基于原案分析的工作模式对机械概念设计认知过程的影响

李发权 熊世权

1.河南理工大学，焦作，454000 2.重庆大学，重庆，400030

0 引言

概念设计是产品研发过程中富于创造性的阶段。在概念设计过程中，徒手草绘（free－hand sketching）和 CAD草绘（digital sketching）是设计认知的两种基本媒介。不同的设计者运用媒介的习惯可能不同，由此形成两种基本的工作模式：顺序模式（sequential mode，SM）和交替模式（al－ternant mode，AM）。在顺序模式下，设计者先以徒手草绘形成初步的设计方案，然后才在CAD环境里表达和修正，而在交替模式下，设计工作者以徒手草绘和CAD草绘的不断交替来完成概念设计认知任务。由于多数研究者仍然认为徒手草绘才是设计构思的主要媒介，CAD草绘并不支持设计概念的创建［1－3］，所以，有关顺序模式和交替模式对概念设计认知过程的影响的比较研究还很少见。但两种媒介下的设计认知应该被研究，以探索媒介转换和工作模式对设计认知过程的影响［1］。

目前，用来研究设计认知活动的主要方法包括内省法（introspective verbalization）［4］、回顾法（retrospective verbalization）［5］、同 步 叙 述 法（concurrent verbalization）［5－6］、原案分析法（protocol analysis）［7－8］等。其中，内省法和回顾法存在“意识对意识进行反映”的理论缺陷［9］，也难免有臆想成分。对于同步叙述法，根据Wickens的人类信息加工模型［10］，其口语陈述是直接从人的“工作记忆”中输出的，是对思维活动的同步反映，所以同步叙述法是获取真实的认知数据的好方法。而原案分析法以同步叙述法为基础，将受试对象的视频和音频信息完整记录，然后针对不同目标进行不同的数据分析。它既吸取了同步叙述法的优点，又可获得其他方法难以获得的信息，操作也比较方便，所以成为研究专业领域的认知活动时所采用的一种重要方法。因此，本文采用原案分析法研究工作模式对设计认知过程的影响。

1 理论假设

本文首先提出理论假设，然后采用原案分析法开展产品概念设计实验，对比研究顺序模式和交替模式对设计认知过程的影响。

设计工作者的两种基本工作模式——顺序模式和交替模式如图1所示。

图1 设计者的两种基本工作模式

如前所述，不少研究者仍然认为，徒手草绘才是设计构思的主要媒介，CAD草绘并不支持设计概念的创建［1－3］，其中，比较典型的是 Bilda等［1］针对徒手草绘和计算机草绘对概念设计认知的影响的对比实验。实验表明，在概念设计阶段，徒手草绘比计算机草绘在利用时间、构思问题、提出备选方案，以及感知视觉－空间特征等方面更有效。不过，Madrazo［11］认为CAD环境里的可视化表现可用来更好地理解设计结构形式，以支持视觉思维。Marx［12］也指出，相对于传统媒介，CAD环境里设计结构的可视化和即时反馈，可以使设计者更加频繁地重定义设计概念。当然，文献［1－3］同时也承认或暗示，随着CAD软件的柔性不断增强，设计者和CAD环境的交互可能是一种新的设计工作模式。需要注意的是，在已知的文献中，两种媒介是分别被单独研究的，与媒介转换相关的工作模式对设计认知的影响的研究还很少见。基于此，本文提出如下3个假设：①相对顺序模式，当设计者工作在交替模式时，其设计时间更短；②相对顺序模式，当设计者工作在交替模式时，其设计质量更高；③相对顺序模式，当设计者工作在交替模式时，其设计结果更具有创新性。

2 研究方法

2.1 实验设计

在设计任务方面，本文要求受试者设计出一种靠背可倾斜、座板可升降的座椅。至于受试者采用什么样的结构来实现产品功能，实验不作限制。为获取原案数据，实验要求受试者必须完整笔录其设计构思活动，若需修改则保留修改痕迹，并在三维CAD环境里进行表达和检验，最终形成产品的原理方案。每个受试者的设计工作过程要求反映概念设计的全部内容，包括倾斜机构和升降机构的方案确立、两种机构的定位、功能构件的选择、倾斜机构和升降机构的CAD实体模型的构建、虚拟装配、运动干涉检验及修正等。整个过程采用摄像机全程录像。

对于实验样本，根据“总体的同质性越好，所需样本容量就越小”的原则［13］，并参考 Bilda等［1］的一个相关实验（样本容量n＝6），笔者邀请了14位知识背景大致相同，即同质性较好的机械专业研究生参与产品设计活动，他们来自机械传动国家重点实验室。

2.2 实验变量及衡量方法

采用3个因变量和1个自变量来探讨3个假设。因变量包括设计时间t（design time）、设计质量Q（design quality）、设计结果的创新性N（novelty of design result）。

设计时间t并不是完成设计任务的总时间，而是功能连接（如齿轮副、铰链等）的平均设计时间，由总的设计时间与功能连接数之比来度量。这样定义的原因是“设计问题是一种非结构化问题，不同设计者设计的可调座椅可能形态各异，样式各不相同，其构成都是由功能连接的”。

设计质量Q定义为设计结果满足设计约束的程度。它由设计子任务的完成度Q1、合理性与技术可行性Q2、外观造型美学品质Q3这3项指标的加权平均值构成。首先，将处于不同取值范围的3个指标一致化为1到10之间的值，然后，运用Delphi方法分配指标的权重wi，最后，对指标值加权平均即获得设计质量值。计算公式为

式中，Q＊i、Qi分别为第i个设计质量指标的原始值和一致化值；wi为指标的权重。

对于设计结果的创新性N，首先采用Likert 5级量表进行评分，然后将其转化为1～10之间的值，作为设计结果的创新性的最终值，数据转换的方法与设计质量指标的一致化方法相同。

自变量为工作模式（work mode），有顺序模式（SM）和交替模式（AM）两种取值。受试者以何种模式工作，根据其设计行为判断。

3 研究结果

3.1 原案数据的可靠性分析

为测试原案数据的可靠性，本研究将其中一位受试者（13号）的原案数据包括笔录和录像资料（图2、图3），交给本实验范围以外的一位机械设计专家进行研判，让他独立绘制出13号受试者的“问题行为图解（problem behavior graph）”。问题行为图解是一种精确表达知识状态移动情况的方法，它能帮助理解受试者在完成任务过程中的整个认知过程［8，14］。测试前，给该设计专家提供一套必须严格遵守的特定图解程序。然后，主试者将设计专家绘制的13号受试者的行为图解与研究组所提炼的13号受试者的概念构思过程进行对比，判断两者是否有相似性。根据相似性程度确定本实验所采用的原案分析法是否可靠。

该专家绘制的13号受试者的问题行为图解如图4所示。图解的逻辑顺序是由左到右，由上到下，这代表了设计过程。图4中，两节点间的横线代表知识状态，部分知识状态的分类符号列在图4中。虽然该设计专家并没有现场观察过本实验的实验过程，但他依照规定的行为图解方法描绘的结果，与课题组提炼的13号受试者的构思过程存在不少相似之处。例如：

图2 概念设计构思过程的原案数据示例

图3 可调座椅的三维CAD概念模型示例

（1）提炼出了13号受试者对设计问题的反复修正过程：P01（将靠背和座板分开）→P02（将靠背和座板连接）→P01（将靠背和座板分开）。

（2）提炼出了13号受试者的最终设计方案：S01（交流电机）→S02（能量转换机构）→S31（平行四边形机构调节座板升降）＋S32（四边形机构调节靠背倾角）。

图4 13号受试者的问题行为图解（来自第三方设计专家）

这说明，通过考察知识状态的变化可以发现设计认知过程。同时也证明，采用原案分析法，能够从原案数据中发掘出一致的知识运作过程。

3.2 非参数假设检验

本文最终获得14个样本。其中6人采用了顺序模式，8人采用了交替模式。对应不同的工作模式，设计时间、设计质量和设计结果的创新性也被分成了两组。

因为样本容量n＝14，属于小样本（n＜30），变量的总体分布难以推断，所以采用非参数检验来研究3个假设。目前，在2个总体分布的非参数检验方法中，Sign Test检验要求两组样本必须配对，且每个样本要有2个随机变量值，这与本文研究情形显然不符；Kolmogorov－Smirnov检验通常用于大样本情形的分布拟合检验，而本文属于小样本情形；Mann－Whitney检验不要求两组样本配对，特别地，它既适用于大样本情形，也适用于小样本情形［15］。因此，本文采用 Mann－Whitney检验分别对设计时间、设计质量和设计结果的创新性进行统计分析，结果如表1所示。

表1 3个假设的Mann－Whitney检验结果

对于设计时间，表1显示，交替模式下设计时间的等级平均值（4.50）小于顺序模式下设计时间的等级平均值（11.50）；同时，Mann－Whitney U统计量的精确显著性检验（Exact），以及其对应的渐进双尾显著性检验（Asymptotic），都表明这种差异非常显著（P＜0.01），如图5所示。即假设1得到了验证。需要指出的是，在图5中，对应相同横坐标的两条折线上的点，表示两组受试者中序号相同的受试者，而不是同一个人（图6和图7所示也存在类似情形）。

对于设计质量，表1显示，交替模式下设计质量的等级平均值（10.25）大于顺序模式下设计质量的等级平均值（3.83）；同时，Mann－Whitney U统计量的精确显著性检验，以及其对应的渐进双尾显著性检验，都表明这种差异非常显著（P＜0.01），如图6所示。即假设2得到了验证。

图5 工作模式对设计时间的影响

图6 工作模式对设计质量的影响

对于设计结果的创新性，虽然表1显示，交替模式下创新性的等级平均值（9.06）与顺序模式下创新性的等级平均值（5.42）存在一定差异，但Mann－Whitney U统计量的精确显著性检验，以及对应的渐进双尾显著性检验，却都表明这种差异没有达到统计学意义上的显著水平（P＞0.05），如图7所示。即假设3未获得支持。

图7 工作模式对设计结果创新性的影响

4 分析和讨论

若假设1和假设2成立，说明交替模式能够发挥两种媒介的优势。设计者适时地利用CAD系统表达前面的设计结果，进行设计思考，可以更好地理解机械结构，更准确地把握功能单元之间的关系。随时运用CAD系统本身的分析功能进行各种运动学和动力学分析，例如本实验中结构单元之间的干涉检查，就能够在设计过程中及时地处理和消除出现的设计问题，增加一次成功的机会。另外，在交替模式下，传统媒介（徒手草绘）和CAD媒介（计算机草绘）之间的多次转换，可以使设计者脑海中设计概念的影像适时转换成CAD环境下的虚拟模型，这种模型能够向设计者传递在传统媒介下不容易形成的信息反馈。同时，交替模式可以更好地发挥两种媒介的优势，即传统媒介便于即时描绘设计概念，而CAD媒介的辅助设计功能便于分析和校验设计意图。可能是这些因素，使得交替模式下的受试者，在设计时间和设计质量方面的表现总体上优于顺序模式下的受试者。

假设3未获得实验的支持，这可能是因为，无论是在顺序模式下，还是在交替模式下，CAD媒介只是一种辅助手段，新的设计概念的产生依然主要依靠人的认知活动。尽管制造业信息系统的智能化水平在不断地提高，但制造过程中依然存在许多模糊因素和不确定性环节，完全依赖信息系统并不能解决所有问题。目前，设计工作依然是一个非结构化程度较高的知识性活动，依然是产品和服务创新的核心。

需要说明的是，本文所做的对比研究与Bilda等［1］所做的徒手草绘和计算机草绘对概念设计过程的影响的对比研究不同。在本文研究中，无论是顺序模式还是交替模式，受试者都是在CAD环境下进行的，两种工作模式都包含了两种媒介，只是在顺序模式下媒介转换很少，传统媒介是主要的设计构思手段，而在交替模式下媒介转换较多，媒介转换成为主要的设计构思手段。但在Bilda等［1］的研究中，两种媒介是分别被单独研究的，受试者分别处于不同的实验环境，不存在媒介转换的情景。

5 结论

（1）在设计结果的创新性方面，不同工作模式下设计者的表现总体上没有显著性差异，而在设计时间和设计质量方面，以交替模式工作的设计者的表现总体上要优于以顺序模式工作的设计者的表现。

（2）交替模式能够发挥两种媒介的优势，即传统媒介更适应于表征设计概念，而CAD媒介则更适应于分析和检验设计意图，从而交替模式能够改善设计效率和提高设计的一次成功率。

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