基于INPD與熵權法的幼兒園智能洗手機設計研究

黃勁松，張阿杰，張學敏

基于INPD與熵權法的幼兒園智能洗手機設計研究

黃勁松，張阿杰，張學敏

（湖北工業大學，武漢 430000）

針對目前國內市場幼兒園洗手產品缺乏一定互動性和引導性的問題，設計研究一款幼兒園智能洗手機，幫助引導幼兒養成良好的洗手習慣，更好地呵護幼兒身體健康。首先通過分析SET因素，明確產品機遇；其次進行用戶調研，獲取用戶需求點，采用熵權法對層次分析法（AHP）所得到的數據進行修正得到綜合權重值，并進行用戶需求重要度排序，明確產品價值機會；再次根據產品價值機會，形成產品概念，繪制設計概念矩陣；最后將概念轉化成設計方案，并制作產品樣機模型，檢驗設計方案的有效性。INPD與熵權法指導下的幼兒園智能洗手機設計具有可行性。INPD法提高了產品開發的效率和市場成功率，層次分析法（AHP）和熵權法組合賦權完善了用戶重要需求提取過程，使幼兒園智能洗手機的整個設計流程更具科學性、系統性和合理性。

INPD；熵權法；幼兒園；洗手機

3～6歲是幼兒良好行為習慣培養的關鍵時期，好的行為習慣能使孩子受益終身，幼兒多數行為習慣和生活經驗會在幼兒園中習得[1]。《幼兒園教育指導綱要（試行）》要求：“幫助幼兒養成良好的飲食、睡眠、盥洗、排泄等個人生活衛生習慣[2]。”幼兒養成良好的洗手習慣可有效降低急性呼吸道和腸道感染性疾病等多種疾病的發病率，保護幼兒身體健康。由于幼兒思維發展未成熟，不能全面認識洗手的重要性，加之市面上大部分幼兒園洗手產品多為成人產品的縮小版，缺乏一定的互動性、可玩性和引導性，不易調動幼兒的洗手興趣，不利于幼兒洗手習慣的培養。后疫情時代的到來使人們對健康的重視意識空前提升，催生和提高了人們的健康自覺[3]。伴隨著我國三孩政策的實施，人們對幼兒園洗手產品將具有更大需求和更高要求。

在洗手產品方面，李天贈等[4]對防濺水洗手盆進行了研究。丁珵等[5]對凈化處理洗手裝置進行了研究。在幼兒洗手行為方面，魏躍紅等[6]對5歲以下幼兒的洗手習慣和腹瀉之間的關系進行了研究。丁昱等[7]對托幼機構幼兒洗手行為進行了研究。周彥等[8]對幼兒園手部衛生干預措施進行了研究。目前，已有文獻在洗手產品、幼兒洗手行為方面有一定的探索，但針對幼兒園洗手產品的研究尚缺。黃麗紅[9]指出了幼兒園的教育環境直接影響著幼兒能否積極主動地去獲取有益的經驗。張聰[10]指出了幼兒園必須把幼兒的健康教育與幼兒健康生活習慣的培養作為工作重點。因此，論文以幼兒園智能洗手機為研究對象，將輔助教師幫助幼兒養成正確的洗手習慣作為洗手機研究的重點。INPD方法是一種指導產品開發模糊前期的有效方法，但在用戶需求提取上不明確。李夢君等[11]在前人研究的基礎上將INPD方法與語義差分法相結合，對角向磨光機的產品造型進行了設計研究，通過語義差分法把用戶需求具體化。胡康等[12]將INPD方法和AHP結合起來對老年人陪護產品進行了研究，對用戶需求研究過程進行了完善。由于AHP在應用過程中主要從評價者對評價要素的理解出發，主觀性成分較強，采用熵權法對AHP進行修正，可使用戶需求提取過程更合理，所以本文運用INPD方法結合熵權法形成完整的產品設計策略，輔助整個幼兒園智能洗手機的設計。

1 研究方法概述

1.1 INPD方法

INPD是由卡耐基梅隆大學設計學院Craig Vogel教授與工程學院Jonathan Cagan教授合作創立，并在《創造突破性產品》中主要研究的設計方法，是一種以用戶為中心的一體化新產品開發綜合途徑[13]。INPD方法主要由四個階段組成：確定產品機會、理解機會、形成產品概念及實現機會[14]，前三個階段是模糊前期的主體，第四個階段是過渡階段，四個階段構成了一體化模糊前期過程，是新產品開發的重要環節。INPD方法從設計、工程和市場三個方面探討關于新產品開發的理論、方法和工具，可提高產品后期開發工作的效率，并減少失誤，從而提高產品在市場上的成功率。

1.2 熵權法在層次分析法（AHP）中的應用

層次分析法（AHP）是由美國Saaty等提出的一種多目標決策分析方法[15]，條理性和科學性強，能將復雜的決策問題系統化，已被用于多個跟決策有關的領域。然而由于定性成分多，造成主觀性較強。熵權法是一種客觀賦權方法，可保留指標數據自身屬性，使評價結果具有可信度。通過熵權法對層次分析法進行權重修正，可降低主觀因素影響，使綜合權重更具真實性。在幼兒園智能洗手機設計中，將熵權法與層次分析法組合運用，可提升洗手機設計中重要影響因素提取的合理性。

1.2.1 層次分析法（AHP）主觀需求權重計算

運用層次分析法計算各指標權重，方法如下。

步驟1：構建判斷矩陣。

步驟2：一致性檢驗。

1.2.2 熵權法客觀需求權重計算

運用熵權法計算各指標權重。主要步驟如下。

步驟1：構造指標矩陣并進行標準化處理。

步驟2：指標矩陣歸一化。對矩陣歸一化處理，得到矩陣。

步驟3：計算第個指標熵值e及指標權重值a。

1.2.3 主客觀綜合權重計算

根據主客觀權重可求出各指標的綜合權重值。

1.3 構建INPD與熵權法相結合的設計模型

文章以INPD方法作為幼兒園智能洗手機開發設計的主線，第一階段采用SET因素分析法，識別產品機遇；第二階段進行用戶調研，明確幼兒園智能洗手機設計的影響因素，將層次分析法（AHP）與熵權法組合運用，計算需求重要度排序；第三階段制作產品設計概念矩陣，形成最終設計概念；第四階段將概念轉化成設計方案，制作產品樣機模型，并檢驗設計方案的可行性。具體設計流程見圖1。

圖1 設計流程

2 幼兒園智能洗手機設計實例

2.1 識別產品機遇

產品開發首先要識別出產品存在的機會缺口，因此找出幼兒園智能洗手機存在的產品機遇可為后續產品開發指明方向。INPD方法識別產品機會的主要工具為SET（社會-經濟-技術）因素分析法[13]。通過查閱新聞、專業雜志及技術刊物等資料綜合分析幼兒園智能洗手機產品在社會趨勢、經濟動力和先進技術方面存在的機會缺口。幼兒園智能洗手機SET因素分析見圖2。

通過查閱新聞、專業雜志及技術刊物等對幼兒園智能洗手機產品機會缺口進行綜合分析發現，在社會趨勢方面，現有幼兒園智能洗手機大多以滿足清潔功能為主，受疫情大環境和幼兒全面發展需求的影響，幫助引導幼兒養成良好洗手習慣將成為幼兒園智能洗手機產品新的機會缺口；在經濟動力方面，隨著居民可自由支配收入增多，將更大財力投資在幼兒的全面發展和健康成長方面，對幼兒成長環境具有更高要求；在技術進步方面，將物聯網、智能技術、傳感器等技術運用到幼兒園智能洗手機產品中，可增強產品的互動性和趣味性，增強吸引力，有助于實現對幼兒洗手習慣的引導。

2.2 明確產品機會價值

INPD方法實驗過程中的第二階段需要對第一階段分析所得的產品機會缺口進行深入研究，將用戶需求通過定性和定量的方法轉化成目標產品屬性[16]。幼兒園智能洗手機的設計是一個復雜的系統問題，既要考慮到洗手機的功能特點，又要兼顧幼兒心理生理及行為方式。本次研究采取實地研究、用戶訪談以及用戶觀察等調研方式進行用戶研究。考慮到幼兒的感知能力和認知能力有限，選取幼兒園教師和保育員的意見作為輔助研究。以河南理工大學附屬幼兒園作為調研基地，依據各類人群所占實際比例，共選取樣本110位，包括幼兒園教師7名、保育員3名、幼兒100名。因幼兒語言表達能力有限，所以對教師和保育員調研采取實地訪談的形式，對幼兒調研則采取實地觀察記錄的方法。采用親和圖法（Affinity Diagram）將所收集的信息進行匯總整理，總結篩選出幼兒園智能洗手機具體的設計影響因素共15項，將其作為指標層。把上述指標按照類別可向上歸納為功能需求、安全需求、操作需求、外觀需求和發展需求，共5項，作為準則層。幼兒園智能洗手機需求層次分析模型見圖3。

幼兒園智能洗手機設計中需求評價指標較多較復雜，需要選擇合適的權重計算方法。本次研究通過熵權法與層次分析法組合賦權，將兩者優勢互補，降低設計中主觀因素影響，增強用戶重要需求提取的準確性與合理性。

2.2.1 基于AHP的主觀需求權重計算

根據用戶需求層次分析模型，將幼兒園智能洗手機目標層用表示；用（=1,2,3,4,5）代表準則層，用B（=1,2,3,4,5）代表指標層。本次研究采用1-9標度法（見表1）對各指標賦值，賦值工作邀請8位專家共同完成。判斷矩陣和目標權重見表2—7。

圖2 幼兒園智能洗手機SET因素分析

圖3 幼兒園智能洗手機需求層次分析模型

表1 相對重要性判斷標度

Tab.1 Relative importance judgment scale

表2目標層判斷矩陣

Tab.2 C target layer judgment matrix

表31準則層判斷矩陣

Tab.3 B1 criterion layer judgment matrix

表42準則層判斷矩陣

Tab.4 B2 criterion layer judgment matrix

表53準則層判斷矩陣

Tab.5 B3 criterion layer judgment matrix

表64準則層判斷矩陣

Tab.6 B4 criterion layer judgment matrix

表75準則層判斷矩陣

Tab.7 B5 criterion layer judgment matrix

表8 隨機一致性比率

Tab.8 Random consistency ratio

由表8可知，各判斷矩陣均滿足<0.1，一致性檢驗合格。對目標權重計算結果匯總，形成設計方案影響因素總體目標權重排序，作為幼兒園智能洗手機設計過程中的評價標準，見表9。

2.2.2 基于熵權法的客觀需求權重計算

熵最早為熱力學概念，由數學家Shannon引入信息論，表示系統穩定程度、信息量[17]。熵權法可充分使用各指標的全部信息量，使評價結果更具客觀性。因此，文中提出一種基于幼兒園教師和保育員評分的改進熵權法，即利用個評價者對個指標的原始評分求解權重，解釋指標提供信息量的大小。

本次研究根據所調研幼兒園各類人群所占的比例，挑選評分人員20位。其中包含幼兒園教師14位，保育員6位，共同完成評分。根據式（5）—（9）計算出各指標客觀需求權重，見表10。

表9 目標權重計算結果排序

Tab.9 Ranking of target weight calculation results

表10 各指標客觀需求權重表

Tab.10 Objective demand weights for each indicator

2.2.3 綜合權重計算

將各指標的主客觀權重值代入式（11）可計算出每一指標的綜合權重值，計算結果見圖4。根據綜合權重值排序柱狀圖可直觀看出材料安全需求所占比重最高，其次是洗手引導、教育、游戲、趣味、給皂和干手需求。所以在幼兒園智能洗手機設計中需優先保證以上需求得以完整實現。

2.3 定位產品功能及形成產品概念

INPD法的第三階段是把用戶需求轉化成產品概念。通過對現有幼兒園智能洗手機產品進行市場調研和頭腦風暴創新，生成大量產品概念，針對5種功能需求，提出了14種設計概念，并繪制出設計概念矩陣，形成的最終產品概念見表11。

表11 設計概念矩陣

Tab.11 Design concept matrix

在給皂方式上，幼兒園智能洗手機采用人體紅外線非接觸自動感應式給皂，潔凈衛生，可在很大程度上減少因接觸帶來的細菌污染，故排除按壓給皂模式。幼兒取皂時不易控制量的多少，所以將洗手機設置成定量給皂模式減少浪費。在干手工作時，選擇人體紅外感應出風和高速風吹干模式，使干手過程更加簡單快速，排除手紙干手。幼兒通過游戲獲取知識，游戲能夠帶給幼兒成就感、滿足好奇心、建立使命感。康德稱游戲是“想象力與理解力的自由和諧運動，是以情感體驗為內在目的的活動”[18]。利用幼兒的游戲和模仿天性，在洗手過程中將7步洗手法通過語音提示和視頻播放的形式讓幼兒跟做，同時洗手動作通過感應燈內的微波運動傳感器點亮燈光，7步洗手步驟對應彩虹7色，幼兒在洗手時收到來自彩色燈光的反饋，將枯燥的洗手過程變成有趣的游戲。另外，受芭芭農場游戲的啟發，設計洗手積分種植果樹的游戲。通過完成洗手獲取積分，積分轉化成肥料幫助樹木成長，幼兒可在多次洗手過程中見證果樹發芽、生長、開花、結果、成熟的完整周期，既學到了知識，又獲得成就感，可吸引幼兒洗手。完成洗手播放音樂和猜謎語的游戲跟洗手活動關聯較小，故排除。此外，教師通過對應軟件對幼兒洗手信息進行設置，幼兒的洗手數據通過設備上傳給教師，教師可以設置獎勵機制，定期獎勵完成目標的幼兒，讓幼兒在競爭中積極參與洗手。

2.4 實現產品機會

2.4.1 方案設計

INPD方法的最后一個階段是實現產品機會。依據專家、幼兒園教師和保育員的建議，結合幼兒園孩子心理和行為特點，將產品概念轉化成設計方案，并通過建模軟件Rhino5.0進行3D建模，產品效果圖、使用場景圖和界面設計效果圖見圖5—7。

圖5 產品效果

幼兒園中的幼兒多為3～6歲，屬于前運算階段，思維上帶有強烈的主觀色彩。這一階段的幼兒抽象思維開始發展，而具體形象思維還占據著很重要的地位。在形狀認知能力上，對輪廓分明、形象簡單的認知度較高[19]。幼兒在色彩上偏好鮮明艷麗、對比度大的顏色，喜歡夸張、擬人的表現風格，對圖像、聲音的刺激方式較感興趣。因此，本產品的整體呈現需具有簡潔具象、活潑可愛等特點。整體造型設計以動物小熊為載體，采用擬人手法帶給孩子親切感，色彩上采用白色和青色搭配，干凈清爽，明亮協調，可減少大面積鮮艷色彩對視神經的刺激，提高幼兒注意力的穩定性。由于學齡前幼兒擁有強烈的好奇心，所以必須保證材料安全，溫和無刺激。洗手機在材料的選取上選用ABS塑料，其具有強度高、韌性好、電絕緣性優良的特點，且易加工、易著色、無毒無氣味。

2.4.2 模型制作與設計評價

將設計方案制作成產品樣機模型，見圖8。為驗證設計方案的合理性，本次邀請所調研幼兒園的幼兒進行模擬實驗，通過李克特五階量表法對設計方案進行打分驗證。李克特五階量表由Rensis Likert建立，是一種評分加總式量表。5分表示非常滿意，4分表示滿意，3分表示不一定，2分表示不滿意，1分表示非常不滿意，調查對象的平均得分代表其最終的個人態度得分。本次調查共發放問卷260份，收到有效問卷248份，問卷有效率為95.4%。計算出調查問卷的最終平均分為4.66，處于滿意與非常滿意區間，表示用戶總體上對設計方案保持認可。說明本產品符合用戶使用需求，能提高幼兒洗手過程中的互動性、可玩性和引導性，可有效調動他們的洗手興趣，有利于幼兒洗手習慣的培養。

圖6 使用場景

圖7 洗手機游戲界面和教師APP交互界面設計效果

圖8 模擬樣機和模擬實驗

3 結語

本文把以用戶為中心一體化新產品開發方法（INPD）和熵權法應用到幼兒園智能洗手機的設計研究中。在INPD方法的明確產品機會價值階段中融入了AHP和熵權法相結合的主客觀賦權方法，對用戶需求進行定性和定量分析，降低了用戶需求提取過程中的主觀因素影響，有效地解決了INPD方法在用戶需求提取方面模糊的問題。在幼兒園智能洗手機設計中，以INPD方法為主線進行推進，第一階段通過對SET因素進行分析，尋找出幫助引導幼兒養成良好洗手習慣的產品機會缺口；第二階段采用AHP和熵權法相結合計算需求權重排序，確定出影響幼兒園智能洗手機設計的7項重要因素：材料安全、洗手引導、教育、游戲、趣味、給皂和干手需求；第三階段以7項重要因素作為產品設計側重點，形成最終產品設計概念；第四階段將設計概念轉化成設計方案，并制作產品樣機模型，進行幼兒模擬實驗，實驗證明該設計方案在幫助幼兒養成正確洗手習慣中具有積極作用，方案的可行性得到了驗證。INPD與熵權法的結合使整個設計流程呈現出系統、合理和科學的特點。在重要影響因素指標提取過程中，雖然對評分參與人員按照具體比例進行了選取，但是在具體評價過程中仍存在一定的主觀性。因此，還需在后續研究中對此問題做深入探究。

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Design of Smart Handwashing Machine for Kindergarten Based on INPD and Bntropy Method

HUANG Jin-song, ZHANG A-jie, ZHANG Xue-min

(Hubei University of Technology, Wuhan 430000, China)

In response to the lack of interactivity and guidance of handwashing products for kindergartens in the current domestic market, the work aims to design and study a smart handwashing machine for kindergarten to help guide children to develop good handwashing habits and take better care of their health. Firstly, the product opportunity gap was clarified by analyzing the SET factors. Secondly, the user research was carried out to obtain the user demand points. The entropy method was used to correct the data obtained by the hierarchical analysis method (AHP) to obtain comprehensive weighting values and to rank the importance of user demands to clarify the product value opportunity. Thirdly, based on the product value opportunity, the product concept was formed and the design concept matrix was drawn. Finally, the concept was transformed into a design scheme and a prototype model was produced to test the validity of the design.The smart handwashing machines for kindergartens under the guidance of INPD and entropy method have the feasibility. The INPD method improves the efficiency and market success rate of product development, while the combination of the hierarchical analysis method (AHP) and the entropy method improves the process of extracting important user demands, making the whole design process of the kindergarten handwashing machines more scientific, systematic and rational.

INPD; entropy method; kindergarten; handwashing machine

TB472

A

1001-3563(2023)12-0180-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.12.019

2023–01–18

黃勁松（1967—），男，碩士，副教授，主要研究方向為產品設計、展示設計。

張阿杰（1994—），女，碩士，主攻產品設計。

責任編輯：陳作