面向汽車造型設(shè)計模糊前端的思維機(jī)制研究?

盧兆麟，王 波，石清吟

(1.合肥學(xué)院工業(yè)設(shè)計系，合肥 230601； 2.清華大學(xué)汽車工程系，汽車節(jié)能與安全國家重點實驗室，北京 100084)

面向汽車造型設(shè)計模糊前端的思維機(jī)制研究?

盧兆麟1，2，王 波2，石清吟2

(1.合肥學(xué)院工業(yè)設(shè)計系，合肥 230601； 2.清華大學(xué)汽車工程系，汽車節(jié)能與安全國家重點實驗室，北京 100084)

為提高汽車產(chǎn)品開發(fā)中造型設(shè)計模糊前端階段的有效性，本文中對該階段中設(shè)計者思維機(jī)制進(jìn)行研究。首先對汽車造型設(shè)計模糊前端的概念與內(nèi)涵進(jìn)行了闡述，將思維過程劃分為發(fā)散、轉(zhuǎn)化和收斂3個階段；對其進(jìn)行了形式化描述，并定義了思維活動的類型；接著圍繞“針對80后都市群體的純電動汽車”這一特定設(shè)計任務(wù)展開口語報告實驗，并提出了基于思維過程和基于思維活動的兩種編碼方案；最后對有經(jīng)驗設(shè)計者和新手設(shè)計者的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，總結(jié)了兩者的差異性，得出若干結(jié)論，為汽車造型設(shè)計的實踐與教育提供理論支持。

汽車造型；設(shè)計模糊前端；思維機(jī)制；口語報告

前言

汽車作為“世界第一商品”，其造型對于塑造品牌形象、影響消費者情感認(rèn)知具有重要的作用[1]，是決定產(chǎn)品命運的關(guān)鍵性因素。汽車造型設(shè)計作為汽車產(chǎn)品開發(fā)的最初步驟，屬于多學(xué)科交叉的綜合領(lǐng)域，目前國內(nèi)外學(xué)者對于這一領(lǐng)域的研究主要側(cè)重于設(shè)計方法與結(jié)果評價等方面，如：文獻(xiàn)[2]中構(gòu)建了消費者偏好與產(chǎn)品族外形基因之間的映射模型，并運用遺傳算法實現(xiàn)偏好驅(qū)動的SUV產(chǎn)品族側(cè)面輪廓線基因進(jìn)化；文獻(xiàn)[3]中使用灰色理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和馬爾科夫鏈的組合分析模型，提出了一種汽車造型進(jìn)化趨勢預(yù)測方法；文獻(xiàn)[4]中將質(zhì)量功能展開與合作博弈理論相結(jié)合，提出一種汽車產(chǎn)品顧客滿意度和成本優(yōu)化設(shè)計的方法；文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]中運用自然語言處理方法實現(xiàn)汽車造型風(fēng)格的推導(dǎo)，并基于眼動跟蹤和Fisher判別對汽車造型進(jìn)行客觀評價；文獻(xiàn)[7]中提出了一種基于形狀語法的汽車造型風(fēng)格編碼方法，并以別克汽車為例進(jìn)行了驗證；文獻(xiàn)[8]～文獻(xiàn)[10]中結(jié)合模糊集與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，研究了汽車造型風(fēng)格及意象表達(dá)問題；文獻(xiàn)[11]中提出用多次顯示的方法對汽車設(shè)計方案進(jìn)行美學(xué)評價。

然而，設(shè)計是一個復(fù)雜的思維過程，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界對于“設(shè)計”所達(dá)成普遍共識一般包括：①一種創(chuàng)造性活動；②一種針對目標(biāo)的問題求解過程；③一種改進(jìn)現(xiàn)實的活動；④一種從現(xiàn)存事實到未來可能的轉(zhuǎn)化；⑤一種決策活動。文獻(xiàn)[12]中進(jìn)一步將設(shè)計定義為“在一系列特定情境下為滿足總體真實需求尋找合適解決方案的思維活動”，在這一活動中，設(shè)計的模糊前端(fuzzy front end，F(xiàn)FE)是極為重要的階段，它既是創(chuàng)新設(shè)計的開端、產(chǎn)品創(chuàng)新的發(fā)動機(jī)，又是創(chuàng)新能否成功的關(guān)鍵[13]，當(dāng)前的研究尚缺少對于這一過程之后潛藏的設(shè)計師思維機(jī)制的探索。

針對上述問題，本文中面向汽車造型，運用口語報告實驗(verbal reports，VR)并結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計分析，對設(shè)計過程模糊前端的設(shè)計師思維機(jī)制進(jìn)行定量研究，總結(jié)出相應(yīng)規(guī)律。

1 汽車造型設(shè)計模糊前端

1.1 新產(chǎn)品開發(fā)的模糊前端

“模糊前端”這一概念最早于1985年提出[14]，在20世紀(jì)90年代逐漸獲得推廣，近年來由于其在新產(chǎn)品開發(fā)過程中的重要性日益凸顯，正在成為國內(nèi)外研究熱點。

現(xiàn)有研究將產(chǎn)品開發(fā)過程劃分為兩個階段[15]：①模糊前端階段，指的是新產(chǎn)品進(jìn)行實質(zhì)性開發(fā)前的階段，包括產(chǎn)品創(chuàng)意的產(chǎn)生、評價和篩選、產(chǎn)品概念的開發(fā)與定義等，這一階段具有模糊性、不確定性、非常規(guī)性和動態(tài)性的特點；②執(zhí)行階段，又分為開發(fā)階段(new product development，NPD)與商業(yè)化階段(commercialization，COM)，內(nèi)容包括產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)、樣品生產(chǎn)與檢驗以及規(guī)模生產(chǎn)、市場化等。

上述兩階段的對比如表1所示[16]。

文獻(xiàn)[16]中通過案例研究發(fā)現(xiàn)，在模糊前端所產(chǎn)生的3 000多個產(chǎn)品想法，只有14個能進(jìn)入開發(fā)階段，最終僅有1個能成功商業(yè)化，因此模糊前端的執(zhí)行效果實際上成為了產(chǎn)品開發(fā)成敗的分水嶺。因此，從產(chǎn)品開發(fā)的模糊前端入手，是提高產(chǎn)品開發(fā)績效的關(guān)鍵。

表1 產(chǎn)品開發(fā)階段對比

1.2 汽車造型設(shè)計的模糊前端

汽車產(chǎn)品的開發(fā)是一個高度組織化的過程，與多個主體密切相關(guān)，其中汽車造型設(shè)計不僅有設(shè)計師的參與，還涉及市場人員、工程技術(shù)人員和管理人員等。汽車造型設(shè)計的模糊前端又可進(jìn)一步劃分為項目前端與設(shè)計前端，如圖1所示。

在項目前端，企業(yè)須進(jìn)行新產(chǎn)品的機(jī)會識別，以保證其符合公司發(fā)展戰(zhàn)略及顧客的需求。一旦產(chǎn)品機(jī)會被確定，則進(jìn)行市場規(guī)模、性質(zhì)、特點和現(xiàn)有競爭產(chǎn)品的分析，并確定現(xiàn)有技術(shù)能力能否在限定的時間內(nèi)憑借一定資源將產(chǎn)品機(jī)會轉(zhuǎn)化為新的產(chǎn)品。之后企業(yè)將制定產(chǎn)品計劃，對產(chǎn)品的核心層、有形層與延伸層等進(jìn)行較為詳細(xì)的描述。

在設(shè)計前端，經(jīng)歷思維發(fā)散、思維轉(zhuǎn)化和思維收斂3個階段[17]，如圖2所示。在第1階段，設(shè)計師根據(jù)設(shè)計任務(wù)書對汽車造型問題進(jìn)行分析，獲取盡可能多的信息，同時以一定方式在頭腦中表征，包括目標(biāo)群體定位、產(chǎn)品功能和使用環(huán)境等；在第2階段，設(shè)計師將主要設(shè)計信息轉(zhuǎn)化為與造型概念相關(guān)的語義描述，例如將“80后年輕都市群體”轉(zhuǎn)化為具體的“年輕化、時尚感”；在第3階段，設(shè)計師對造型概念的語義、意象和主題等各種信息進(jìn)行整合，建立起與造型元素之間的關(guān)系，例如以藍(lán)色光帶表明電動車特征，以側(cè)身腰線彰顯“力量感”等。

2 基于口語報告的造型設(shè)計思維機(jī)制研究

2.1 造型設(shè)計思維

設(shè)計研究包括3個根本問題[18]：①設(shè)計規(guī)則；②設(shè)計方法論；③設(shè)計思考過程。本文中將面向汽車造型設(shè)計模糊前端，為便于對設(shè)計師思維過程機(jī)制進(jìn)行研究，引入如下定義。

定義1.根據(jù)本體建構(gòu)方法[19]設(shè)P為設(shè)計師在汽車造型設(shè)計模糊前端的思維過程，則P為一個四元組：

式中：O為思維過程中涉及的客體對象；R為客體對象之間的關(guān)系；≤O為客體對象的層次結(jié)構(gòu)；函數(shù)φ：R→O+，即關(guān)系指向客體對象的映射，且有

式中：T為設(shè)計目標(biāo)；K為設(shè)計知識；C為設(shè)計約束。

定義2.由定義1，R為客體對象之間的映射關(guān)系，即部分對象轉(zhuǎn)向另外一部分對象的操作，以巴克斯范式表示為

R：：＝＜聯(lián)想＞＜分解＞＜?xì)w納＞＜演繹＞＜選例＞

＜抽象＞＜逆反＞＜生成＞(3)

分別進(jìn)行形式化描述如下：

2.2 口語報告方法

口語報告是認(rèn)知研究的重要方法，最早可以追溯到19世紀(jì)末德國心理學(xué)家Wundt提出的內(nèi)省法[20]，20世紀(jì)80年代美國學(xué)者Ericsson與Simon出版了《作為數(shù)據(jù)分析的口語報告方法》一書[21]，自此口語報告作為科學(xué)研究的一種基本方法開始受到廣泛認(rèn)可。依照不同依據(jù)可將口語報告分為若干種類，如表2所示。

表2 口語報告分類

口語報告法將工作記憶信息通過語言外顯化，及時高效地反映設(shè)計者的心聲，記錄和分析這些言語形成的口語記錄，從而探索設(shè)計者內(nèi)在的思維過程。目前該法已被國內(nèi)外學(xué)者運用到設(shè)計研究的相關(guān)領(lǐng)域，如：文獻(xiàn)[22]中運用口語報告法獲取創(chuàng)新設(shè)計中的設(shè)計信息，通過認(rèn)知試驗對有經(jīng)驗和無經(jīng)驗設(shè)計者的創(chuàng)新設(shè)計過程進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[23]中以兒童手機(jī)設(shè)計為例，利用口語報告法獲得了有助于產(chǎn)品形態(tài)創(chuàng)新的設(shè)計規(guī)律；文獻(xiàn)[24]中結(jié)合口語報告法，探討圖解思維的概念和特點，提出產(chǎn)品設(shè)計過程中兩種隱性知識表達(dá)模式；文獻(xiàn)[25]中通過口語報告開展造型設(shè)計認(rèn)知實驗，提出具有自上而下與自下而上設(shè)計信息加工過程的產(chǎn)品造型思維模型；文獻(xiàn)[26]中以美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)建筑系二年級設(shè)計題目為任務(wù)，研究了設(shè)計師思維過程；文獻(xiàn)[27]中基于“反思實踐”理論發(fā)展出新的工具和指導(dǎo)原則以提高團(tuán)隊設(shè)計效能，并以口語報告法進(jìn)行了驗證。

3 實例研究

在本文研究中，實驗過程需要滿足以下兩點：①受試者在完成測試內(nèi)容的同時報告出自己的所有心理活動，描述其思考過程而無需解釋原因；②受試者對測試任務(wù)的思維過程是直接的未經(jīng)任何加工的。基于以上兩點，本文中采用“同時性/自我啟示/有聲思維報告”的方法。

3.1 設(shè)計任務(wù)與被試者選取

(1)設(shè)計任務(wù)來自企業(yè)項目，在向被試者介紹實驗?zāi)康暮瓦^程后，要求根據(jù)任務(wù)書對造型設(shè)計模糊前端進(jìn)行口語報告，主持人除必要的提醒外，不對被試者的思維做任何干擾。實驗任務(wù)如表3所示。

表3 實驗任務(wù)

(2)被試者是清華大學(xué)車輛工程專業(yè)汽車造型方向的研究生及本科生，共4人，男性2人，女性2人；平均年齡22歲；其中有3年以上實際設(shè)計經(jīng)驗的2人，另外2人為新手設(shè)計者。實驗設(shè)備包括數(shù)碼錄像機(jī)/錄音機(jī)，實驗全過程錄音和錄像。

本文中采用小樣本進(jìn)行認(rèn)知實驗，文獻(xiàn)[22]中指出，口語報告本身是一種小樣本研究法，具有較高的生態(tài)效度，其結(jié)果是否有效主要取決于被試的選擇是否恰當(dāng)，而不是被試數(shù)量的多少。

3.2 編碼方案

實驗結(jié)束后，將錄音記錄轉(zhuǎn)成文字報告，然后將報告劃分成若干具有獨立完整內(nèi)容的段落。根據(jù)實驗內(nèi)容和目的不同，編碼方案也不相同。本文中側(cè)重于研究設(shè)計師在模糊設(shè)計前端的思維機(jī)制，分別采取兩種不同編碼方案，如表4和表5所示。

表4 基于思維過程的編碼方案

表5 基于思維活動的編碼方案

3.3 實驗結(jié)果分析

(1)基于思維過程編碼的結(jié)果分析

對被試者的口語報告進(jìn)行思維過程編碼并分析。限于篇幅，僅列出一位有經(jīng)驗的設(shè)計者和一位新手設(shè)計者的思維過程進(jìn)行分析，如圖3所示。

將被試者思維演進(jìn)過程劃分為3種形式：遞推、前跳和往復(fù)。4位設(shè)計者思維過程統(tǒng)計數(shù)據(jù)比較如表6和表7所示。

表6 解決問題策略次數(shù)統(tǒng)計

通過以上圖表對比可以發(fā)現(xiàn)：①有經(jīng)驗設(shè)計者的思維過程前跳和往復(fù)次數(shù)明顯多于新手設(shè)計者，呈現(xiàn)出網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而新手設(shè)計者則表現(xiàn)為線狀結(jié)構(gòu)；②有經(jīng)驗設(shè)計者的思維具有完整的全過程，即“發(fā)散→轉(zhuǎn)化→收斂”；而新手設(shè)計者的思維過程則偏重于發(fā)散階段，即“造型問題的分析(PA)與表征(SA)”方面，而在收斂階段即“造型概念生成(CG)與評價(CV)”缺失嚴(yán)重。

(2)基于思維活動編碼的結(jié)果分析

對被試者的口語報告進(jìn)行思維方式編碼并分析。限于篇幅，僅列舉另一位有經(jīng)驗設(shè)計者和另一位新手設(shè)計者的思維活動進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示。

圖中“○”代表思維的節(jié)點，“→”代表思維進(jìn)程。

4位設(shè)計者的思維活動類型統(tǒng)計數(shù)據(jù)比較如表8和表9所示。

表8 思維活動類型次數(shù)統(tǒng)計

表9 思維活動關(guān)系所占比例%

分析以上圖表可以發(fā)現(xiàn)：①有經(jīng)驗的設(shè)計者思維活動類型最多的是演繹(D)，其次是選例(E)，這表明他們在以往的設(shè)計工作中積累了豐富的案例經(jīng)驗，因此會在新的設(shè)計中通過演繹獲得新知識，而新手設(shè)計者使用選例較少，這表明案例經(jīng)驗仍然是設(shè)計活動的最重要的知識來源；②有經(jīng)驗者在分解(A)、歸納(I)和抽象(C)等邏輯性更強(qiáng)的思維活動類型上表現(xiàn)更為活躍，而新手設(shè)計者的這些活動相對偏弱，這說明思維的邏輯性在設(shè)計模糊前端過程中具有重要的意義；③有經(jīng)驗設(shè)計者與新手設(shè)計者共同點在于都普遍運用聯(lián)想(L)、演繹(D)、生成(G)、逆反(R)，相比之下新手在“演繹”和“生成”的思維活動比例更高。

結(jié)合以上圖表可以看出，不論有經(jīng)驗的還是新手設(shè)計者，最多的思維活動都是“串行遞進(jìn)”，其次，有經(jīng)驗的設(shè)計者“并行獨立”的思維活動較多，而新手設(shè)計者則以“交互耦合”的活動較多。

(3)思維過程與思維活動的關(guān)聯(lián)分析

為探索在設(shè)計模糊前端思維過程與思維活動的關(guān)系，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，結(jié)果如表10、表11和圖5所示。

表10 有經(jīng)驗設(shè)計者解決問題策略中的思維活動次數(shù)

通過對以上圖表的分析可以發(fā)現(xiàn)：①有經(jīng)驗者的思維活動次數(shù)在造型問題表征階段(PR)最多(33次)，其次是造型語義分析階段(SA)和造型概念生成階段(CG)，均為26次；②新手的思維活動次數(shù)在造型問題表征階段(PR)亦為最多(43次)，但在其它階段較少，特別在造型概念生成(CG)和評價(CV)階段的次數(shù)明顯少于有經(jīng)驗者；③在解決問題策略的思維活動比例方面，總體上有經(jīng)驗者在各階段的思維活動次數(shù)較為平均，而新手各階段分布較為不均。

4 結(jié)論

本文中面向汽車造型設(shè)計模糊前端，基于口語報告實驗方法對設(shè)計師的思維機(jī)制進(jìn)行了研究。對造型設(shè)計思維進(jìn)行了形式化描述，以此為基礎(chǔ)提出了基于思維過程與基于思維方式的兩種編碼方案，并對實驗結(jié)果進(jìn)行了分析，結(jié)論如下。

(1)在汽車造型設(shè)計模糊前端，應(yīng)強(qiáng)化新手設(shè)計師在思維收斂階段的訓(xùn)練，重點在于造型概念的生成與評價能力，并幫助其形成有效的網(wǎng)狀思維結(jié)構(gòu)。

(2)建立車型案例數(shù)據(jù)庫對提高設(shè)計績效作用顯著，應(yīng)擴(kuò)展設(shè)計師的信息來源，實現(xiàn)在汽車造型設(shè)計模糊前端的知識主動推送及有效重用。

(3)設(shè)計師應(yīng)注重思維的邏輯性，圍繞設(shè)計目標(biāo)展開更直接的思考，并且更多地運用“抽象”、“歸納”和“分解”等高級思維形式。

由于人類認(rèn)知過程復(fù)雜，設(shè)計模糊前端中尚有許多問題需要深入探討。另外，本文中的實驗是在理想環(huán)境下開展的設(shè)計任務(wù)，與真實場景存在一定差異性，因此設(shè)計思維機(jī)制的研究成果對真實的設(shè)計實踐的指導(dǎo)作用和效果還需要進(jìn)一步提升，這也是下一步研究工作的重點。

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A Research on Thinking Mechanism in Fuzzy Front End of Car Styling

Lu Zhaolin1，2，W ang Bo2＆Shi Qingyin2
1.Department of Industrial Design，Hefei University，Hefei 230601；2.Department of Automotive Engineering，Tsinghua University，State Key Laboratory ofAutomotive Safety and Energy，Beijing 100084

In order to enhance the effectiveness of fuzzy front end phase of styling in vehicle product development，the thinkingmechanism of designers in that phase is studied in this paper.Firstly，the concept and connotation of the fuzzy frontend of car styling are expounded，and a formalized description on thinking process is conducted by dividing it into three stages：divergence，transformation and convergence，and the types of thinking activities are defined.Then an experiment of verbal report is performed around a specific design task of“battery electric vehicles dedicated for urban young group born in 80s”，with two coding schemes based on thinking process and thinking activities are proposed respectively.Finally the experiment data of experienced designers and novice designers are comparatively analyzed，their differnces are summed up with some conclusions drawn，providing theoretical supports for the practice and education of car styling.

car styling；fuzzy front end；thinking mechanism；verbal report

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.05.005

?國家自然科學(xué)基金(51505251)、安徽省自然科學(xué)基金(1508085QG144)和安徽高校省級優(yōu)秀青年人才基金重點項目(2013SQRL078ZD)資助。

原稿收到日期為2016年12月1日，修改稿收到日期為2017年3月7日。

盧兆麟，副教授，博士，E-mail：luzhaolin9807＠gmail.com。