視覺推理距離在設計認知過程中的策略分析

關鍵詞：視覺推理；設計認知；操作行為；鏈結表記；概念距離

引言

視覺推理，尤其是根據設計目標來尋找不同距離的視覺信息刺激，已被認為是產生設計靈感與提高設計效率的有效方法之一。過往許多研究關注于視覺推理距離對設計方案創新性的影響，而未深入探討設計者在面對不同距離刺激時的認知和行為過程。尤其對于設計經驗和知識相對匱乏的設計初學者而言，這種影響尤為深刻。觀測和分析設計初學者接收視覺信息、思考設計問題、產生設計想法并輸出設計方案的過程，有助于設計初學者恰當地使用視覺推理方法以提高設計方案的創新性和輸出效率。本研究借助設計認知過程模型，通過分解內在設計思路和外部設計動作，觀察不同距離的視覺信息介入設計初學者運用推理的過程，并提出針對不同距離使用視覺推理來提高方案創新性和產生效率的設計策略，為后續開展適應性更廣的設計實踐提供理論基礎。

一、概念闡述

（一）視覺推理距離

視覺推理是一種類比推理，是指設計者通過個人認知從視覺信息中有選擇性地提取元素并運用到設計中，從而實現視覺信息與設計方案間鏈接的過程[1]。以往研究表明，包含視覺推理在內的類比推理可以幫助設計者運用熟悉的問題來解釋新的問題，有效地促進了當前設計問題的解決。而相比于通過其他感官獲得的信息，視覺信息表現得更加直觀和便捷，因此視覺推理是設計者獲得靈感最重要的途徑之一，也是方案傳遞設計語言的重要表現形式[2]。

在視覺推理研究中發現，視覺信息與設計目標之間的概念距離是影響設計過程的焦點因素。Gentner 和Markman[3] 認為遠距離的視覺推理最可能激發創新的設計見解。岑斐也提出遠距離的視覺推理通常能極大的提高設計方案的創意度[4]。而相對于遠距離視覺信息，展示近距離的視覺信息會導致設計者較低水平的思維發散[5]。因此，若選擇不當距離的視覺信息，還可能會阻礙設計的創新。

為了探究視覺推理對設計結果產生如此影響的原因，部分研究者從認知心理學的角度切入視覺推理的形成機制研究。Kavakli 等認為設計者會對所提供的視覺信息產生自主描述和解釋，而這種描述和解釋所形成的認知過程則構成了視覺推理過程[6]。Suwa 等對設計者的認知行為進行了編碼，用于設計過程中的圖像識別過程分析[7]。在此基礎上，Park 和Kim 將其編碼方案用于視覺推理模型的構建，以揭示不同視覺推理能力的設計者對設計認知過程的影響[8]。這為本文提供了視覺推理形成的理論依據。設計者在認知與視覺推理過程中的設計行為均有跡可循，認知過程模型的構建可以使設計行為可視化和具體化，有利于建立視覺推理距離和設計行為兩個變量之間的邏輯關系。因此，本研究以設計認知過程模型為研究工具，觀察不同距離的視覺推理影響各個設計行為的變化動態與刺激作用。

（二）設計認知過程模型

探究視覺推理距離在設計認知過程中的作用，首先要明確設計認知過程的運行機制和具體環節。目前，認知心理學的主流是以信息加工觀點研究認知過程的，即把人看作一個具有主觀能動性的知識獲得者和信息加工者[9]，認為認知就是信息加工[10]。用戶從外部獲取信息，然后與自身已有的記憶存儲進行選擇匹配，再繼續編碼形成新的記憶存儲[11]。為了簡化設計認知過程的研究，許多學者從不同的視角提出了設計認知過程模型。早在2006 年，Nijstad 和Stroebe[12] 提出了“聯想記憶想法搜索（Search for ideas in associative memory，SIAM）”模型，認為設計想法的產生是基于聯想記憶中的反復搜索，且受“負反饋循環”與“認知失敗”的控制。設計者無法激活相關的知識或產生新的想法被稱為認知失敗，進而成為負反饋循環的輸入[12]。在設計過程的基礎上，Goldschmidt 提出了更為細致的“設計動作”概念，并將其定義為一種將想法與設計實體關聯的推理行為和進行實際設計的動作[13]。Gero 將設計動作進行了詳細劃分，認為設計動作可以包含聲明（Declare，D）、假設（Suppose，U）、解釋（Explain，E） 和計算（Compute，C） 等多個步驟[14]。Jin和Benami 分析設計認知過程是創意生成和設計探索的循環過程，并將上述認知過程和設計動作結合，提出了“生成—刺激—產生”（Generate-Stimulate-Produce，GSP）模型，包括記憶檢索、關聯、轉換（Memory retrieval、Association、Transformation，RAT）、問題分析（Problem analysis，PA）以及解決方案分析（Solutionanalysis，SA）等過程[15]。

通過上述分析可以發現，SIAM 模型側重于群體互動對個體認知過程的影響，適用于群體層面的認知過程，并將認知失敗的過程理論化，為本研究提供了整體認知過程和認知失敗的理論背景。GSP 模型關注個體層面的設計操作、認知過程和實體信息之間的相互作用，為本研究的模型構建提供了基本的框架。此外，“設計動作”的概念十分廣泛，本研究參考Gero[13-14] 對設計動作定義，對設計操作流程進行了簡化，以便觀察和記錄。

二、研究模型與假設

（一）模型構建。本研究基于GSP 和SIAM 模型提出了“三環”模型，將設計過程分為“認知過程循環（C1）”“設計操作循環（C2）”和“負反饋環節（F）”3 個層面，用于解構設計者使用視覺推理的過程，如圖1。

在“認知過程循環（C1）”中，設計者迭代生成和評估設計想法。生成過程分為針對設計問題的記憶檢索（Memory retrieval，MR）、關聯（Association，AS）和轉換（Transformation，TF），簡稱為RAT。評估過程分為探索性問題分析（PA）和解決方案分析（SA）階段：PA 階段為探索設計問題各個部分的相互關系；SA 階段則是針對PA 階段產生的問題進行解決處理，且對從上述過程中獲得的設計想法進行檢驗和判斷，評估其是否存在設計可行性。

“設計操作循環（C2）”層面是SA 階段的具體展開。在假設（U）步驟，針對當前不明確的設計想法，基于一些假定條件進行設計；在聲明（D）步驟，陳述在設計中使用的某種形式；在解釋（E）步驟，通過推理分析設計問題和評價解決方案；在計算（C）階段，通過計算確定方案的需求、可行性及設計限制。在以上步驟實施過程中，設計者可對方案進行評估。若通過評估，則輸出當前設計方案；否則，進入負反饋環節（F）。

進入負反饋環節（F）后，設計者決定是否結束分析當前解決方案：若選擇結束，則表明放棄當前設計方案，負反饋失?。‵1）；否則，重新回到解決方案分析，根據新產生的問題再次進行設計，由此產生負反饋激勵（F2）。

（二）假設提出。基于上文提出的“三環”模型，本研究采用被試行為分析的方法，分別針對認知過程循環（C1）、設計操作循環（C2）和負反饋環節（F）的失敗（F1）與激勵（F2）五個層面提出以下三個假設：

假設1：面對不同概念距離的視覺信息時，C1 和C2 的各步驟持續時間有顯著不同；假設2：面對不同概念距離的視覺信息時，C1和C2 的循環次數有顯著不同；假設3：面對不同概念距離的視覺信息時，F1 和F2 的次數有顯著不同。

三、實驗設計

本研究采用實驗法驗證研究假設。實驗要求被試在規定時間內完成“家用餐椅設計”的任務，并要求采用有聲思維法（Think-Aloud）將頭腦風暴和草圖繪制過程中產生的想法及時通過話語表達出來，方便之后的轉錄、編碼和分析。

（ 一） 實驗被試。30 位（ 男12 名， 女18 名， 平均年齡M=20.27，SD=0.45）來自工業設計專業的二年級本科生被邀請參與本次實驗。實驗被試被隨機分為兩組，分別被編碼為近距離組和遠距離組。兩組被試在實驗結束前都沒有交流與接觸。

（二）實驗材料。兩組被試根據組別的不同分別獲得10 張相同主題但不同內容的圖片材料，如圖2。圖片內容分別為“蛛網”“魚”“葉脈”“鳥巢”“海螺”“海浪”“水波”“絲線防治”“馬蹄蓮”“刺猬”。其中，遠距離組的圖片內容是自然界物體，近距離組的圖片內容是以自然界形態為創意來源的椅子設計。

（三）實驗過程

具體實驗過程如下：

步驟1：研究人員向被試講述實驗要求、實驗內容與實驗流程。步驟2：為提前適應有聲思維法的使用，被試進行時長為5 分鐘的有聲思維培訓。步驟3：被試按分組依次進入不同房間進行正式實驗，房間安靜，無外界環境干擾。步驟4：被試進行時長為20 分鐘的正式實驗，以“家用餐椅設計”為主題進行設計。被試可參考獲得的圖片材料進行頭腦風暴，并要求使用有聲思維法，最終提交至少一個草圖形式的設計方案。步驟5：提交設計方案后，被試需要參加一個半結構化的訪談，向研究人員簡單陳述設計方案。

在整個實驗過程中，研究人員向被試提供鉛筆、黑色水筆、A4白色打印紙、橡皮等常用設計工具，并對每位被試的有聲思維與草圖過程進行了全程攝像記錄，如圖3，以便后期對實驗過程的編碼與分析。被試需要單獨完成實驗，期間不能使用電子設備且不允許與他人討論。

（四）實驗編碼。根據研究模型對實驗中被試的各個設計行為進行編碼，如表1。

四、實驗結果及分析

根據研究模型與假設，筆者統計了被試各個設計步驟的累計時間（單位：秒），以及認知過程循環、設計操作循環和負反饋環節的失敗和激勵次數，并使用獨立樣本t 檢驗的方法對所得數據進行統計分析。

（一）各步驟持續時間對比分析。認知過程循環（C1）包含記憶檢索、關聯和轉換（MR、AS、TF，RAT）、探索性問題分析（PA）與解決方案分析（SA）步驟。在PA 步驟，近距離組的持續時間（M=365.33，SD=199.86） 顯著多于遠距離組（M=235.60，SD=81.13），t=2.33，plt;0.05； 而在RAT 步驟， 近距離組的持續時間（M=197.60，SD=129.57） 與遠距離組（M=244.80，SD=126.26） 不存在顯著差異，t=-1.01，pgt;0.05； 在SA 步驟，近距離組（M=573.27，SD=195.08） 與遠距離組（M=699.60，SD=193.41） 之間也不存在持續時間上的顯著差異，t=-1.78，pgt;0.05。

設計操作循環（C2）包含假設（U）、聲明（D）、解釋（E）和計算（C）步驟。其中，在D 步驟，近距離組的持續時間（M=14.07，SD=8.66） 顯著少于遠距離組（M=30.40，SD=15.42），t=-3.58，plt;0.05； 在E 步驟， 近距離組的持續時間（M=148.87，SD=105.73）也顯著少于遠距離組（M=321.47，SD=185.01），t=-2.33，plt;0.05；而在C 步驟，近距離組（M=339.80，SD=173.72）和遠距離組（M=289.73，SD=124.84） 之間不存在顯著差異，t=0.91，pgt;0.05；在U 步驟，近距離組（M=70.53，SD=51.50）和遠距離組（M=58.00，SD=46.60）之間也不存在顯著差異，t=0.70，pgt;0.05。

由以上結果可知，兩組在探索性問題分析（PA）、聲明（D）和解釋（E）步驟上的持續時間存在顯著差異，由此證明假設1 部分成立。這表明在探索性問題分析的持續時間上，近距離組被試比遠距離組被試傾注了更多時間；而在解決方案分析總持續時間無顯著差異的情況下，遠距離組被試比近距離組被試分配了更多時間在設計聲明與解釋上。

（二）認知過程循環和設計操作循環次數的對比分析。對于認知過程循環C1，近距離組的循環次數（M=2.60，SD=1.30）顯著多于遠距離組（M=1.13，SD=1.19），t=3.23，plt;0.05；對于設計操作循環C2，近距離組的循環次數（M=3.53，SD=2.92）也顯著多于遠距離組（M=1.27，SD=0.59），t=2.94，plt;0.05。因此，結果證明假設2 是成立的。這表明近距離組被試在相同的時間內產生新想法并執行設計操作的效率更高。

（三）負反饋環節的失敗與激勵次數對比分析。對于負反饋失敗F1，近距離組的次數（M=2.67，SD=1.54）顯著多于遠距離組（M=0.73，SD=0.80），t=4.309，plt;0.05；對于負反饋激勵F2，近距離組的次數（M=1.13，SD=1.19）顯著少于遠距離組（M=2.87，SD=1.73），t=-3.20，plt;0.05。因此，結果證明假設3 也是成立的。該結果表明近距離組的被試更容易放棄經過一定時間的認知和設計操作的解決方案，而遠距離組更傾向于繼續調整和優化當前評估失敗的解決方案。

五、討論

（一）典型案例分析。在本節中，筆者從兩組各選擇一個被試案例，利用鏈結表記法（Linkography）進行分析，以說明不同視覺推理距離導致被試做出不同思維決策的具體原因。在鏈結表記法（Linkography）中，一段時間內的每個設計動作以點的形式分布在一條水平線上，并且各設計動作之間的連結關系通過水平線下的網狀交叉斜線與交點呈現。連續的設計動作之間產生了緊密的鏈接關系，而幾乎不與其他設計動作相互鏈接的設計動作，則形成“塊”。設計深度可以通過“塊”向下延伸的距離進行體現。

1. 近距離組案例分析。近距離組典型案例的草圖，如圖4。該被試對其設計方案的描述如下：“以‘團圓’為主題設計餐椅，參考實驗提供的‘鳥巢’作為靈感來源，以表達陪伴的主旨。由‘團圓’進行思維發散聯想到元宵和中秋的節日元素，參考湯圓和月餅的形狀進行餐椅設計?！痹摫辉囋O計過程的Linkography，如圖5。水平線上的實心節點代表設計動作，上方的數字為設計動作的編號。整個設計過程被分為3 個“塊”，但每“塊”向下延伸的距離較短。這表明該被試產生了多種方案，但這些方案均缺少設計深度。

結合統計信息可以發現，近距離組被試在時間分配上，用于探索性問題分析的時間占比更多，認知過程循環次數也較多，這表明他們更期望產生新的設計想法；設計操作循環次數較多，表明該組被試能夠多次將初步設計想法轉換為具體設計方案。然而，多次的負反饋失敗表明該組被試更容易放棄當前的設計方案。換言之，近距離組被試能夠產生更多的設計想法，但對設計方案卻較少做出深入調整和優化。可能原因是近距離組被試期望在探索性問題分析中避開接收到的十個椅子案例，因而不停地參考新的信息來源來改進或豐富椅子設計，直至提出自認為較創新的設計方案。這導致他們對已有的設計方案深入細化的欲望減少。

2. 遠距離組案例分析。遠距離組典型案例的草圖，如圖6。該被試對設計方案的描述為：“以實驗提供的‘馬蹄蓮’為原型設計一款椅子，其適合在家用場景中使用。并且考慮了生產工藝和選材，該設計是一款經濟實惠、經久耐用的家用餐椅?！痹摪咐鶎腖inkography，如圖7。圖中僅有一個包含許多動作的“塊”，說明該被試針對一個主題進行了高密度的頭腦風暴，體現了解決單一設計問題時的思維過程。此外，該“塊”向下延伸的距離較長，表明被試對該設計方案進行了深度思考，并且方案完整程度相對較高。

結合統計信息可以發現，遠距離組被試在探索性問題分析的時間占比較少，認知過程循環次數也較少，表明他們產生新的想法較少；負反饋失敗次數較少，激勵次數較多，表明他們不會輕易放棄當前設計方案，而選擇做出持續性的調整優化。換言之，遠距離組被試產生更少的設計想法，但卻集中精力將單一設計想法輸出為較完整的設計方案。可能原因是概念距離較遠的圖片轉化為設計方案存在更多的空間。因此，為提高轉化效率，該組被試傾向于挑選少量甚至一個形態作為參考，并集中精力輸出一個較為完整的設計方案。這也是被試在設計聲明與解釋步驟上花費更多時間的原因。

（二）結果分析。通過以上實驗數據與典型案例分析可以發現，視覺推理距離對設計想法的產生來源、產生效率和設計方案的產出效率都有影響。這對設計認知過程中如何運用視覺信息具有一定意義。

在設計想法產生來源方面，近距離的視覺信息使設計初學者投入更多時間用于分析問題以避開設計案例；反之，設計初學者則傾向于直接接收視覺信息，并將之作為想法來源，最終轉換為設計方案。因此，對設計初學者而言，選擇遠距離的視覺信息可以有效避免案例設計固化現象的產生。

在設計想法產生效率方面，近距離的視覺信息會引發設計初學者對信息認知過程的多次循環，并通過這些循環過程不斷獲得與現有案例不同的創新設計想法；反之，設計初學者則會更偏向基于單一視覺信息產生創新想法以輸出設計方案。因此，選擇近距離的視覺信息可以促進頭腦風暴的進行，提高設計想法的產生效率。

在設計方案產出效率方面，近距離的視覺信息會導致設計初學者輸出更多的設計方案，但是這些方案大多表現淺顯，缺乏深入思考，還更易因設計者評估失敗而被廢棄；反之，設計初學者花費更多時間對設計方案進行優化，并對設計細節更顯關注。因此，設計初學者可以根據目標設計方案的數量或完整性選擇相應距離的視覺信息。提高設計想法的新穎性。

相比過往視覺推理距離的研究，本文提出的“三環”模型更加微觀且詳細，善于將多個設計環節聯系在一起，系統地分析其在每個環節所起的作用，并通過實驗驗證了“三環”模型的準確性和可行性，為視覺推理距離在設計過程中的應用提供了可靠的方法論：在設計過程中，設計者可有意識的根據設計目的選擇合適距離的視覺信息作為靈感來源，將有助于提高設計決策效率，縮短設計項目周期。

結語

本研究基于設計認知過程模型，深入探討了不同距離的視覺推理在設計過程中對設計者的思維認知和設計動作的影響。通過獨立樣本t 檢驗和鏈結表記法（Linkography）分別分析實驗數據和設計者的設計思維認知及設計操作過程，研究發現不同概念距離的視覺推理對設計認知過程、設計想法的產生來源、產生效率以及設計方案的產出效率都有影響。設計者在設計過程中可以根據設計目的選擇不同概念距離的視覺信息，以獲得更有創造性的設計方案。

此外，本研究也存在一定局限性，實驗結果受到被試教育背景和設計經驗的影響。后續研究將會邀請具有不同教育背景和設計經驗的設計者參與實驗，以便開展適應性更廣的設計認知研究。