基于AHP和QFD的學齡前兒童植物生長認知產品設計

摘要：獲取學齡前兒童對植物生長認知產品的真實需求，找到需求與設計特征的對應關系，并完成一款學齡前兒童植物生長認知產品設計。文章使用SET模型分析設計的必要性，通過KJ法調研、分析并整理用戶需求，利用 AHP層次分析法量化用戶各項需求權重，采用 QFD 質量功能展開將用戶需求轉化為產品設計特征并排序。依據需求和設計特征排序，完成一款“線上App”+“線下硬件”的學齡前兒童植物生長認知產品設計。該套設計流程可為學齡前兒童產品設計與開發提供參考。

關鍵詞：AHP；QFD；學齡前兒童；植物生長教育；軟硬件結合；產品設計

中圖分類號：TP472 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2024）04-0110-04

Abstract：Obtain the real needs of preschoolers for products of cognitive on plant growth，find the correspondence between their needs and design characteristics，and complete the product design of cognitive on plant growth for preschoolers.This paper uses the SET model to analyze the necessity of design，researches，analyzes and organizes user needs through the KJ method，quantifies the weight of user needs by using AHP hierarchy analysis method，and uses QFD quality function to expand the user needs into product design characteristics and rank. According to the order of needs and design characteristics，a product design of “online APP” +“offline hardware” in cognitive for preschoolers on plant growth was completed. This design process can provide reference for the design and development of products for preschoolers.

Keywords：AHP；QFD；Preschool children；Plant growth education；Combination of software and hardware；Product design

引言

植物生長是一個基礎且重要的植物科學概念，正確的植物生長認知有利于兒童早期自然觀的形成和促進兒童全面健康的發展。當今，學齡前兒童對植物生長教育產品也從基本的學習需求，擴展出便利性、交互性和智能化等需求。因此，需改變傳統產品的形式，使之滿足學齡前兒童多樣化的需求。文章首先利用SET模型論證學齡前兒童植物生長認知產品的必要性和可行性，然后使用KJ法總結歸納需求，最后借助層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）和質量功能展開（ Quality of Functional Deployment，QFD）來構建學齡前兒童植物生長認知產品設計流程，精準抓住用戶的需求進行設計與開發，實現產品造型、教育內容和用戶體驗上的創新。

一、產品現狀分析與研究步驟

（一）學齡前兒童植物生長認知產品設計概述

在兒童植物教育設計領域中，設計師采用藝術設計的形式來提高兒童對植物生長的認知程度。基于產品特性，可分為3類：實體教學產品，虛擬教學產品，虛實結合教學產品。實體教學產品主要指植物生長模型、生態瓶、微景觀和種植機等設計。植物生長模型反映了植物從種子長成幼苗的生長變化過程；生態瓶和微景觀展現真實的植物生長狀態；植物種植機具有智能控制系統、智能光照系統和智能循環系統，讓兒童觀察植物的生長過程。針對兒童植物生長教學App的數量較少。“NAMOO”是一款兒童植物生長教育的App，通過獨特的交互方式和華麗的視覺效果幫助兒童學習植物的生長過程和功能結構，并且普及了與植物和自然界相關的科學原理（如光合作用，呼吸作用）。基于AR的虛實結合產品，可以顯著提高兒童的認知能力，兒童可以更有效地在觀察性學習活動中掌握植物生長的知識[1]。《AR小百科》是科普動植物知識的一個產品。在植物科普的部分，通過視頻、文字、實時變化和交互模塊、3D模型等方式引導兒童進行植物認知的學習。

通過對兒童植物生長認知產品的調研分析，總結并分析現存產品的問題。存在問題如下：1）教育內容缺乏系統性。2）教學方式機械和枯燥，缺少實踐性。可能原因是：設計師側重設計和技術的實現，沒有清晰掌握兒童對植物生長認知產品的實際需求，所做的調研和研究并不能支持設計。因此，需要一款滿足需求、教育內容完善和用戶體驗佳的學齡前兒童植物生長認知產品設計。

（二）研究步驟

針對上述的學齡前兒童植物生長認知產品存在問題的總結和分析，通過以下步驟進行研究和設計。

1.SET模型用戶需求分析：使用SET模型分析社會、經濟、科技3個層面對學齡前兒童植物生長認知產品設計的需求以及技術支持，得到學齡前兒童植物生長認知產品設計的必要性、可實現性。

2.KJ法劃分三級需求：通過訪談法和問卷調研法對學齡前兒童、家長和老師進行需求調研，將調研的結果進行三級分類，獲取學齡前兒童植物生長認知產品設計的需求親合圖。

3.AHP求取需求的重要程度：將KJ法獲得的三級需求構建AHP的三級層次，分別對應目標層、指標層和方案層，構建學齡前兒童植物生長認知產品設計的AHP分析模型圖。邀請5位專家對指標層和方案層內容的重要程度進行打分，構建需求判斷矩陣，最終得出需求的總排序[2]。

4.QFD質量屋設計要素權重排序：通過QFD進行需求與設計特征的轉化。計算得到的相關數據填入QFD質量屋中[3-4]。

5.設計實例表達：根據QFD質量屋轉化得到的學齡前兒童植物生長認知產品的設計特征和要素進行設計實例表達。

二、用戶需求分析

（一）基于SET模型的產品設計必要性分析

SET模型從社會發展、經濟動力及技術支持3個方面對產品的必要性與可實現性進行分析判斷[5]。如表1所示：

（二）KJ法進行需求整理和分析

通過訪談和問卷法對學齡前兒童植物生長認知產品設計的基本需求進行了調研，調研人群如下：學齡前兒童、家長和老師。調研的結果顯示，調研的人群有著高度一致的用戶需求，并發現以下用戶痛點：1）教育內容缺乏系統性。學齡前兒童植物生長認知產品設計的教育內容不規范、沒有權威性，不知道是否符合國家標準。2）理論和實踐脫離。由于植物生長的特殊性，需要將理論結合實踐進行教學，但現存的學齡前兒童植物生長認知產品設計教授的植物生長知識單調乏味，理論與實踐脫離。3）用戶體驗不佳，缺少多模態的互動。現存產品形式傳統，大多只涉及單通道交互并且反饋性較差，沒有突破時空的限制。4）造型與視覺設計美觀。希望學齡前兒童植物生長認知產品設計得造型美觀、視覺豐富和材料安全。上述痛點與前文中現存產品存在的問題不謀而合。

運用KJ法對實驗和調研收集到的城市兒童對植物生長教育產品的基本需求進行整理分析，最終得到如圖1所示的KJ親和圖。

一級需求為學齡前兒童植物生長認知教育產品設計；二級需求點分別為造型設計、學習內容和產品體驗；在造型設計下有3個需求點：材料環保安全、視覺效果佳和比例協調；在學習內容下有3個需求點：植物生長內容豐富且系統、理論與實踐相結合和引導式學習；在產品體驗下有3個需求點：多模態的交互反饋、突破時間空間的限制和操作簡單。

三、層次分析法（AHP）量化用戶需求

（一）層次分析法AHP的具體步驟

基于AHP層次分析法對學齡前兒童植物生長認知設計進行需求指標的分類，此分類根據上述KJ法得到的需求親和圖進行，分別對應AHP的目標層、指標層和方案層。得到如表2所示的需求層級分級。

明確學齡前兒童植物生長認知設計用戶需求層次后，建立AHP需求矩陣，確定用戶需求權重W，具體步驟如下[5-6]：1）設計AHP打分表，邀請5位家長對總需求A，指標層需求A1、A2、A3以及方案層等需求進行兩兩打分，構建需求判斷矩陣。2）計算n次水平需求對于n-1次水平需求的用戶需求權重 W，并進行一致性檢驗。3）對需求進行總排序，得到n次水平需求對一次水平需求的權重。

（二）評分表設計和需求矩陣構建

使用AHP層次分析法可以把復雜的多維度多層次的問題進行分解，對兩兩元素依次進行比較，建立需求判斷矩陣，由此確定需求的重要程度。在AHP評分設計中，為了比較兩兩元素的重要程度，兩個元素之間要賦予一定的數值，常采用1-9的評分標準。如表3所示。

以學齡前兒童植物生長認知產品設計的指標層需求相對于目標層需求為例，在AHP評分表設計中包含以下3個問題，見表4。

結合前期的實驗和調研獲得用戶需求展開表，在學齡前兒童植物生長認知產品設計的評分表中，主要有3+3+3+3=12個評分點。經由5位家長填寫，最終數據應用于AHP需求矩陣中，構建需求判斷矩陣。

（三）計算需求權重與一致性檢驗

首先，計算n次水平需求相對于n-1次水平需求的權重，目標是將n-1次水平需求相對于n次水平需求進行排序，以便在設計的過程中更好地把握用戶需求。其次，將數據進行歸一化（使向量中各元素之和等于1）后，計算得到特征向量，即用戶需求權重W。最后，判斷矩陣中的最大特征根λmax，并進行一致性檢驗。

繼續以學齡前兒童植物生長認知產品設計的指標層需求相對于目標層需求為例。由此得到學齡前兒童植物生長認知產品設計的指標層需求相對目標層需求的權重W，具體信息如表5所示。

④求得一致性比率CR，當一致性比率CR<0.1時，認為矩陣具有可接受的一致性，反之則沒有一致性。計算公式如公式3所示。

CR= CI/RI （公式3）

由此可得到一致性檢驗的相關指標λmax =3.065，RI=0.58，按照計算公式2和3得到CI=0.0325，CR=0.056<0.1，滿足一致性要求。說明學齡前兒童植物生長認知產品設計的指標層需求相對于目標層需求是合理的。

（四）需求層次總排序

按照上述方法計算出各項具體需求在整個目標需求體系中的綜合權重值，見表7。

從中可以看出，在對學齡前兒童植物生長認知產品設計的需求中，植物生長內容豐富且系統、多模態的交互反饋、理論與實踐相結合等位居前列，引導式學習、突破時間空間的限制、操作簡單等在設計中也要特別注意。

四、學齡前兒童植物生長認知產品設計的質量屋構建與分析

（一）學齡前兒童用戶需求-設計質量特征的轉化

質量功能展開（QFD）的核心是精準抓住用戶需求，把用戶的需求轉化為產品設計的技術需求和功能結構，使設計開發出來的產品最大限度地滿足用戶的期望[7-9]。將學齡前兒童植物生長認知產品設計的用戶需求進行細化分析，轉化為具體的設計特征，如技術指標和功能結構。具體信息如表8所示。

（二）學齡前兒童植物生長認知產品設計的質量屋構建

1.QFD質量屋的構建步驟：明確用戶需求與設計特征之間的對應關系，進行學齡前兒童植物生長認知產品設計的功能質量屋構建，邀請 5位專家進行打分。由于選用的設計特征之間沒有相關性，因此質量屋（HOQ）屋頂不進行繪制，其余步驟如下。

2.QFD質量屋：將評分與計算結果填入表格，得到學齡前兒童植物生長認知產品設計的質量屋如表9所示。

從學齡前兒童植物生長認知產品設計的質量屋地下室部分可以看出，在產品設計過程中，種植活動（14.62%）、學習內容系統性（12.26%）、觀察生長（12.51%）是產品設計和開發的重中之重；視頻學習（12.01%）、信息聯動（11.86%）、參考國家標準（11.62%）也是設計的重點；一些交互模式和視覺豐富程度也要考慮到。整體來看，用戶的需求大都集中在學齡前兒童植物生長認知產品設計的教育內容和產品形式上。

五、設計實踐

（一）產品服務系統：通過上述的研究和分析，進行學齡前兒童植物生長認知產品服務系統設計。整個產品服務系統的主要相關方有：學齡前兒童、監護人、硬件-農村機器人、軟件-智慧種植與學習、機器管理人員。具體信息如圖2所示。

（二）產品功能架構：產品的功能架構通過功能樹展現軟件模塊（智慧種植與學習）與硬件（農村機器人）功能的聯系與差異，通過層層展開的形式表達對產品實踐的預想。硬件產品分為5個部分：驅動系統、環境監測系統、數據傳輸系統、工作系統和其他。軟件部分主要分為4個一級模塊，分別為頂部狀態欄、植物種植區、種子倉庫、養護操作區。具體信息如圖3所示。

（三）產品效果圖：依據需求和設計特征排序，完成了一款的“線上App” +“線下硬件”的學齡前兒童植物生長認知產品設計。軟硬件之間相互配合也互有側重。軟件端主要考慮到QFD中得到的設計特征：學習內容系統性（12.26%）、參考國家標準（11.62%）以及交互反饋（動作反饋、音樂回應、震動提醒、點擊、長按等）。App端的植物生長內容參考了中國教育部頒布的《3-6歲兒童發展指南》中規定的植物生長知識，具有權威性和系統性的特點[11]。兒童通過點擊、長按、拖動等操作控制硬件產品對植物進行播種、施肥、澆水，同時在App端通過視頻和圖文的形式幫助兒童理解植物生長過程以及植物的功能和結構。在App頂部還有關于植物生長要素信息的顯示，幫助兒童識別自然界中的元素（水、陽光等）與植物生長之間關系。軟件端的設計主要解決前文提到的用戶痛點：1）教育內容缺乏系統性；2）用戶體驗不佳，缺少多模態的互動。

硬件端主要考慮到QFD中得到的設計特征：種植活動（14.62%）。硬件部分通過藍牙模塊接受命令進行種植，并以視頻的形式反饋給兒童，讓兒童觀察植物種植、養護和生長的過程。突破了時空的限制，為兒童提供觀察植物的場所，使兒童實際參與到種植活動中，提高學齡前兒童學習植物生長知識的主觀能動性。硬件端的設計主要解決了前文提到的用戶痛點：理論和實踐脫離。

軟硬件之間相互配合，提供了學齡前兒童植物生長產品設計的新模式--“線上App”+“線下硬件”。主要考慮到QFD中得到的設計特征：觀察生長（12.51%）、視頻學習（12.01%）、信息聯動（11.86%）、多模態的交互形式以及造型設計等方面的設計特征。兒童通過App實時遠程控制硬件產品對植物進行播種、施肥、澆水等，同時可以在App端觀察植物的生長和上述操作。還以視頻和圖文的形式幫助兒童理解植物生長過程和植物的功能和結構。解決了前文提到的用戶痛點：1）用戶體驗不佳，缺少多模態的互動；2）教育內容缺乏系統性；3）理論和實踐脫離；4）造型與視覺設計美觀。

結語

為了使植物生長教育產品更好地滿足學齡前兒童的實踐性、交互性和智能化等需求，文章通過SET模型分析設計的必要性，KJ法歸類總結學齡前兒童的三級需求，AHP層次分析法量化需求并進行排序，QFD功能質量展開法進行需求與設計特征的轉換，得到學齡前兒童植物生長質量屋模型，最終產出“線上App” +“線下硬件”的學齡前兒童植物生長認知產品設計。

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