面向汽车造型设计模糊前端的思维机制研究∗

卢兆麟，王 波，石清吟

(1.合肥学院工业设计系，合肥 230601； 2.清华大学汽车工程系，汽车节能与安全国家重点实验室，北京 100084)

面向汽车造型设计模糊前端的思维机制研究∗

卢兆麟1，2，王 波2，石清吟2

(1.合肥学院工业设计系，合肥 230601； 2.清华大学汽车工程系，汽车节能与安全国家重点实验室，北京 100084)

为提高汽车产品开发中造型设计模糊前端阶段的有效性，本文中对该阶段中设计者思维机制进行研究。首先对汽车造型设计模糊前端的概念与内涵进行了阐述，将思维过程划分为发散、转化和收敛3个阶段；对其进行了形式化描述，并定义了思维活动的类型；接着围绕“针对80后都市群体的纯电动汽车”这一特定设计任务展开口语报告实验，并提出了基于思维过程和基于思维活动的两种编码方案；最后对有经验设计者和新手设计者的实验数据进行了对比分析，总结了两者的差异性，得出若干结论，为汽车造型设计的实践与教育提供理论支持。

汽车造型；设计模糊前端；思维机制；口语报告

前言

汽车作为“世界第一商品”，其造型对于塑造品牌形象、影响消费者情感认知具有重要的作用[1]，是决定产品命运的关键性因素。汽车造型设计作为汽车产品开发的最初步骤，属于多学科交叉的综合领域，目前国内外学者对于这一领域的研究主要侧重于设计方法与结果评价等方面，如：文献[2]中构建了消费者偏好与产品族外形基因之间的映射模型，并运用遗传算法实现偏好驱动的SUV产品族侧面轮廓线基因进化；文献[3]中使用灰色理论、人工神经网络和马尔科夫链的组合分析模型，提出了一种汽车造型进化趋势预测方法；文献[4]中将质量功能展开与合作博弈理论相结合，提出一种汽车产品顾客满意度和成本优化设计的方法；文献[5]和文献[6]中运用自然语言处理方法实现汽车造型风格的推导，并基于眼动跟踪和Fisher判别对汽车造型进行客观评价；文献[7]中提出了一种基于形状语法的汽车造型风格编码方法，并以别克汽车为例进行了验证；文献[8]～文献[10]中结合模糊集与神经网络方法，研究了汽车造型风格及意象表达问题；文献[11]中提出用多次显示的方法对汽车设计方案进行美学评价。

然而，设计是一个复杂的思维过程，国内外学术界对于“设计”所达成普遍共识一般包括：①一种创造性活动；②一种针对目标的问题求解过程；③一种改进现实的活动；④一种从现存事实到未来可能的转化；⑤一种决策活动。文献[12]中进一步将设计定义为“在一系列特定情境下为满足总体真实需求寻找合适解决方案的思维活动”，在这一活动中，设计的模糊前端(fuzzy front end，FFE)是极为重要的阶段，它既是创新设计的开端、产品创新的发动机，又是创新能否成功的关键[13]，当前的研究尚缺少对于这一过程之后潜藏的设计师思维机制的探索。

针对上述问题，本文中面向汽车造型，运用口语报告实验(verbal reports，VR)并结合数理统计分析，对设计过程模糊前端的设计师思维机制进行定量研究，总结出相应规律。

1 汽车造型设计模糊前端

1.1 新产品开发的模糊前端

“模糊前端”这一概念最早于1985年提出[14]，在20世纪90年代逐渐获得推广，近年来由于其在新产品开发过程中的重要性日益凸显，正在成为国内外研究热点。

现有研究将产品开发过程划分为两个阶段[15]：①模糊前端阶段，指的是新产品进行实质性开发前的阶段，包括产品创意的产生、评价和筛选、产品概念的开发与定义等，这一阶段具有模糊性、不确定性、非常规性和动态性的特点；②执行阶段，又分为开发阶段(new product development，NPD)与商业化阶段(commercialization，COM)，内容包括产品设计和开发、样品生产与检验以及规模生产、市场化等。

上述两阶段的对比如表1所示[16]。

文献[16]中通过案例研究发现，在模糊前端所产生的3 000多个产品想法，只有14个能进入开发阶段，最终仅有1个能成功商业化，因此模糊前端的执行效果实际上成为了产品开发成败的分水岭。因此，从产品开发的模糊前端入手，是提高产品开发绩效的关键。

表1 产品开发阶段对比

1.2 汽车造型设计的模糊前端

汽车产品的开发是一个高度组织化的过程，与多个主体密切相关，其中汽车造型设计不仅有设计师的参与，还涉及市场人员、工程技术人员和管理人员等。汽车造型设计的模糊前端又可进一步划分为项目前端与设计前端，如图1所示。

在项目前端，企业须进行新产品的机会识别，以保证其符合公司发展战略及顾客的需求。一旦产品机会被确定，则进行市场规模、性质、特点和现有竞争产品的分析，并确定现有技术能力能否在限定的时间内凭借一定资源将产品机会转化为新的产品。之后企业将制定产品计划，对产品的核心层、有形层与延伸层等进行较为详细的描述。

在设计前端，经历思维发散、思维转化和思维收敛3个阶段[17]，如图2所示。在第1阶段，设计师根据设计任务书对汽车造型问题进行分析，获取尽可能多的信息，同时以一定方式在头脑中表征，包括目标群体定位、产品功能和使用环境等；在第2阶段，设计师将主要设计信息转化为与造型概念相关的语义描述，例如将“80后年轻都市群体”转化为具体的“年轻化、时尚感”；在第3阶段，设计师对造型概念的语义、意象和主题等各种信息进行整合，建立起与造型元素之间的关系，例如以蓝色光带表明电动车特征，以侧身腰线彰显“力量感”等。

2 基于口语报告的造型设计思维机制研究

2.1 造型设计思维

设计研究包括3个根本问题[18]：①设计规则；②设计方法论；③设计思考过程。本文中将面向汽车造型设计模糊前端，为便于对设计师思维过程机制进行研究，引入如下定义。

定义1.根据本体建构方法[19]设P为设计师在汽车造型设计模糊前端的思维过程，则P为一个四元组：

式中：O为思维过程中涉及的客体对象；R为客体对象之间的关系；≤O为客体对象的层次结构；函数φ：R→O+，即关系指向客体对象的映射，且有

式中：T为设计目标；K为设计知识；C为设计约束。

定义2.由定义1，R为客体对象之间的映射关系，即部分对象转向另外一部分对象的操作，以巴克斯范式表示为

R：：＝＜联想＞＜分解＞＜归纳＞＜演绎＞＜选例＞

＜抽象＞＜逆反＞＜生成＞(3)

分别进行形式化描述如下：

2.2 口语报告方法

口语报告是认知研究的重要方法，最早可以追溯到19世纪末德国心理学家Wundt提出的内省法[20]，20世纪80年代美国学者Ericsson与Simon出版了《作为数据分析的口语报告方法》一书[21]，自此口语报告作为科学研究的一种基本方法开始受到广泛认可。依照不同依据可将口语报告分为若干种类，如表2所示。

表2 口语报告分类

口语报告法将工作记忆信息通过语言外显化，及时高效地反映设计者的心声，记录和分析这些言语形成的口语记录，从而探索设计者内在的思维过程。目前该法已被国内外学者运用到设计研究的相关领域，如：文献[22]中运用口语报告法获取创新设计中的设计信息，通过认知试验对有经验和无经验设计者的创新设计过程进行了研究；文献[23]中以儿童手机设计为例，利用口语报告法获得了有助于产品形态创新的设计规律；文献[24]中结合口语报告法，探讨图解思维的概念和特点，提出产品设计过程中两种隐性知识表达模式；文献[25]中通过口语报告开展造型设计认知实验，提出具有自上而下与自下而上设计信息加工过程的产品造型思维模型；文献[26]中以美国卡内基梅隆大学建筑系二年级设计题目为任务，研究了设计师思维过程；文献[27]中基于“反思实践”理论发展出新的工具和指导原则以提高团队设计效能，并以口语报告法进行了验证。

3 实例研究

在本文研究中，实验过程需要满足以下两点：①受试者在完成测试内容的同时报告出自己的所有心理活动，描述其思考过程而无需解释原因；②受试者对测试任务的思维过程是直接的未经任何加工的。基于以上两点，本文中采用“同时性/自我启示/有声思维报告”的方法。

3.1 设计任务与被试者选取

(1)设计任务来自企业项目，在向被试者介绍实验目的和过程后，要求根据任务书对造型设计模糊前端进行口语报告，主持人除必要的提醒外，不对被试者的思维做任何干扰。实验任务如表3所示。

表3 实验任务

(2)被试者是清华大学车辆工程专业汽车造型方向的研究生及本科生，共4人，男性2人，女性2人；平均年龄22岁；其中有3年以上实际设计经验的2人，另外2人为新手设计者。实验设备包括数码录像机/录音机，实验全过程录音和录像。

本文中采用小样本进行认知实验，文献[22]中指出，口语报告本身是一种小样本研究法，具有较高的生态效度，其结果是否有效主要取决于被试的选择是否恰当，而不是被试数量的多少。

3.2 编码方案

实验结束后，将录音记录转成文字报告，然后将报告划分成若干具有独立完整内容的段落。根据实验内容和目的不同，编码方案也不相同。本文中侧重于研究设计师在模糊设计前端的思维机制，分别采取两种不同编码方案，如表4和表5所示。

表4 基于思维过程的编码方案

表5 基于思维活动的编码方案

3.3 实验结果分析

(1)基于思维过程编码的结果分析

对被试者的口语报告进行思维过程编码并分析。限于篇幅，仅列出一位有经验的设计者和一位新手设计者的思维过程进行分析，如图3所示。

将被试者思维演进过程划分为3种形式：递推、前跳和往复。4位设计者思维过程统计数据比较如表6和表7所示。

表6 解决问题策略次数统计

通过以上图表对比可以发现：①有经验设计者的思维过程前跳和往复次数明显多于新手设计者，呈现出网状结构，而新手设计者则表现为线状结构；②有经验设计者的思维具有完整的全过程，即“发散→转化→收敛”；而新手设计者的思维过程则偏重于发散阶段，即“造型问题的分析(PA)与表征(SA)”方面，而在收敛阶段即“造型概念生成(CG)与评价(CV)”缺失严重。

(2)基于思维活动编码的结果分析

对被试者的口语报告进行思维方式编码并分析。限于篇幅，仅列举另一位有经验设计者和另一位新手设计者的思维活动进行分析，结果如图4所示。

图中“○”代表思维的节点，“→”代表思维进程。

4位设计者的思维活动类型统计数据比较如表8和表9所示。

表8 思维活动类型次数统计

表9 思维活动关系所占比例%

分析以上图表可以发现：①有经验的设计者思维活动类型最多的是演绎(D)，其次是选例(E)，这表明他们在以往的设计工作中积累了丰富的案例经验，因此会在新的设计中通过演绎获得新知识，而新手设计者使用选例较少，这表明案例经验仍然是设计活动的最重要的知识来源；②有经验者在分解(A)、归纳(I)和抽象(C)等逻辑性更强的思维活动类型上表现更为活跃，而新手设计者的这些活动相对偏弱，这说明思维的逻辑性在设计模糊前端过程中具有重要的意义；③有经验设计者与新手设计者共同点在于都普遍运用联想(L)、演绎(D)、生成(G)、逆反(R)，相比之下新手在“演绎”和“生成”的思维活动比例更高。

结合以上图表可以看出，不论有经验的还是新手设计者，最多的思维活动都是“串行递进”，其次，有经验的设计者“并行独立”的思维活动较多，而新手设计者则以“交互耦合”的活动较多。

(3)思维过程与思维活动的关联分析

为探索在设计模糊前端思维过程与思维活动的关系，进行数据统计，结果如表10、表11和图5所示。

表10 有经验设计者解决问题策略中的思维活动次数

通过对以上图表的分析可以发现：①有经验者的思维活动次数在造型问题表征阶段(PR)最多(33次)，其次是造型语义分析阶段(SA)和造型概念生成阶段(CG)，均为26次；②新手的思维活动次数在造型问题表征阶段(PR)亦为最多(43次)，但在其它阶段较少，特别在造型概念生成(CG)和评价(CV)阶段的次数明显少于有经验者；③在解决问题策略的思维活动比例方面，总体上有经验者在各阶段的思维活动次数较为平均，而新手各阶段分布较为不均。

4 结论

本文中面向汽车造型设计模糊前端，基于口语报告实验方法对设计师的思维机制进行了研究。对造型设计思维进行了形式化描述，以此为基础提出了基于思维过程与基于思维方式的两种编码方案，并对实验结果进行了分析，结论如下。

(1)在汽车造型设计模糊前端，应强化新手设计师在思维收敛阶段的训练，重点在于造型概念的生成与评价能力，并帮助其形成有效的网状思维结构。

(2)建立车型案例数据库对提高设计绩效作用显著，应扩展设计师的信息来源，实现在汽车造型设计模糊前端的知识主动推送及有效重用。

(3)设计师应注重思维的逻辑性，围绕设计目标展开更直接的思考，并且更多地运用“抽象”、“归纳”和“分解”等高级思维形式。

由于人类认知过程复杂，设计模糊前端中尚有许多问题需要深入探讨。另外，本文中的实验是在理想环境下开展的设计任务，与真实场景存在一定差异性，因此设计思维机制的研究成果对真实的设计实践的指导作用和效果还需要进一步提升，这也是下一步研究工作的重点。

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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

∗国家自然科学基金(51505251)、安徽省自然科学基金(1508085QG144)和安徽高校省级优秀青年人才基金重点项目(2013SQRL078ZD)资助。

原稿收到日期为2016年12月1日，修改稿收到日期为2017年3月7日。

卢兆麟，副教授，博士，E-mail：luzhaolin9807＠gmail.com。