需要几年时间和数千次计算预测。多数设计的挑战,包括课程设计,是介于这两种极端的难易程度之间的。但即使在较为复杂的设计中,有几种策略可能有助于处理设计工作的复杂情况。其中之一是仿效或修改已有的设计;第二种是将整个设计分解成几个组成部分,单个的组成部分就比整体设计容易处理;第三种是在设计过程中反复测试趋于成熟的设计。以下是对这三种策略的简要论述。 仿效或修改已有的设计创新。在我们转向已有的设计寻求指导帮助时,我们设想这项设计是一项成功的设计,实际上布鲁克林大桥也的确是成功的(从它达到了我们期望的目标和没有倒塌的意义上看),许多桥梁建设已采用了类似的设计方法。然而,对基本成功的设计作过分的修改也会导致设计的失败。亨利•彼特奥斯在他1994年的著作《设计的实例:工程的失误和判断的案例》中断言,桥梁建设史充满了照搬成功案例推出新设计的事例。

  很少有可能在新的条件下仿效已有设计的每一个细节,所以修改一般是必需的,虽然这可能带来不成功的风险。但是,不管设计本身怎么成功,在不同情况条件下照搬已有的设计会带来更大的风险。在修改任何已有的设计时,设计人员必须随时了解确实的信息、有关的经验和已有的原则,虽然这些也许不是最终能获得的。他们必须警惕的是:不同设计的各部分组合在一起不一定能顺利地运转。

仿效一项已有的设计涉及识别已完成并正在运转的事物或系统(如巴黎歌剧院、耶鲁大学、美国宪法、快马邮递),研究和推断出它的设计,也就是要将它描述成可能像它的另一个设计。例如,仿效一个学区正在实施的从幼儿园到十二年级的教学计划,就要研究这计划并将它描述成可以为另一个学区提供参考的课程设计。

  在了解了这些后,确定怎么做才能取得成功的原则就显得格外的重要。编制在宽度增加25%的河流上建桥的设计不仅仅是将桥加长25%的问题,而必须根据有关大桥横梁的强度与其长度和横断面的关系,或风力对钢缆的拉力与钢缆离地面的高度之间关系的物理学定律,重新编制新的设计方案。又如以课程设计为例,要修改在中产阶级居住区已获得成功的课程设计使之适合贫困区的学生,只有知道了这两类学生在如何才能学得最好上存在着多少差距,才能更有把握地做好修改课程的工作。因不很了解教和学的原则,课程设计常会受到限制。

  分解设计的组成部分。如能将一个复杂的设计分解成几个部分,每个组成部分成为一个单独的设计,复杂的设计工作就能大大简化。设想我们修建庭园采用的设计思想是一个区域种植不需太多管理的多年生植物,另一区域种蔬菜,而且确定每个区域的边界。然后就可以分别设计每个区域或由家庭成员分别设计不同的区域。波音公司设计一架新型飞机时,在书面阐明细节(目标和限制条件)后,公司就分别同其他公司签订合同,设计和制造各种系统(如动力、导航、通讯等)。公司可以计划使用自己设计的“现成”部件而不必再设计新的。当然,各系统部件设计的详细说明必须包括同其他部件的关系。例如,所有电器部分都应使用同一种电压。如果一个部件的规范细节忽略了与之有关联的其他部件的要求,整个设计就不能很好地运作,甚至根本不能使用。最后,波音公司负责审查确认整个设计是可行的,这不是事先能作出的决定,因为所有的系统都要逐个经过检验使之符合要求。

  课程设计将在以后章节中进行详细的探讨,这里仅提供一个各部分不相匹配的典型例子。编制从幼儿园到十二年级课程设计的任务分成几乎是独立的几个部分。有时按教学科目领域来分(如阅读、数学、科学、历史等课程);有时按教育层次分(如职业教育、普通教育、大学预科班、进修班等);有时是各级各类教育的综合(如大学预科班的外国语课程)。不管每个部分设计的质量如何,存在的问题是组合的各部分不能形成一个互相关联的整体,学生难以在整个13年的学校教育期间进行最有效的学习。一个完善的课程设计应使学生能最有效地学习整个课程,而不仅仅是一个一个单元、一个一个科目或一个一个年级的孤立地进行学习。

“规模的巨大变化常常伴随着现象的巨大变化。……建筑物、动物和社会组织不可能在不改变其结构和特性的情况下变大或变小。”

——摘自《面向全体美国人的科学》151页

 

塔科马海峡大桥提供了一个由于忽视已知的法则而造成严重后果的著名案例。设计人员正确地推断了控制这座跨度空前的大桥上下震动必须增大的强度,但是忽略先前并不显得重要的弯曲引起的振荡,结果在1940年建成大桥后,在第一次狂风中桥就解体溃塌了。

  设计编制阶段的测试。不管现有的设计模型多么优秀,不管它如何深思熟虑地细分了设计的各部分,无论采用了多么正确的原则和多少信息,一项复杂系统的设计工作迟早(一般是较早)都会充满不确定性。设计人员在坚决贯彻一种设计理念之前,他们要想知道是否走着正确的道路,就需要查明各组成部分是否真正按设计规范的要求设计。他们在设计时,可以通过测试来完成这项工作。例如,在家长志愿者参加制定中学新课程时,教育工作者应了解社会将会有多少志愿者参加;或在实行学生依靠计算机辅导学习自定进度的教学课程之前,教育工作者应测试当地学生是如何利用计算机辅导软件进行学习的。

  测试各部分设计的最好方法是试制样品,查看是否达到了预期的要求,有时也可以通过小型模型进行小规模的试验。例如,设计新型飞机时,按比例缩小的机翼可以在风洞内进行测试;设计摩天大楼时进行计算机模拟试验,测试风的切变对建筑体积和各个方向的影响。在其他情况,小范围的抽样测试也是可行的。例如,下一轮全国十年人口普查的设计可以通过几百户有代表性的抽样调查,了解人们是如何回答调查问题的。测试一项设计的所有部分有时也许是不必要的,甚至是不可能的,但按习惯的做法可以测试存在最突出的不确定性的部分,或对设计成功的最紧要的部分。当然,各部分组合在一起时,整个是否能顺利运转到时候仍然是个问题,因而,整体的设计最终仍需要测试。如家庭影院中,高档的扩音器同高质量的喇叭可能不相配,使整个系统不能顺利运转。再以学校为例,有经验的教师使用的很成功的计算机辅导软件,而一些家长志愿者使用时可能会变成不成功的辅导软件。

“所有的设计都要进行设计试验,特别是当设计不同于一般或者很复杂时,如果设计的产品加工过程很昂贵或者很危险,如果设计失败后的损失会很大时更是如此。设计的性能试验可通过使用最终产品进行。但是,这样做可能极其困难和昂贵。所以,常常通过小型模型进行试验,或进行模拟试验,或只分别进行部件试验。” 

——摘自《面向全体美国人的科学》24页

“不要忘了寄出你夫人的信件”  鲁比•科德博格作

设计的决策

  人们都期望制造出能完全达到全部既定目标的产品、工艺或系统,而又是低成本和没有风险的。可是,人们不是总能得到所需要的资源,常常会遇到难以逾越的限制条件和成本过高等这样那样的问题而始终存在着风险。因此,设计的过程就是在不断寻求可接受的解决方案,希望取得界于期望和可能之间的折中方案。我们作出的设计决策就是在估计效益、成本、风险的基础上权衡的结果。

  效益和成本。提出一种产品或工艺新设计的人们自然要强调它可能带来的效益,如能治疗疾病、将人们从一地运送到另一地、能产出更多的粮食、一年内能有更多学生学习。但是,只有在制成产品或实施工艺程序一段时间以后,我们才能知道效益是否真的增长了,虽然某些产品,如药物和工艺,在推向市场前还需要经过严格的检验。

这些问题是依据《面向全体美国人的科学》第三章关于技术决策一节的内容提出来的。

  但是,有的使用者可能会接受预计的成本和效益。因而,任何领域的设计人员都要考虑成本效益。下列问题提出了要考虑的社会成本及当前和长期的财务成本。

● 谁是设计的主要受益者?谁受益很少或不受益?除受益者以外,其他人是否要承担成本费用?该项设计在实施后,谁会受到损害?如不实行该项设计,谁又会受损害?效益能持续多久?该项设计是否还有其他应用之处?
● 编制和实施设计的费用是多少?与其他替代设计的成本比较,结果又会怎么样?
● 创建、安装和操作建议的新体系需要哪些人员、材料、工具和技能?能否获得需要的一切?如果不能,怎样才能获得?可以从什么地方获得和需要多少费用?在修建、生产和操作过程中,需要哪种能源和多少成本?如实施了设计方案,保养、更新和维修设计的技术装备又需要多少开支?

“老鼠和人们完美的计划连着出错,想得到的欢乐留给我们的只有悲伤和痛苦。”

——罗伯特·彭斯(1759~1796)

  风险。对一项设计的全部效果很少能作出可靠的判断。这意味着我们不能永远指望从一项设计获得我们希望的全部效益,虽然有时也可能出乎意料地获得超设计预期的收益。但是,这类无用的意外结果的阴影也会沉重地压在设计人员的心头。任何事总会有风险——问题是永不冒险还是不出风险——所以统计师和工程师一直在努力寻求评估风险的可靠方法。对风险慎重的分析涉及对难以预测的意外事故的可能性的估计,要在确实发生意外时估量意外事故造成的危害程度。每次意外事故的风险就是意外的可能性及其危害程度造成的结果。各种风险估计的总和(或许连同各种估量之间相互关系的校正)构成了整个设计的全部风险。但是,要做出详尽的、纯理论上的风险估计总是很困难的,有时是不可能的。相反,一般情况下需要把拟议设计的有关风险同其他可能的风险,包括替代设计的风险(无论制定得多么完善,它总有其本身的风险)进行比较,并对比较作出粗略的估计。不论比较有什么结果,与设计相关联的风险绝不会降为零,所以,设计人员必须采取步骤,以合理的代价将风险降至最低。防范失误的办法是采用称为超标准设计的方法,即把某事物设计制作得比实际需要的更保险可靠。另一个补救办法是采用备用的设计,也就是说制作一个或更多的备用系统,在第一个系统失败时可启动备用的。在美国国家航空和宇宙航行局的飞行任务中,飞行器上的辅助计算机就有一台备用的。在教育方面,如第一线教学不成功时,应随时提供补救性的教学。

 

  如果一个系统的失败会造成很高代价的后果,可以重新设计这个系统,这种补救失败的办法可使最可能发生的失败只造成最小的损害。这需要在价值上作出判断,“如有可能失败时,让我们准备宁可要X类的坏结果而不要Y类更坏的结果”。“失败—安全”设计的例子是电动割草机的开关:割草机开关损坏时,坏在关的一档要比坏在开的一档好。另一个例子是美国的法律政策:刑事诉讼中按法律不能确定罪行时,宁可判无罪而不判有罪(根据价值观的判断,免于定罪比惩罚无辜为好)。当然,不是每个人都会同意什么是风险和什么是较为严重的后果。例如,允许成绩可疑的学生升级的风险是否就比让他们留级的风险更大,对这项教育政策一直存在着争论。当前,普遍认为让边缘学生留级要比升级的风险更大,所以有一种倾向宁可犯过分乐观的错误而不要犯过分悲观的错误(一种真正意义上的“失败—安全”的政策)。通过更多次的测试,制定一项更可靠的设计可以降低失败的可能性。

  权衡。“权衡”这词在最近几年才开始流行,但它的含义却由来已久。它是指在人类事务中长久以来惯用的做法——权衡得失,作出有得有失的妥协。权衡是基于一种常识性的观念:人们很难同时获得他所要的一切,特别是在其他人同时也想得到它的时候更是如此。权衡是解决问题的办法。它是由于人们要求分享如货币、时间或原料等有固定数量的资源而产生的结果。或在人们同时表现出慷慨和节俭、既要平等对待所有的人们又要照顾个别人的需要而引起价值观上的不相容的冲突时,需要进行权衡协调。在个人或群体对事物有不同认识时也需要权衡协调。当各方对每件特殊事务看法不一致有争执时,总得有一方作出让步,提出各方都能同意(或至少能忍受的)解决办法。

  

有时对设计耗费的时间也需要进行权衡。有的时候,等待进一步完善设计,可能还不如继续已发现某些不完善的设计更为恰当。

  在设计的实践上进行权衡协调是重要的。权衡也可以解决目标上的差异(如在家庭花园的设计上,放弃种植遮阴的树木或部分树木,确保花坛和菜地有充足的阳光);磋商限制条件(允许一座城市办公楼设计高度高于法规规定的时候,以占用少于规定的土地作为回报);或在目标和限制条件之间进行权衡(市长同意降低他以前要求的一些横贯全城交通的提速标准,但同时不减慢南北交通)。

  用这些方法来权衡设计工作中的问题,是使工作简单化了还是复杂化了,这取决于什么样的设计。在许多情况下,也许不能以收益—成本—风险的分析作为权衡设计工作的依据,因为缺少足够的信息,或不知道适用什么,或就是因为设计过于复杂。在其他情况下,因为耗费的时间过长和费用过于昂贵,用这类分析进行权衡可能没有任何意义。如同在设计的其他方面一样,这方面也需要有正确的判断。毫无疑问,下列条件促成优秀的设计:①审慎地进行平衡协调;②根据已知道的收益、成本和风险进行权衡。收益—成本—风险分析需要用某种方法来确定收益的大小,明确成本和估计风险。第一章“课程设计”将论述在教育领域做此类分析的困难。

不断完善设计

  一项设计并非产品本身。确实,事物本身,如实际的庭园、运河、喷气式飞机、椅子、服装、楼房、课程等,常与设计不完全一致。之所以存在差异,可能是由于设计原理上的缺点,或设计依据是不可靠信息,或设计的某些因素受到意外影响等。如差异过大,产品就可能失败,套用现在人所共知的词汇就是要“重起炉灶”、“从头再来”。此外,一般可以用不同方式来解释设计,因而客户预料的设计目标同设计人员想的并不完全一致。
“嗨!只好从头开始”

  在设计的产品使用之前,分别对各部分进行测试时,产品情况的反馈和完善产品的工作实际已经开始。但是,不管产品同设计如何一致,不论设计的各部分在测试时运转得如何顺利,但在产品各部分组合在一起开始工作时,没有一项产品会同原先预期的完全一致。即使产品在开始运转时很顺利,但在增加新的要求后,产品就变得不那么完美。如空中控制系统按设计要求跟踪一定数量的飞机,但现在要它追踪数倍的飞机就是一个现实的例子。其他一些产品工作得很好,但由于新技术和政策,它们也会变得过时了。最近购置了计算机的人们都能够证实这一点。正因为这些或其他原因,设计永远不会是完美无缺的。

  另一个设计需要不断加以完善的理由是,即使它已成为实际的产品,它是由人使用的并会受到人的影响。对产品和人的互动关系,人们常含蓄的提出各种设想,如所有的飞机驾驶员,而不仅仅是试飞员,都能正确使用操纵装置;汽车司机会遵守交通信号灯;职员接受使用新计算机系统的培训;我们能仔细照顾自家的庭园等。被称为“人为错误”的很多情况就是由于人们对如何使用设计的事物所做的天真的或没有根据的假设而造成的结果。

  考虑到产品常达不到人们期望的种种目的,可靠设计的做法是规定做系统的反复测试。对设计产品功能的反馈可以来自仪器(如监测桥梁应力的仪器)、来自对运转操作的直接观察或用户的证词。对空中交通管制系统,监察人员可以测量交通的延误、察看操作人员和飞行员。在课程方面,督导员可视察教室或访问老师或学生。

  反馈也可以来自对设计是否达到了最初的目标和适当处置了限制条件的评估。在空中交通管制方面,年度记录表明交通流量是否承受得了法定数量的事故?在课程问题上,学生的成绩是否说明短期内概念和技能的学习效果,毕业生在随后的学习中是否表现出长期的坚持能力?阶段性的评估能识别未预见的缺陷,有时也能促使提出修改的建议。因用户的反馈对设计做了进一步的改动,现在从装配线上下来的波音777在设计上已不同于第一架飞机。根据使用早期产品的实际经验,已不断修改了新增产品的设计。另一方面,对个别独特设计的产品,如联合国总部的建筑设计,则只能在实物上做修补。对生产了成品的最初设计已不可能在图纸上再做修改了,除非计划再生产类似的产品。人们只能从产品的变化上看出“设计”的修改。有时(但并不是经常的),来自实际使用产品的反馈意见是完全否定的,就需要重新考虑整个设计。但是,多数情况下是用新的或更好的方法来替换设计中的一部分。

  既然人们的庭园日后并不真正像我们设计的那样,那当初又为什么还要操心设计呢?我们可以在开始时就随意地规划一下,最终也会建成一个花园,也许还是一座漂亮的庭园。但是,这种成功的可能性会同我们的期望完全相反,特别是当我们希望庭园的不同部分能安排得和谐时。虽然实际的产品与它的设计会有某些差别,我们还是对设计的产品较之没有细致规划草率制作的产品更为满意。显然,这对于要按标准取得更为复杂系统的成功更是如此。

进一步的探索

  设计不会自动地和必然地制造出成功的产品,也不是每件受人赞赏的事物都必须是设计的。但在这些事物中,需要和应该设计成整体系统的就是课程。在本导言中,我们很少关注设计同课程的关系,目的是强调教育以外的几乎所有领域在设计上共同的方面。随后的第一章将研究探索如何将“导言”阐述的原则应用到课程这一特别领域中,第二章将详细阐述课程设计的规范。

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