李發(fā)權 熊世權

1.河南理工大學，焦作，454000 2.重慶大學，重慶，400030

0 引言

概念設計是產(chǎn)品研發(fā)過程中富于創(chuàng)造性的階段。在概念設計過程中，徒手草繪（free－h(huán)and sketching）和 CAD草繪（digital sketching）是設計認知的兩種基本媒介。不同的設計者運用媒介的習慣可能不同，由此形成兩種基本的工作模式：順序模式（sequential mode，SM）和交替模式（al－ternant mode，AM）。在順序模式下，設計者先以徒手草繪形成初步的設計方案，然后才在CAD環(huán)境里表達和修正，而在交替模式下，設計工作者以徒手草繪和CAD草繪的不斷交替來完成概念設計認知任務。由于多數(shù)研究者仍然認為徒手草繪才是設計構思的主要媒介，CAD草繪并不支持設計概念的創(chuàng)建［1－3］，所以，有關順序模式和交替模式對概念設計認知過程的影響的比較研究還很少見。但兩種媒介下的設計認知應該被研究，以探索媒介轉換和工作模式對設計認知過程的影響［1］。

目前，用來研究設計認知活動的主要方法包括內(nèi)省法（introspective verbalization）［4］、回顧法（retrospective verbalization）［5］、同 步 敘 述 法（concurrent verbalization）［5－6］、原案分析法（protocol analysis）［7－8］等。其中，內(nèi)省法和回顧法存在“意識對意識進行反映”的理論缺陷［9］，也難免有臆想成分。對于同步敘述法，根據(jù)Wickens的人類信息加工模型［10］，其口語陳述是直接從人的“工作記憶”中輸出的，是對思維活動的同步反映，所以同步敘述法是獲取真實的認知數(shù)據(jù)的好方法。而原案分析法以同步敘述法為基礎，將受試對象的視頻和音頻信息完整記錄，然后針對不同目標進行不同的數(shù)據(jù)分析。它既吸取了同步敘述法的優(yōu)點，又可獲得其他方法難以獲得的信息，操作也比較方便，所以成為研究專業(yè)領域的認知活動時所采用的一種重要方法。因此，本文采用原案分析法研究工作模式對設計認知過程的影響。

1 理論假設

本文首先提出理論假設，然后采用原案分析法開展產(chǎn)品概念設計實驗，對比研究順序模式和交替模式對設計認知過程的影響。

設計工作者的兩種基本工作模式——順序模式和交替模式如圖1所示。

圖1 設計者的兩種基本工作模式

如前所述，不少研究者仍然認為，徒手草繪才是設計構思的主要媒介，CAD草繪并不支持設計概念的創(chuàng)建［1－3］，其中，比較典型的是 Bilda等［1］針對徒手草繪和計算機草繪對概念設計認知的影響的對比實驗。實驗表明，在概念設計階段，徒手草繪比計算機草繪在利用時間、構思問題、提出備選方案，以及感知視覺－空間特征等方面更有效。不過，Madrazo［11］認為CAD環(huán)境里的可視化表現(xiàn)可用來更好地理解設計結構形式，以支持視覺思維。Marx［12］也指出，相對于傳統(tǒng)媒介，CAD環(huán)境里設計結構的可視化和即時反饋，可以使設計者更加頻繁地重定義設計概念。當然，文獻［1－3］同時也承認或暗示，隨著CAD軟件的柔性不斷增強，設計者和CAD環(huán)境的交互可能是一種新的設計工作模式。需要注意的是，在已知的文獻中，兩種媒介是分別被單獨研究的，與媒介轉換相關的工作模式對設計認知的影響的研究還很少見。基于此，本文提出如下3個假設：①相對順序模式，當設計者工作在交替模式時，其設計時間更短；②相對順序模式，當設計者工作在交替模式時，其設計質(zhì)量更高；③相對順序模式，當設計者工作在交替模式時，其設計結果更具有創(chuàng)新性。

2 研究方法

2.1 實驗設計

在設計任務方面，本文要求受試者設計出一種靠背可傾斜、座板可升降的座椅。至于受試者采用什么樣的結構來實現(xiàn)產(chǎn)品功能，實驗不作限制。為獲取原案數(shù)據(jù)，實驗要求受試者必須完整筆錄其設計構思活動，若需修改則保留修改痕跡，并在三維CAD環(huán)境里進行表達和檢驗，最終形成產(chǎn)品的原理方案。每個受試者的設計工作過程要求反映概念設計的全部內(nèi)容，包括傾斜機構和升降機構的方案確立、兩種機構的定位、功能構件的選擇、傾斜機構和升降機構的CAD實體模型的構建、虛擬裝配、運動干涉檢驗及修正等。整個過程采用攝像機全程錄像。

對于實驗樣本，根據(jù)“總體的同質(zhì)性越好，所需樣本容量就越小”的原則［13］，并參考 Bilda等［1］的一個相關實驗（樣本容量n＝6），筆者邀請了14位知識背景大致相同，即同質(zhì)性較好的機械專業(yè)研究生參與產(chǎn)品設計活動，他們來自機械傳動國家重點實驗室。

2.2 實驗變量及衡量方法

采用3個因變量和1個自變量來探討3個假設。因變量包括設計時間t（design time）、設計質(zhì)量Q（design quality）、設計結果的創(chuàng)新性N（novelty of design result）。

設計時間t并不是完成設計任務的總時間，而是功能連接（如齒輪副、鉸鏈等）的平均設計時間，由總的設計時間與功能連接數(shù)之比來度量。這樣定義的原因是“設計問題是一種非結構化問題，不同設計者設計的可調(diào)座椅可能形態(tài)各異，樣式各不相同，其構成都是由功能連接的”。

設計質(zhì)量Q定義為設計結果滿足設計約束的程度。它由設計子任務的完成度Q1、合理性與技術可行性Q2、外觀造型美學品質(zhì)Q3這3項指標的加權平均值構成。首先，將處于不同取值范圍的3個指標一致化為1到10之間的值，然后，運用Delphi方法分配指標的權重wi，最后，對指標值加權平均即獲得設計質(zhì)量值。計算公式為

式中，Q＊i、Qi分別為第i個設計質(zhì)量指標的原始值和一致化值；wi為指標的權重。

對于設計結果的創(chuàng)新性N，首先采用Likert 5級量表進行評分，然后將其轉化為1～10之間的值，作為設計結果的創(chuàng)新性的最終值，數(shù)據(jù)轉換的方法與設計質(zhì)量指標的一致化方法相同。

自變量為工作模式（work mode），有順序模式（SM）和交替模式（AM）兩種取值。受試者以何種模式工作，根據(jù)其設計行為判斷。

3 研究結果

3.1 原案數(shù)據(jù)的可靠性分析

為測試原案數(shù)據(jù)的可靠性，本研究將其中一位受試者（13號）的原案數(shù)據(jù)包括筆錄和錄像資料（圖2、圖3），交給本實驗范圍以外的一位機械設計專家進行研判，讓他獨立繪制出13號受試者的“問題行為圖解（problem behavior graph）”。問題行為圖解是一種精確表達知識狀態(tài)移動情況的方法，它能幫助理解受試者在完成任務過程中的整個認知過程［8，14］。測試前，給該設計專家提供一套必須嚴格遵守的特定圖解程序。然后，主試者將設計專家繪制的13號受試者的行為圖解與研究組所提煉的13號受試者的概念構思過程進行對比，判斷兩者是否有相似性。根據(jù)相似性程度確定本實驗所采用的原案分析法是否可靠。

該專家繪制的13號受試者的問題行為圖解如圖4所示。圖解的邏輯順序是由左到右，由上到下，這代表了設計過程。圖4中，兩節(jié)點間的橫線代表知識狀態(tài)，部分知識狀態(tài)的分類符號列在圖4中。雖然該設計專家并沒有現(xiàn)場觀察過本實驗的實驗過程，但他依照規(guī)定的行為圖解方法描繪的結果，與課題組提煉的13號受試者的構思過程存在不少相似之處。例如：

圖2 概念設計構思過程的原案數(shù)據(jù)示例

圖3 可調(diào)座椅的三維CAD概念模型示例

（1）提煉出了13號受試者對設計問題的反復修正過程：P01（將靠背和座板分開）→P02（將靠背和座板連接）→P01（將靠背和座板分開）。

（2）提煉出了13號受試者的最終設計方案：S01（交流電機）→S02（能量轉換機構）→S31（平行四邊形機構調(diào)節(jié)座板升降）＋S32（四邊形機構調(diào)節(jié)靠背傾角）。

圖4 13號受試者的問題行為圖解（來自第三方設計專家）

這說明，通過考察知識狀態(tài)的變化可以發(fā)現(xiàn)設計認知過程。同時也證明，采用原案分析法，能夠從原案數(shù)據(jù)中發(fā)掘出一致的知識運作過程。

3.2 非參數(shù)假設檢驗

本文最終獲得14個樣本。其中6人采用了順序模式，8人采用了交替模式。對應不同的工作模式，設計時間、設計質(zhì)量和設計結果的創(chuàng)新性也被分成了兩組。

因為樣本容量n＝14，屬于小樣本（n＜30），變量的總體分布難以推斷，所以采用非參數(shù)檢驗來研究3個假設。目前，在2個總體分布的非參數(shù)檢驗方法中，Sign Test檢驗要求兩組樣本必須配對，且每個樣本要有2個隨機變量值，這與本文研究情形顯然不符；Kolmogorov－Smirnov檢驗通常用于大樣本情形的分布擬合檢驗，而本文屬于小樣本情形；Mann－Whitney檢驗不要求兩組樣本配對，特別地，它既適用于大樣本情形，也適用于小樣本情形［15］。因此，本文采用 Mann－Whitney檢驗分別對設計時間、設計質(zhì)量和設計結果的創(chuàng)新性進行統(tǒng)計分析，結果如表1所示。

表1 3個假設的Mann－Whitney檢驗結果

對于設計時間，表1顯示，交替模式下設計時間的等級平均值（4.50）小于順序模式下設計時間的等級平均值（11.50）；同時，Mann－Whitney U統(tǒng)計量的精確顯著性檢驗（Exact），以及其對應的漸進雙尾顯著性檢驗（Asymptotic），都表明這種差異非常顯著（P＜0.01），如圖5所示。即假設1得到了驗證。需要指出的是，在圖5中，對應相同橫坐標的兩條折線上的點，表示兩組受試者中序號相同的受試者，而不是同一個人（圖6和圖7所示也存在類似情形）。

對于設計質(zhì)量，表1顯示，交替模式下設計質(zhì)量的等級平均值（10.25）大于順序模式下設計質(zhì)量的等級平均值（3.83）；同時，Mann－Whitney U統(tǒng)計量的精確顯著性檢驗，以及其對應的漸進雙尾顯著性檢驗，都表明這種差異非常顯著（P＜0.01），如圖6所示。即假設2得到了驗證。

圖5 工作模式對設計時間的影響

圖6 工作模式對設計質(zhì)量的影響

對于設計結果的創(chuàng)新性，雖然表1顯示，交替模式下創(chuàng)新性的等級平均值（9.06）與順序模式下創(chuàng)新性的等級平均值（5.42）存在一定差異，但Mann－Whitney U統(tǒng)計量的精確顯著性檢驗，以及對應的漸進雙尾顯著性檢驗，卻都表明這種差異沒有達到統(tǒng)計學意義上的顯著水平（P＞0.05），如圖7所示。即假設3未獲得支持。

圖7 工作模式對設計結果創(chuàng)新性的影響

4 分析和討論

若假設1和假設2成立，說明交替模式能夠發(fā)揮兩種媒介的優(yōu)勢。設計者適時地利用CAD系統(tǒng)表達前面的設計結果，進行設計思考，可以更好地理解機械結構，更準確地把握功能單元之間的關系。隨時運用CAD系統(tǒng)本身的分析功能進行各種運動學和動力學分析，例如本實驗中結構單元之間的干涉檢查，就能夠在設計過程中及時地處理和消除出現(xiàn)的設計問題，增加一次成功的機會。另外，在交替模式下，傳統(tǒng)媒介（徒手草繪）和CAD媒介（計算機草繪）之間的多次轉換，可以使設計者腦海中設計概念的影像適時轉換成CAD環(huán)境下的虛擬模型，這種模型能夠向設計者傳遞在傳統(tǒng)媒介下不容易形成的信息反饋。同時，交替模式可以更好地發(fā)揮兩種媒介的優(yōu)勢，即傳統(tǒng)媒介便于即時描繪設計概念，而CAD媒介的輔助設計功能便于分析和校驗設計意圖?？赡苁沁@些因素，使得交替模式下的受試者，在設計時間和設計質(zhì)量方面的表現(xiàn)總體上優(yōu)于順序模式下的受試者。

假設3未獲得實驗的支持，這可能是因為，無論是在順序模式下，還是在交替模式下，CAD媒介只是一種輔助手段，新的設計概念的產(chǎn)生依然主要依靠人的認知活動。盡管制造業(yè)信息系統(tǒng)的智能化水平在不斷地提高，但制造過程中依然存在許多模糊因素和不確定性環(huán)節(jié)，完全依賴信息系統(tǒng)并不能解決所有問題。目前，設計工作依然是一個非結構化程度較高的知識性活動，依然是產(chǎn)品和服務創(chuàng)新的核心。

需要說明的是，本文所做的對比研究與Bilda等［1］所做的徒手草繪和計算機草繪對概念設計過程的影響的對比研究不同。在本文研究中，無論是順序模式還是交替模式，受試者都是在CAD環(huán)境下進行的，兩種工作模式都包含了兩種媒介，只是在順序模式下媒介轉換很少，傳統(tǒng)媒介是主要的設計構思手段，而在交替模式下媒介轉換較多，媒介轉換成為主要的設計構思手段。但在Bilda等［1］的研究中，兩種媒介是分別被單獨研究的，受試者分別處于不同的實驗環(huán)境，不存在媒介轉換的情景。

5 結論

（1）在設計結果的創(chuàng)新性方面，不同工作模式下設計者的表現(xiàn)總體上沒有顯著性差異，而在設計時間和設計質(zhì)量方面，以交替模式工作的設計者的表現(xiàn)總體上要優(yōu)于以順序模式工作的設計者的表現(xiàn)。

（2）交替模式能夠發(fā)揮兩種媒介的優(yōu)勢，即傳統(tǒng)媒介更適應于表征設計概念，而CAD媒介則更適應于分析和檢驗設計意圖，從而交替模式能夠改善設計效率和提高設計的一次成功率。

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