基于原案分析的工作模式對機(jī)械概念設(shè)計(jì)認(rèn)知過程的影響

李發(fā)權(quán) 熊世權(quán)

1.河南理工大學(xué)，焦作，454000 2.重慶大學(xué)，重慶，400030

0 引言

概念設(shè)計(jì)是產(chǎn)品研發(fā)過程中富于創(chuàng)造性的階段。在概念設(shè)計(jì)過程中，徒手草繪（free－h(huán)and sketching）和 CAD草繪（digital sketching）是設(shè)計(jì)認(rèn)知的兩種基本媒介。不同的設(shè)計(jì)者運(yùn)用媒介的習(xí)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(shè)計(jì)者先以徒手草繪形成初步的設(shè)計(jì)方案，然后才在CAD環(huán)境里表達(dá)和修正，而在交替模式下，設(shè)計(jì)工作者以徒手草繪和CAD草繪的不斷交替來完成概念設(shè)計(jì)認(rèn)知任務(wù)。由于多數(shù)研究者仍然認(rèn)為徒手草繪才是設(shè)計(jì)構(gòu)思的主要媒介，CAD草繪并不支持設(shè)計(jì)概念的創(chuàng)建［1－3］，所以，有關(guān)順序模式和交替模式對概念設(shè)計(jì)認(rèn)知過程的影響的比較研究還很少見。但兩種媒介下的設(shè)計(jì)認(rèn)知應(yīng)該被研究，以探索媒介轉(zhuǎn)換和工作模式對設(shè)計(jì)認(rèn)知過程的影響［1］。

目前，用來研究設(shè)計(jì)認(rèn)知活動(dòng)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(jìn)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(dòng)的同步反映，所以同步敘述法是獲取真實(shí)的認(rèn)知數(shù)據(jù)的好方法。而原案分析法以同步敘述法為基礎(chǔ)，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(biāo)進(jìn)行不同的數(shù)據(jù)分析。它既吸取了同步敘述法的優(yōu)點(diǎn)，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(lǐng)域的認(rèn)知活動(dòng)時(shí)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(shè)計(jì)認(rèn)知過程的影響。

1 理論假設(shè)

本文首先提出理論假設(shè)，然后采用原案分析法開展產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對比研究順序模式和交替模式對設(shè)計(jì)認(rèn)知過程的影響。

設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)者的兩種基本工作模式

如前所述，不少研究者仍然認(rèn)為，徒手草繪才是設(shè)計(jì)構(gòu)思的主要媒介，CAD草繪并不支持設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)草繪對概念設(shè)計(jì)認(rèn)知的影響的對比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，在概念設(shè)計(jì)階段，徒手草繪比計(jì)算機(jī)草繪在利用時(shí)間、構(gòu)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(rèn)為CAD環(huán)境里的可視化表現(xiàn)可用來更好地理解設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的可視化和即時(shí)反饋，可以使設(shè)計(jì)者更加頻繁地重定義設(shè)計(jì)概念。當(dāng)然，文獻(xiàn)［1－3］同時(shí)也承認(rèn)或暗示，隨著CAD軟件的柔性不斷增強(qiáng)，設(shè)計(jì)者和CAD環(huán)境的交互可能是一種新的設(shè)計(jì)工作模式。需要注意的是，在已知的文獻(xiàn)中，兩種媒介是分別被單獨(dú)研究的，與媒介轉(zhuǎn)換相關(guān)的工作模式對設(shè)計(jì)認(rèn)知的影響的研究還很少見?；诖?，本文提出如下3個(gè)假設(shè)：①相對順序模式，當(dāng)設(shè)計(jì)者工作在交替模式時(shí)，其設(shè)計(jì)時(shí)間更短；②相對順序模式，當(dāng)設(shè)計(jì)者工作在交替模式時(shí)，其設(shè)計(jì)質(zhì)量更高；③相對順序模式，當(dāng)設(shè)計(jì)者工作在交替模式時(shí)，其設(shè)計(jì)結(jié)果更具有創(chuàng)新性。

2 研究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)任務(wù)方面，本文要求受試者設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能，實(shí)驗(yàn)不作限制。為獲取原案數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)要求受試者必須完整筆錄其設(shè)計(jì)構(gòu)思活動(dòng)，若需修改則保留修改痕跡，并在三維CAD環(huán)境里進(jìn)行表達(dá)和檢驗(yàn)，最終形成產(chǎn)品的原理方案。每個(gè)受試者的設(shè)計(jì)工作過程要求反映概念設(shè)計(jì)的全部內(nèi)容，包括傾斜機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)的方案確立、兩種機(jī)構(gòu)的定位、功能構(gòu)件的選擇、傾斜機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)的CAD實(shí)體模型的構(gòu)建、虛擬裝配、運(yùn)動(dòng)干涉檢驗(yàn)及修正等。整個(gè)過程采用攝像機(jī)全程錄像。

對于實(shí)驗(yàn)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(gè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)（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(jī)械專業(yè)研究生參與產(chǎn)品設(shè)計(jì)活動(dòng)，他們來自機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

2.2 實(shí)驗(yàn)變量及衡量方法

采用3個(gè)因變量和1個(gè)自變量來探討3個(gè)假設(shè)。因變量包括設(shè)計(jì)時(shí)間t（design time）、設(shè)計(jì)質(zhì)量Q（design quality）、設(shè)計(jì)結(jié)果的創(chuàng)新性N（novelty of design result）。

設(shè)計(jì)時(shí)間t并不是完成設(shè)計(jì)任務(wù)的總時(shí)間，而是功能連接（如齒輪副、鉸鏈等）的平均設(shè)計(jì)時(shí)間，由總的設(shè)計(jì)時(shí)間與功能連接數(shù)之比來度量。這樣定義的原因是“設(shè)計(jì)問題是一種非結(jié)構(gòu)化問題，不同設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)的可調(diào)座椅可能形態(tài)各異，樣式各不相同，其構(gòu)成都是由功能連接的”。

設(shè)計(jì)質(zhì)量Q定義為設(shè)計(jì)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)約束的程度。它由設(shè)計(jì)子任務(wù)的完成度Q1、合理性與技術(shù)可行性Q2、外觀造型美學(xué)品質(zhì)Q3這3項(xiàng)指標(biāo)的加權(quán)平均值構(gòu)成。首先，將處于不同取值范圍的3個(gè)指標(biāo)一致化為1到10之間的值，然后，運(yùn)用Delphi方法分配指標(biāo)的權(quán)重wi，最后，對指標(biāo)值加權(quán)平均即獲得設(shè)計(jì)質(zhì)量值。計(jì)算公式為

式中，Q＊i、Qi分別為第i個(gè)設(shè)計(jì)質(zhì)量指標(biāo)的原始值和一致化值；wi為指標(biāo)的權(quán)重。

對于設(shè)計(jì)結(jié)果的創(chuàng)新性N，首先采用Likert 5級量表進(jìn)行評分，然后將其轉(zhuǎn)化為1～10之間的值，作為設(shè)計(jì)結(jié)果的創(chuàng)新性的最終值，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的方法與設(shè)計(jì)質(zhì)量指標(biāo)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(shè)計(jì)行為判斷。

3 研究結(jié)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(shí)驗(yàn)范圍以外的一位機(jī)械設(shè)計(jì)專家進(jìn)行研判，讓他獨(dú)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(dá)知識狀態(tài)移動(dòng)情況的方法，它能幫助理解受試者在完成任務(wù)過程中的整個(gè)認(rèn)知過程［8，14］。測試前，給該設(shè)計(jì)專家提供一套必須嚴(yán)格遵守的特定圖解程序。然后，主試者將設(shè)計(jì)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(gòu)思過程進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)過程。圖4中，兩節(jié)點(diǎn)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(shè)計(jì)專家并沒有現(xiàn)場觀察過本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)過程，但他依照規(guī)定的行為圖解方法描繪的結(jié)果，與課題組提煉的13號受試者的構(gòu)思過程存在不少相似之處。例如：

圖2 概念設(shè)計(jì)構(gòu)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(shè)計(jì)問題的反復(fù)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(shè)計(jì)方案：S01（交流電機(jī)）→S02（能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)）→S31（平行四邊形機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)座板升降）＋S32（四邊形機(jī)構(gòu)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(shè)計(jì)專家）

這說明，通過考察知識狀態(tài)的變化可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)認(rèn)知過程。同時(shí)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(yùn)作過程。

3.2 非參數(shù)假設(shè)檢驗(yàn)

本文最終獲得14個(gè)樣本。其中6人采用了順序模式，8人采用了交替模式。對應(yīng)不同的工作模式，設(shè)計(jì)時(shí)間、設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)結(jié)果的創(chuàng)新性也被分成了兩組。

因?yàn)闃颖救萘縩＝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(yàn)來研究3個(gè)假設(shè)。目前，在2個(gè)總體分布的非參數(shù)檢驗(yàn)方法中，Sign Test檢驗(yàn)要求兩組樣本必須配對，且每個(gè)樣本要有2個(gè)隨機(jī)變量值，這與本文研究情形顯然不符；Kolmogorov－Smirnov檢驗(yàn)通常用于大樣本情形的分布擬合檢驗(yàn)，而本文屬于小樣本情形；Mann－Whitney檢驗(yàn)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(yàn)分別對設(shè)計(jì)時(shí)間、設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)結(jié)果的創(chuàng)新性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表1所示。

表1 3個(gè)假設(shè)的Mann－Whitney檢驗(yàn)結(jié)果

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

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

圖5 工作模式對設(shè)計(jì)時(shí)間的影響

圖6 工作模式對設(shè)計(jì)質(zhì)量的影響

對于設(shè)計(jì)結(jié)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(jì)量的精確顯著性檢驗(yàn)，以及對應(yīng)的漸進(jìn)雙尾顯著性檢驗(yàn)，卻都表明這種差異沒有達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的顯著水平（P＞0.05），如圖7所示。即假設(shè)3未獲得支持。

圖7 工作模式對設(shè)計(jì)結(jié)果創(chuàng)新性的影響

4 分析和討論

若假設(shè)1和假設(shè)2成立，說明交替模式能夠發(fā)揮兩種媒介的優(yōu)勢。設(shè)計(jì)者適時(shí)地利用CAD系統(tǒng)表達(dá)前面的設(shè)計(jì)結(jié)果，進(jìn)行設(shè)計(jì)思考，可以更好地理解機(jī)械結(jié)構(gòu)，更準(zhǔn)確地把握功能單元之間的關(guān)系。隨時(shí)運(yùn)用CAD系統(tǒng)本身的分析功能進(jìn)行各種運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，例如本實(shí)驗(yàn)中結(jié)構(gòu)單元之間的干涉檢查，就能夠在設(shè)計(jì)過程中及時(shí)地處理和消除出現(xiàn)的設(shè)計(jì)問題，增加一次成功的機(jī)會。另外，在交替模式下，傳統(tǒng)媒介（徒手草繪）和CAD媒介（計(jì)算機(jī)草繪）之間的多次轉(zhuǎn)換，可以使設(shè)計(jì)者腦海中設(shè)計(jì)概念的影像適時(shí)轉(zhuǎn)換成CAD環(huán)境下的虛擬模型，這種模型能夠向設(shè)計(jì)者傳遞在傳統(tǒng)媒介下不容易形成的信息反饋。同時(shí)，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(shí)描繪設(shè)計(jì)概念，而CAD媒介的輔助設(shè)計(jì)功能便于分析和校驗(yàn)設(shè)計(jì)意圖?？赡苁沁@些因素，使得交替模式下的受試者，在設(shè)計(jì)時(shí)間和設(shè)計(jì)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(shè)3未獲得實(shí)驗(yàn)的支持，這可能是因?yàn)?，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(shè)計(jì)概念的產(chǎn)生依然主要依靠人的認(rèn)知活動(dòng)。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(shè)計(jì)工作依然是一個(gè)非結(jié)構(gòu)化程度較高的知識性活動(dòng)，依然是產(chǎn)品和服務(wù)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(jì)算機(jī)草繪對概念設(shè)計(jì)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(jìn)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(zhuǎn)換很少，傳統(tǒng)媒介是主要的設(shè)計(jì)構(gòu)思手段，而在交替模式下媒介轉(zhuǎn)換較多，媒介轉(zhuǎn)換成為主要的設(shè)計(jì)構(gòu)思手段。但在Bilda等［1］的研究中，兩種媒介是分別被單獨(dú)研究的，受試者分別處于不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，不存在媒介轉(zhuǎn)換的情景。

5 結(jié)論

（1）在設(shè)計(jì)結(jié)果的創(chuàng)新性方面，不同工作模式下設(shè)計(jì)者的表現(xiàn)總體上沒有顯著性差異，而在設(shè)計(jì)時(shí)間和設(shè)計(jì)質(zhì)量方面，以交替模式工作的設(shè)計(jì)者的表現(xiàn)總體上要優(yōu)于以順序模式工作的設(shè)計(jì)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(yīng)于表征設(shè)計(jì)概念，而CAD媒介則更適應(yīng)于分析和檢驗(yàn)設(shè)計(jì)意圖，從而交替模式能夠改善設(shè)計(jì)效率和提高設(shè)計(jì)的一次成功率。

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