關于產品創新設計理論及方法

王瑞琪+劉濤+李炳辰

摘 要：人類發展歷史以及科學技術進步歷程表明，每一次重大跨越和重要發現都與思維創新、方法創新、工具創新密切相關。離開了“創新”，人類社會不可能向前邁進，科學技術也不可能有實質性的進步。在當代社會，科學技術是第一生產力，而創新又是科學技術的龍頭。20世紀初，全球社會生產力的發展中只有5%是依靠技術創新取得的。而到現在，發達國家的這個比例為70%至80%。21世紀是創新時代，著重點將從“重復”轉向“創造和創新”。國際上，創新型國家高度重視對創新方法的研究，推廣創新方法的普遍做法是將科技創新提升至國家戰略層面，超前部署創新方法研究和推廣工作，加大科技投入，出臺優惠政策，設立專項資金，鼓勵自主研發，并在部分高校和科研單位成立專門的研究機構，發揮科研機構的自主作用，培育創新型人才。

關鍵詞：創新；體制鼓勵；科學方法；設計模型；創新資源；創新輔助系統；創新設計策略

1 創新及創新設計概論

創新的起源可以追溯到1912年美籍經濟學家熊彼特的《經濟發展概論》，書中指出：創新是把一種新的生產要素和生產條件的“新結合”引入生產體系。包括5種情況：引入一種新產品，引入一種新的生產方法，開辟一個新的市場，獲得原材料或半成品的一種新的供應來源，建立新的企業組織形式。熊彼特的創新概念包含的范圍很廣，涉及到技術性變化的創新以及非技術的組織性創新。

融合認知心理學的產品創新設計。設計是人類征服自然改造世界的基本活動之一，是人類為滿足一定需求而進行的一種創造性活動的實踐過程。人類文明的歷史就是不斷進行設計活動的歷史。產品是設計結果的物質表現。產品設計是人類創造有使用價值的創新產品的實踐過程，最終表現結果就是產品模型，其過程本質在于創造與革新。概念設計是設計過程中最具創新性的階層，而設計者本身的作用也非常重要，因此有必要構建更符合人類思維模式的創新方法，或將現有的各類創新設計方法融入概念設計過程中，充分體現概念設計階段的創造性，支持概念創新的實現。而可使用的技術有以下：

1.會聚技術：NBIC（Nano-Bio-Info-Cogno）會聚技術是國際上近幾年提出的新概念，是指幾個領域的科學的融合。而其結果所產生的巨大能量是不可估量的。任何技術的兩兩融合、三種會聚或者四者合成，都將產生難以想象的效能。美國將會聚技術認可為推動美國經濟長期繁榮和增長的關鍵。會聚技術發起者達成了這樣一個共識：最重要的是通過納米科技、生物技術、信息技術、認知科學的融合發展，推翻學科之間的壁壘，使這四種技術能發出最大的潛力，所以這個技術有著許多的發展領域和巨大的發展潛力。

2.信息技術：信息是人類認識世界和改造世界的知識源泉。對人類來說，不能有效地利用信息，就不會有人類文明的演化，社會的進步和科學的發展，就不能駕馭大自然。信息技術是指在信息的產生、獲取、儲存、傳遞、處理、顯示、使用等方面能夠擴展人的信息器官的技術。它隨著人類對外部世界的認識能力的不斷提高和而逐漸由低至高發展。

3.認知科學：認知科學的產生，受到了計算機科學、語言學、神經科學等學科的影響，是關于人類心智的多學科、跨學科的合作性研究，由心理學、計算機科學、語言學、人類學、神經科學和哲學6個領域的學科組成。認知科學探索人類智力如何由物質產生，是研究人類感知和思維信息處理過程的科學，如感知、語言、學習、記憶、思維、意識，研究領域包括從感覺的輸入到復雜問題的求解。這個領域是一種全新的學科，引起了全世界科學家的關注。

（二）、產品創新設計的創新設計的創造力模型：心理學領域對于創造力的定義較為一致的看法是：根據一定的目的和任務，運用一切已知的信息，開展能動的思維活動，產生某種新穎的、獨特的、具有社會價值的或個人價值的產品的智力品質。這里的產品是指以某種形式存在的思維成果，既可以是一種新概念、新設想、新理論，也可以是指以某種形式存在的思維成果。

融合會聚技術思想，以產品創新設計的創造力模型為理論基礎，構建產品創新設計理論框架。產品創新設計過程是借助一定的設計規則和創新策略，對某種需求功能創造性設計方案的實現過程。該過程包括認知過程信息加工、創造思維方法、問題求解步驟、創新設計過程模型等內容。根據設計問題的角度的不同，采用不同的創新策略，利用不同的創新工具和創新方法，結合各種知識信息，最終得出創新概念方案。

2 產品創新設計的認知機理

人是設計的主體，研究產品創新設計的本質規律需要從設計者的角度探索設計固有的認知規律，即認知機理。本部分主要討論了產品創新設計的認知機理，是關于創新設計內在屬性的基本研究，是構建科學、系統的設計理論，產生符合設計規律的設計方法的認知基礎。本部分主要介紹產品創新設計認知的規律、模型及研究方法。

（一）、產品創新設計認知機理的科學基礎：現代認知心理學的主流是以信息加工觀點研究認知過程，即把人看做一個積極的知識獲得者和信息加工者。可以說，認知就是信息加工。人腦是一個信息加工系統，可以對表征信息的物理符號進行輸入、編碼、儲存、提取、復制和傳遞，而這一過程的完成是系列性的，不同的加工任務和加工階段由不同的認知結構來完成，這些相對獨立的認知結構類似于計算機，即可以使用若干操作來處理符號。

記憶是指存儲、提取過去的經驗，并將這些信息用于當前的情景，是一種動態的機制。問題解決過程可視為一種信息加工過程，問題解的產生是人腦中各種信息之間相互碰撞而產生的，其關鍵是信息的刺激、存儲、存儲提取等。按照信息加工的觀點，記憶是信息的輸入、編碼、儲存等的過程，能更全面地體現信息加工系統的工作流程。

（二）、產品創新設計的認知機理及過程模型：通過研究產品創新設計創意方案生成的認知思維過程，探索產品創意方案生成的內在機理，構建全面、系統的符合認知機理規律的模型過程，進而實現設計者認知與產品設計過程的有機結合，幫助設計者有效地完成產品創新設計過程。

3 產品概念設計過程模型

設計是一種創造性的活動，其目的是為了物品、過程、服務及其在整個生命周期中構成的系統建立起多方面。創新設計過程的本質是融入了創新要素的概念設計過程。因此，創新設計過程的研究實際是對概念設計過程的研究。該研究具有創新性、多樣性和層次性的特點，通過實現用戶的某種需求與使用特性來實現其價值。

（一）、產品概念設計的定義及特征：在確定任務之后，通過抽象化，擬定功能結構，尋求適當的作用原理及其組合等，確定出基本求解途徑，得出求解方案，這一部分設計工作叫做概念設計，即是考慮設計問題的內容，并以方案的形式提出眾多的解的設計階段，一般認為，概念設計是指以設計要求為輸入，以較優方案為輸出的系統所包含的創新性思維工作流程。概念設計包括兩個基本過程：方案綜合設計過程與方案優化評價過程。

（二）、支持產品多級創新的概念設計過程模型：概念設計的目的是實現產品的功能需求，而功能設計的核心是創新。因此，如何有效地支持產品創新設計就成為概念設計模型所優先考慮的事情。功能設計模型經歷了公理化設計、系統化設計、行為輔助模型、環境約束模型和拓展環境約束模型五個階段。

產品概念設計過程模型是根據一定的設計理念，借助某種設計策略，基于普遍的設計過程對產品設計的一般過程進行規范，為設計過程提供設計思路，從而使整個設計過程在有序合理的過程中展開。在以“產品為中心”設計思路的指導下，設計人員提出了不少產品概念設計過程模型。傳統的概念設計過程的一般步驟為：首先通過市場分析確認需求，再通過概念設計將總的需求目標轉化為功能上的層次結構關系，并得到滿足功能要求的求解方案。

4 產品創新設計策略

創新設計就是設定一個特定的目標，然后找到達到該目標的合適路徑。設計問題是多種多樣的，根據設計問題類型的不同，需要采用不同的求解和創新策略以及相應的設計方法。設計問題分類及形成創新求解策略決定著產品創新效率，是創新活動中的關鍵環節。正確的設計策略可以加速問題的解決，而不完善的設計策略則會限制創造性思維的發揮，阻礙問題的解決。

（一）、面向問題的產品創新設計策略：面向問題的創新目標是提高現有產品或系統的性能，解決現有產品或系統中影響主要問題，朝著理想化的目標前進。在這類設計中，所要設計的產品是已經存在的，但由于產品中存在問題缺陷或者存在改進的空間，因此需要將產品的性能進一步提升或將成本進一步降低。因為這類設計問題針對的是某種具體的技術問題，所以采用的策略是解決最小化問題，解決系統中的沖突，對系統進行改造。

（二）、面向目的的產品創新設計策略：面向目的的產品創新目標是設計一個全新產品或系統，可能現有產品或系統的主要功能改進已經達到了極限，因此不局限于現有產品或系統的問題，而是跳出現有系統，思考設計最終目的的是什么。是否有其他方法可以更好的達到此目的，采用的策略是解決最大化的問題和對系統的工作原理進行改變。

總之，為了實現每個人的人生目的和國家的發展目標，必須把創新放置在最重要的位置。長期以來，我國科技活動仍未擺脫跟蹤模仿的局面，自主創新結果比較少，高精尖裝備儀器嚴重依賴進口。造成這種局面的關鍵因素是：對科技創新工作的重視相對不夠，科學思維培育相對落后，科學技術沒有獲得創新方法的有效支持。所以我們必須重視科技的創新技法與創新設計。

參考文獻

[1]蔡文，楊春燕，何斌.可拓邏輯初步[M].北京：科學出版社，2003.

[2]胡小平，鮑新開，王姣.面向船舶協同設計的知識管理技術研究[J].機電工程，2008，25（2）：35—37

[3]袁峰，王太勇，聶惠娟.基于創新設計理論/功能分析的機械產品功能原理創新設計[J].計算機集成制造系統，2006，12（2）：501—506

王瑞琪 劉濤 李炳辰

摘 要：人類發展歷史以及科學技術進步歷程表明，每一次重大跨越和重要發現都與思維創新、方法創新、工具創新密切相關。離開了“創新”，人類社會不可能向前邁進，科學技術也不可能有實質性的進步。在當代社會，科學技術是第一生產力，而創新又是科學技術的龍頭。20世紀初，全球社會生產力的發展中只有5%是依靠技術創新取得的。而到現在，發達國家的這個比例為70%至80%。21世紀是創新時代，著重點將從“重復”轉向“創造和創新”。國際上，創新型國家高度重視對創新方法的研究，推廣創新方法的普遍做法是將科技創新提升至國家戰略層面，超前部署創新方法研究和推廣工作，加大科技投入，出臺優惠政策，設立專項資金，鼓勵自主研發，并在部分高校和科研單位成立專門的研究機構，發揮科研機構的自主作用，培育創新型人才。

關鍵詞：創新；體制鼓勵；科學方法；設計模型；創新資源；創新輔助系統；創新設計策略

1 創新及創新設計概論

創新的起源可以追溯到1912年美籍經濟學家熊彼特的《經濟發展概論》，書中指出：創新是把一種新的生產要素和生產條件的“新結合”引入生產體系。包括5種情況：引入一種新產品，引入一種新的生產方法，開辟一個新的市場，獲得原材料或半成品的一種新的供應來源，建立新的企業組織形式。熊彼特的創新概念包含的范圍很廣，涉及到技術性變化的創新以及非技術的組織性創新。

融合認知心理學的產品創新設計。設計是人類征服自然改造世界的基本活動之一，是人類為滿足一定需求而進行的一種創造性活動的實踐過程。人類文明的歷史就是不斷進行設計活動的歷史。產品是設計結果的物質表現。產品設計是人類創造有使用價值的創新產品的實踐過程，最終表現結果就是產品模型，其過程本質在于創造與革新。概念設計是設計過程中最具創新性的階層，而設計者本身的作用也非常重要，因此有必要構建更符合人類思維模式的創新方法，或將現有的各類創新設計方法融入概念設計過程中，充分體現概念設計階段的創造性，支持概念創新的實現。而可使用的技術有以下：

1.會聚技術：NBIC（Nano-Bio-Info-Cogno）會聚技術是國際上近幾年提出的新概念，是指幾個領域的科學的融合。而其結果所產生的巨大能量是不可估量的。任何技術的兩兩融合、三種會聚或者四者合成，都將產生難以想象的效能。美國將會聚技術認可為推動美國經濟長期繁榮和增長的關鍵。會聚技術發起者達成了這樣一個共識：最重要的是通過納米科技、生物技術、信息技術、認知科學的融合發展，推翻學科之間的壁壘，使這四種技術能發出最大的潛力，所以這個技術有著許多的發展領域和巨大的發展潛力。

2.信息技術：信息是人類認識世界和改造世界的知識源泉。對人類來說，不能有效地利用信息，就不會有人類文明的演化，社會的進步和科學的發展，就不能駕馭大自然。信息技術是指在信息的產生、獲取、儲存、傳遞、處理、顯示、使用等方面能夠擴展人的信息器官的技術。它隨著人類對外部世界的認識能力的不斷提高和而逐漸由低至高發展。

3.認知科學：認知科學的產生，受到了計算機科學、語言學、神經科學等學科的影響，是關于人類心智的多學科、跨學科的合作性研究，由心理學、計算機科學、語言學、人類學、神經科學和哲學6個領域的學科組成。認知科學探索人類智力如何由物質產生，是研究人類感知和思維信息處理過程的科學，如感知、語言、學習、記憶、思維、意識，研究領域包括從感覺的輸入到復雜問題的求解。這個領域是一種全新的學科，引起了全世界科學家的關注。

（二）、產品創新設計的創新設計的創造力模型：心理學領域對于創造力的定義較為一致的看法是：根據一定的目的和任務，運用一切已知的信息，開展能動的思維活動，產生某種新穎的、獨特的、具有社會價值的或個人價值的產品的智力品質。這里的產品是指以某種形式存在的思維成果，既可以是一種新概念、新設想、新理論，也可以是指以某種形式存在的思維成果。

融合會聚技術思想，以產品創新設計的創造力模型為理論基礎，構建產品創新設計理論框架。產品創新設計過程是借助一定的設計規則和創新策略，對某種需求功能創造性設計方案的實現過程。該過程包括認知過程信息加工、創造思維方法、問題求解步驟、創新設計過程模型等內容。根據設計問題的角度的不同，采用不同的創新策略，利用不同的創新工具和創新方法，結合各種知識信息，最終得出創新概念方案。

2 產品創新設計的認知機理

人是設計的主體，研究產品創新設計的本質規律需要從設計者的角度探索設計固有的認知規律，即認知機理。本部分主要討論了產品創新設計的認知機理，是關于創新設計內在屬性的基本研究，是構建科學、系統的設計理論，產生符合設計規律的設計方法的認知基礎。本部分主要介紹產品創新設計認知的規律、模型及研究方法。

（一）、產品創新設計認知機理的科學基礎：現代認知心理學的主流是以信息加工觀點研究認知過程，即把人看做一個積極的知識獲得者和信息加工者。可以說，認知就是信息加工。人腦是一個信息加工系統，可以對表征信息的物理符號進行輸入、編碼、儲存、提取、復制和傳遞，而這一過程的完成是系列性的，不同的加工任務和加工階段由不同的認知結構來完成，這些相對獨立的認知結構類似于計算機，即可以使用若干操作來處理符號。

記憶是指存儲、提取過去的經驗，并將這些信息用于當前的情景，是一種動態的機制。問題解決過程可視為一種信息加工過程，問題解的產生是人腦中各種信息之間相互碰撞而產生的，其關鍵是信息的刺激、存儲、存儲提取等。按照信息加工的觀點，記憶是信息的輸入、編碼、儲存等的過程，能更全面地體現信息加工系統的工作流程。

（二）、產品創新設計的認知機理及過程模型：通過研究產品創新設計創意方案生成的認知思維過程，探索產品創意方案生成的內在機理，構建全面、系統的符合認知機理規律的模型過程，進而實現設計者認知與產品設計過程的有機結合，幫助設計者有效地完成產品創新設計過程。

3 產品概念設計過程模型

設計是一種創造性的活動，其目的是為了物品、過程、服務及其在整個生命周期中構成的系統建立起多方面。創新設計過程的本質是融入了創新要素的概念設計過程。因此，創新設計過程的研究實際是對概念設計過程的研究。該研究具有創新性、多樣性和層次性的特點，通過實現用戶的某種需求與使用特性來實現其價值。

（一）、產品概念設計的定義及特征：在確定任務之后，通過抽象化，擬定功能結構，尋求適當的作用原理及其組合等，確定出基本求解途徑，得出求解方案，這一部分設計工作叫做概念設計，即是考慮設計問題的內容，并以方案的形式提出眾多的解的設計階段，一般認為，概念設計是指以設計要求為輸入，以較優方案為輸出的系統所包含的創新性思維工作流程。概念設計包括兩個基本過程：方案綜合設計過程與方案優化評價過程。

（二）、支持產品多級創新的概念設計過程模型：概念設計的目的是實現產品的功能需求，而功能設計的核心是創新。因此，如何有效地支持產品創新設計就成為概念設計模型所優先考慮的事情。功能設計模型經歷了公理化設計、系統化設計、行為輔助模型、環境約束模型和拓展環境約束模型五個階段。

產品概念設計過程模型是根據一定的設計理念，借助某種設計策略，基于普遍的設計過程對產品設計的一般過程進行規范，為設計過程提供設計思路，從而使整個設計過程在有序合理的過程中展開。在以“產品為中心”設計思路的指導下，設計人員提出了不少產品概念設計過程模型。傳統的概念設計過程的一般步驟為：首先通過市場分析確認需求，再通過概念設計將總的需求目標轉化為功能上的層次結構關系，并得到滿足功能要求的求解方案。

4 產品創新設計策略

創新設計就是設定一個特定的目標，然后找到達到該目標的合適路徑。設計問題是多種多樣的，根據設計問題類型的不同，需要采用不同的求解和創新策略以及相應的設計方法。設計問題分類及形成創新求解策略決定著產品創新效率，是創新活動中的關鍵環節。正確的設計策略可以加速問題的解決，而不完善的設計策略則會限制創造性思維的發揮，阻礙問題的解決。

（一）、面向問題的產品創新設計策略：面向問題的創新目標是提高現有產品或系統的性能，解決現有產品或系統中影響主要問題，朝著理想化的目標前進。在這類設計中，所要設計的產品是已經存在的，但由于產品中存在問題缺陷或者存在改進的空間，因此需要將產品的性能進一步提升或將成本進一步降低。因為這類設計問題針對的是某種具體的技術問題，所以采用的策略是解決最小化問題，解決系統中的沖突，對系統進行改造。

（二）、面向目的的產品創新設計策略：面向目的的產品創新目標是設計一個全新產品或系統，可能現有產品或系統的主要功能改進已經達到了極限，因此不局限于現有產品或系統的問題，而是跳出現有系統，思考設計最終目的的是什么。是否有其他方法可以更好的達到此目的，采用的策略是解決最大化的問題和對系統的工作原理進行改變。

總之，為了實現每個人的人生目的和國家的發展目標，必須把創新放置在最重要的位置。長期以來，我國科技活動仍未擺脫跟蹤模仿的局面，自主創新結果比較少，高精尖裝備儀器嚴重依賴進口。造成這種局面的關鍵因素是：對科技創新工作的重視相對不夠，科學思維培育相對落后，科學技術沒有獲得創新方法的有效支持。所以我們必須重視科技的創新技法與創新設計。

參考文獻

[1]蔡文，楊春燕，何斌.可拓邏輯初步[M].北京：科學出版社，2003.

[2]胡小平，鮑新開，王姣.面向船舶協同設計的知識管理技術研究[J].機電工程，2008，25（2）：35—37

[3]袁峰，王太勇，聶惠娟.基于創新設計理論/功能分析的機械產品功能原理創新設計[J].計算機集成制造系統，2006，12（2）：501—506