掌握有效的创新思维、方法和工具是提升产品设计人员自主创新能力的重要基础。本书结合目前国内外相关产品创新设计的研究成果,以及作者近年来在产品创新设计研究、教学和实践中的经验,较为系统地介绍了产品创新设计的过程与关键技术。主要包括:创造性思维方法及应用、产品创新设计的实施策略、计算机辅助创新设计工具与创新设计知识管理等内容。
本书可供高等院校工科专业的师生,以及相关领域科研院所的研究人员、企业的技术开发人员与管理人员等参阅。

第1 章 绪论

1.1 21 世纪是创新的世纪

20 世纪是知识经济的时代。美国**自然基金会(National Science Foundation ,NSF)在《提升人类技能的会聚技术》报告中指出,21 世纪是创新时代(innovation age) ,着**将从“重复” (repetitive)转向“创造和创新” (creative ,innovation-based activities)。

美国《经济周刊》提出,21 世纪是从知识经济时代转向创新经济时代的世纪,谁在知识和科技创新方面占据优势,谁就能够在发展上掌握主动。另外,国际上目前对创新的研究也非常重视,如NSF 在2006 年8 月组织了创新和发明的研讨会,在会议总结报告《个人和团队创新和发明的科学基础》中指出,创新能力是未来发展的关键因素,社会心理学、认知科学及工程研究进行学科间的协同和融和,是研究创新和发明的方向。

我国虽然对创新方法的研究和推广起步较晚,但**政府部门对此非常重视。2008年4 月28 日,**科技部、**发展和改革委员会(以下简称**发改委)、**教育部和中国科学技术协会联合发布了《关于加强创新方法工作的若干意见》,强调“自主创新,方法先行” ,创新方法是自主创新的根本。2009 年5 月9 日,温家宝总理在福建星网锐捷通讯有限公司调研时说,“创新赢得实力,创新赢得领先,创新赢得发展,创新赢得尊严。一个**和民族,必须有自己的创新产品、自己的知识产权和高度的创新能力、文化素养,才能赢得全世界的尊重” 。2010 年6 月7 日,胡锦涛总书记在两院大会上明确指出,“把增强自主创新能力作为战略基点,着力提升原始创新能力,大力增强集成创新和引进消化吸收再创新能力,提升知识、技术转移转化和规模产业化能力,形成更多具有自主知识产权的创新技术,构建完整的创新体系,牢牢把握发展主动权” 。2010 年12 月9 日,科技部部长万钢在2010 创新方法高层论坛上指出,创新方法工作是一项基础性、战略性、长期性、开创性工作,要把创新方法工作作为全国“十二五”科技工作的重要抓手,为科技创新提供方法支撑。创新是一个民族进步的灵魂,是**兴旺发达的不竭动力,企业产品创新是企业得以生存和持续发展的内在动力。

1.2 我国技术创新现状

目前我国是制造大国,却不是制造强国,虽然拥有世界上*多的人力资源,但所采用的设计方案、制造方案和制造工具等大多来源于国外。企业获得的大量利润都要支付高额的设备费、专利费和技术服务费。据统计,近几年我国设备投资的2/3 依赖进口,其中光纤制造设备的**** ,集成电路芯片制造设备的85% ,石油化工设备的80% ,轿车工业设备、数控机床、纺织机械、胶印设备的70% 都来自于进口。造成这种现象的原因是我国企业缺乏创新意识和创新能力,企业科技人员创新意识和创新能力差的问题没有从根本上得到解决,而且大部分企业根本没有现代化创新方法、创新手段和创新工具,技术创新已成为制约我国经济发展的突出问题。

据联合国世界知识产权组织公布的数据,2010 年国际专利申请中,来自中国的12337件国际专利申请只占全世界专利申请总量的7.6% ,远远低于拥有44855 件的美国(27.5% ) 、32156 件的日本(19.7% )和17171 件的德国(10.5% )。此外,如果将国内与国际专利申请一起看,我国与工业化**的差距更加明显。2010 年,我国国内的专利申请量为81.5 万件,与国际申请的比例是1 ∶ 66 ;而美国在2005 年时这一比例仅为1 ∶ 5 。根据世界经济论坛公布的包含139 个**的《全球竞争力报告2010 - 2011》,我国在综合竞争力指标上排第27 位,在高等教育和培训指标上排第60 位,在技术敏捷性指标上排第78 位。根据“核心竞争国”(指每100 万人口获得美国专利与商标局的发明专利授权在15个以上的**或经济体)标准,我国仅以0.15 列第62 位,不仅低于发达**,而且排在巴西和印度等发展中**之后。

宏集团创办人施振荣先生提出了**的“产业微笑曲线” (smiling curve)理论,如图1-1 所示。微笑曲线的中间是生产制造环节,左边是研发、咨询环节,右边是售后服务环节。从微笑曲线的变化规律不难看出:在产业链中,产品的附加值更多体现在两端――研发和服务,处于中间环节的生产制造的产品附加值*低。因此,产业未来应朝微笑曲线的两端发展,也就是在左边加强研发创造智慧财产,在右边加强客户导向的营销与服务。

通过对不同时期的产业微笑曲线变化进行分析不难看出,随着全球进入21 世纪,微笑曲线变得更加陡峭,产品的附加值进一步向两端倾斜,而生产制造阶段的产品附加值变得更少。而从资源消耗和对环境污染的角度看,微笑曲线却又正好相反:在产业微笑曲线两端,资源消耗和对环境的污染日趋减少,而更多的资源消耗和环境污染都来源于生产制造阶段。因此,提升我国产业微笑曲线的等级和层次,在产品开发全生命周期实施创新设计战略,建立健全产品服务平台是必由之路。

1.3 创新是每个人的能力

创造性是每个人所普遍具有的潜能。人文主义心理学家马斯洛指出,“它极可能是一种每一个人都有的遗传素质。它是一种共同的和普遍的东西。在所有健康儿童中肯定都会发现它的存在” 。但是,作为一种潜在的可能,在现实的人身上“它确实会丧失,或被掩盖,或被歪曲,或被**,或受到任何可能的阻碍” 。

研究表明,在个体智商(IQ)达到一般水平后,智力对创造力的影响就很小。因此,当个体具备设计人员的基本能力时,智力和创造力之间就没有关系了。*新的研究也表明,东亚地区的人的平均IQ 测试值高于美国和亚洲其他地区的白种人,但是很明显,东亚地区的人并不具有更好的创造性。是什么原因造成这种局面呢?惯性思维定势和缺乏有效的创新方法是其中的重要原因。

2003 年,美国工业设计师协会金奖授予了“荷兰男孩”旋转倾倒系统,如图1-2 所示,表彰他一百多年来**次对金属油漆桶进行了有效改造,改变了大家对油漆桶使用的思维定势。“荷兰男孩”油漆桶与原油漆桶相比很容易倾倒、关闭和循环利用,其改变仅仅是开了一个导流口以便在倾倒时不再把桶弄脏,同时做了一个螺丝口的盖子,再附上一个简单的把手。

又如,一种药片破损形状检查装置的改进问题,如图1-3 所示,其目的是将有破损的药片剔除出去。传统设计人员多会从检测系统本身出发进行考虑和改进,如增加员工岗位进行手工检测,或者通过开发一套检测剔除系统等。这些方法虽然也能有效解决这个问题,但显然不是好的方案。有个设计人员从药片自身的属性出发进行思考,通过将水平推出的药片竖立推出,利用完整药片和破损药片滚动速度不同导致的动能属性不同,将传送带稍微向后撤离合适距离,则完整的药片将顺利落在传送带上,而破损的药片将因动能不足而落入回收桶中。该方法相比传统的解决方案,不仅节省了人力,而且不需引入复杂的设备系统。创造性思维和科学的创新方法往往可以使问题解决得到事半功倍的效果。

以上两个事例的创新过程都不难,但却需要创造性的思维方法。钱学森曾对思维科学作出过界定:“思维科学就只有三部分:逻辑思维,微观法;形象思维,宏观法;创造思维,微观与宏观的结合。创造思维才是智慧的源泉;逻辑思维与形象思维都是手段。”创新具有科技特征、艺术特征和经济性质,因此仅仅利用逻辑思维的方法,或利用现有的经验和知识对创新来说是不利的。本书将面向产品创新设计过程,从创造性思维的产生、各类创新方法的分类与应用、发明问题解决理论、创新工具的开发与实现、创新设计资源的组织与管理、创新过程的质量控制等多个方面对科学思维、科学方法、科学工具和工程创新过程进行系统化阐述。

1.4 小结

创新具有多个侧面,有的是因为它提高了工作效率或者巩固了企业的竞争地位,有的是因为它改善了人们的生活质量。创新不一定是出现全新的东西,旧的东西以新的形式出现或者与新的方式结合也是创新。总之,创新是解决新问题、进行新组合、发现新思想和发展新理论的过程。另外,创新也是可以通过学习实现的,每个人都有巨大的创新潜力,通过本书系统的讲解和训练,可以挖掘和提高人的创新能力,每个人都可以学会创新技能。

第2 章 产品设计

2.1 概述

在全球化的环境下,企业之间的竞争日益加剧,在产品开发中任何一个环节稍有落后,都可能被竞争者超越,甚至被淘汰出局。企业如何才能以“更低的成本、更短的时间、更高的质量”进行产品开发呢?这正是我们对产品设计进行研究的目的所在。

对于从事产品开发的主体――设计师而言,为避免产品缺陷,就必须了解并使用现代产品实际开发的许多具体手段。同时,设计师还要了解新技术对市场竞争和产品发展趋势的影响,设计出具有良好功能、高质量的产品。这些目标以及相关的方法已经成为设计师确保公司产品在市场上占据领先地位的有力竞争武器。本章将从产品设计概念、原则、类型等方面针对产品设计本身进行论述,使读者对整个产品设计过程及其实现有一个系统性的认识。

2.2 设计与产品设计

2.2.1 什么是设计

设计(design)一词源于拉丁语,由动词“designare”演变而来,其原意为“determine”(决定)。它与技术、工程等的含义不同,设计包含创造、计划和美学意义上的探索,属于人类创造性活动的基本范畴。

设计作为一种活动,从历史上看,可以说和人类的历史一样古老。为了生存,人类不断地对自然进行改造,因此早在石器时代人类就已经开始了设计活动。数千年来,人类创造了辉煌灿烂的文化,无论是上古时代的石刀、石斧等工具,还是当今征服自然的人造卫星、宇宙飞船;从人类幼稚的设计动机,到有计划、有步骤地开发宇宙奥秘的宏图大略;由古代到现代,由低级到**,由简单到复杂,由狭窄到广阔,设计始终贯穿其中。也就是说,人类在认识世界、改造世界的过程中,无论是物质财富的创造,还是精神财富的创造,都离不开设计。因此,人们生存与生活的世界,应该是自然世界与人造世界的共同体。正如美国**管理学家,1978 年诺贝尔经济学奖获得者西蒙所说:“我们生活着的这个世界,是由大自然‘设计’的事物和人类设计的事物共同组成,是一个复杂的混合体。”人类自存在以来,就一直生活在这样一个“混合体”里。这个“混合体”也在不断地发生变化,即由于设计领域的不断拓宽,人造世界的成分越来越多,也就使当代人几乎生活在一个人造的世界里。

设计是人类在有限的时空范围内,在特定的物质条件下,为了满足一定的需求而进行的一种有意识、有目的的创造性思维实践活动。在这一活动中,体现了人的聪明、智慧、才能和创造精神,以及追求新生活的理想、情感和愿望。

设计是一个决策过程。美国工程与技术认证委员会(Accreditation Board for Engi-neering and Technology ,ABET)在其教学大纲中就将设计正式定义为:为满足目标需求而创造某种系统、部件或方法的过程。它是通过把可确定的设计任务书转化为技术系统的具体表述,以寻找使所有相互矛盾因素和关系在一个多维化状态下协调起来的方法,并在有限的时空范围内,在特定的物质条件下,为满足一定的需求而进行的一种创新思维活动的实践过程。

广义的设计可看做一种文化活动,它已突破了物质生产领域而成为社会文化的一个重要组成部分。它不仅指一般意义上的工程技术与产品开发设计,更可以理解为人类自觉把握、遵循客观规律,并根据人类社会的需要以及社会结构、机制发展的趋势,依照一定的目的,做出有益于人类生产与生活的设想、规划,并付诸实施的综合性的创造性实践活动。这一范畴不仅包含任何社会硬件与软件的设计,如设计一个组织机构、一项城市交通规划、一个社会教育体制或一个生态平衡模式等;而且也包括物质方面的设计,如一系列生活资料、生产工具的设计等,涉及自然科学和社会科学等更宽泛的领域。因此,从*为广泛的意义上来说,人类所有生物性和社会性的原创活动都可以被称为设计。

狭义的设计可以理解为根据人类生产与生活的需要,适当地运用一定的材料和技术,从人的生理、心理特征出发,依照一定的预想目的做出的从设想、规划、制作到生产出成果的创造性实践活动,并使自然物从内容到形式发生变化而成为人工制品的行为。

设计定义的内涵和外延随着经济与社会进步都在不断地发展、变化。总地来说,设计是一种创意文化,要有自己的特色,要设计出标新立异、鹤立鸡群的产品,从而不仅为企业直接创造财富,而且为世界创造文明。

2.2.2 什么是产品设计

产品指为满足人们需求而设计生产的具有一定用途的物质产品和非物质形态的服务的总和。通常包含实体产品、形式产品和延伸产品三个方面。

(1) 实体产品是产品的核心,指能提供给消费者基本效用和利益的实体。

(2) 形式产品主要指实体产品得以实现的形式,包含产品的品种、质量、风格、款式、商标和包装等。

(3)延伸产品指用户获得形式产品时所能得到的全部利益,即随同形式产品而提供的附带服务,如咨询、维修、分期付款、交付安排等。

美国市场学家利维特断言:“未来产品的竞争,其关键将不在于工厂能生产出什么产品,而在于其产品所能提供的附加价值,如包装、服务、咨询、购买信贷、及时交货,以及人们用价值来加以衡量的一切东西。”

设计是一种表达方式,而产品则是一种用于交换的通货。产品作为一种通货而产生收入。在商业活动中,对设计的理解有所进步,而且这种理解如今已经成为企业角逐的关键。企业发现,在设计上投资会带来回报。一个精心设计并苦心经营的产品可以为一个企业或设计师带来具有象征意义的身份,它还能在高度竞争的世界中为一个企业或设计师提供一种独特的姿态。

前言
第1章 绪论
1.1 21世纪是创新的世纪
1.2 我国技术创新现状
1.3 创新是每个人的能力
1.4 小结
第2章 产品设计
2.1 概述
2.2 设计与产品设计
2.2.1 什么是设计
2.2.2 什么是产品设计
2.3 产品设计的一般描述
2.4 产品设计思想的变迁
2.5 产品设计的原则
2.6 产品设计类型
2.7 产品设计过程
2.8 小结
参考文献
第3章 产品创新设计
3.1 概述
3.2 创新与创新设计
3.2.1 什么是创新
3.2.2 什么是创新设计
3.3 产品创新设计模式
3.3.1 技术推动模式
3.3.2 市场推动模式
3.3.3 复合推动模式
3.4 产品创新设计类型
3.5 产品创新设计过程
3.5.1 基于认知创新思维展开过程
3.5.2 创新思维展开过程中的思维回路
3.5.3 产品创新设计过程模型
3.6 概念设计——产品创新的核心
3.7 小结
参考文献
第4章 用户需求获取与分析
4.1 概述
4.2 倾听用户的声音
4.2.1 不同的用户群体
4.2.2 用户需求的类型
4.2.3 用户需求模型
4.3 需求获取
4.4 需求处理
4.5 机会识别
4.6 需求转换
4.7 需求分析实例
4.7.1 Apple——*富价值的品牌
4.7.2 IDEO——全新的设计体验
4.8 小结
参考文献
第5章 创新方案生成
5.1 概述
5.2 问题定义
5.3 功能设计
5.3.1 功能的概念
5.3.2 核心功能和总功能
5.3.3 功能分解
5.3.4 功能求解
5.4 行为设计
5.5 结构设计
5.6 方案评价
5.7 新型自动敲钉机的创新
5.8 小结
参考文献
第6章 创造性思维的本质及能力培养
6.1 概述
6.2 三种领域技术的会聚
6.3 创造力模型
6.4 创造性思维的方式
6.4.1 发散思维与收敛思维
6.4.2 横向思维与纵向思维
6.4.3 正向思维与逆向思维
6.4.4 求同思维与求异思维
6.5 创造性思维的培养与训练
6.5.1 奠定思维基础
6.5.2 突破思维定势
6.5.3 泛化思维视角
6.5.4 发散思维训练
6.5.5 想象思维训练
6.5.6 联想思维训练
6.5.7 直觉思维训练
6.6 小结
参考文献
第7章 创造性思维的应用方法
7.1 概述
7.2 基于思维流动型
7.2.1 头脑风暴法
7.2.2 检核表法
7.3 基于思维操作型
7.3.1 形态分析法
7.3.2 整体思考法
7.4 基于思维程序型
7.4.1 体系化创新思维方法
7.4.2 创造性模板法
7.5 小结
参考文献
第8章 发明问题解决理论——TRIZ
8.1 TRIZ理论概述
8.2 TRIZ理论的核心思想
8.3 TRIZ理论体系
8.3.1 *终理想解
8.3.2 40个发明原理
8.3.3 39个通用技术参数及经典冲突矩阵
8.3.4 物理冲突和四大分离原理
8.3.5 物场模型分析
8.3.6 发明问题的标准解
8.3.7 发明问题解决算法
8.3.8 技术系统八大进化法则
8.3.9 科学效应和现象知识库
8.4 *终理想解
8.4.1 理想化与理想度
8.4.2 IFR的确定及其特征
8.4.3 IFR的应用
8.5 发明创造的等级划分
8.6 小结
参考文献
第9章 冲突解决理论
9.1 概述
9.2 冲突的定义与分类
9.2.1 技术冲突
9.2.2 物理冲突
9.3 技术冲突的解决
9.3.1 通用技术参数
9.3.2 发明原理及实例
9.3.3 经典冲突矩阵
9.3.4 技术冲突的解决流程
9.3.5 技术冲突问题的解决实例
9.4 物理冲突的解决
9.4.1 物理冲突的解决原理
9.4.2 分离原理与发明原理的关系
9.4.3 物理冲突的解决流程
9.4.4 物理冲突问题解决实例
9.5 小结
参考文献
第10章 物场模型分析方法
10.1 概述
10.2 物场模型的建立
10.2.1 符号系统
10.2.2 功能分类及其模型
10.2.3 构建物场模型
10.2.4 物场模型分类
10.2.5 物场分析的一般解法
10.3 76个标准解
10.3.1 概述
10.3.2 第1类:建立或破坏物场模型
10.3.3 第2类:增强物场模型
10.3.4 第3类:向超系统和微观级系统进化
10.3.5 第4类:检测和测量
10.3.6 第5类:应用标准解的标准
10.4 标准解的应用过程
10.5 工程实例
10.5.1 粉尘过滤
10.5.2 树皮和木片的分离问题
10.5.3 纯铜板的清洗
10.5.4 钢丸发送机弯管部分磨损问题
10.6 小结
参考文献
第11章 技术进化理论
11.1 概述
11.2 S曲线
11.3 技术系统进化法则
11.3.1 完备性法准则
11.3.2 能量传递法则
11.3.3 动态性进化法则
11.3.4 提高理想度法则
11.3.5 子系统不均衡进化法则
11.3.6 向超系统进化法则
11.3.7 向微观级进化法则
11.3.8 协调性进化法则
11.4 技术系统进化的应用
11.5 小结
参考文献
第12章 系统化分析工具
12.1 概述
12.2 功能分析
12.2.1 功能分析方法
12.2.2 基于FAST的功能分析
12.2.3 基于组件的功能分析
12.2.4 工程实例
12.3 因果分析
12.3.1 因果分析的定义与分类
12.3.2 因果分析的方法
12.4 资源分析
12.4.1 资源的定义与分类
12.4.2 资源应用原则
12.4.3 资源分析的方法与步骤
12.5 小结
参考文献
第13章 系统裁剪
13.1 概述
13.2 系统裁剪及方法
13.2.1 裁剪原理及定义
13.2.2 裁剪对象选择
13.2.3 系统裁剪的实施方法
13.3 基于裁剪的产品创新设计过程模型
13.4 工程实例
13.5 小结
参考文献
第14章 支持创新设计的知识及其应用
14.1 概述
14.1.1 知识的定义
14.1.2 知识的作用
14.1.3 知识的类型
14.1.4 知识的转化过程
14.2 创新设计过程中的知识
14.2.1 创新设计过程的知识类型
14.2.2 知识创新属性的提取与表达
14.2.3 设计知识的表示方法
14.2.4 设计知识的组织方法
14.3 支持产品创新设计的知识库
14.3.1 发明原理实例库
14.3.2 科学效应库
14.3.3 专利知识库
14.3.4 领域知识库
14.3.5 专题知识库
14.4 设计知识的搜索
14.4.1 基于发明原理的搜索策略
14.4.2 基于知识地图的搜索策略
14.4.3 基于设计规则的搜索策略
14.5 小结
参考文献
第15章 计算机辅助产品创新工具
15.1 概述
15.2 常用CAI软件及应用
15.2.1 Goldfire介绍
15.2.2 Pro/Innovator软件介绍
15.2.3 CAI解决冲突(矛盾)的实例:空气囊问题
15.3 基于认知机理的计算机辅助创新平台CAIP系统
15.3.1 CAIP系统介绍
15.3.2 CAIP系统的总体框架
15.3.3 CAIP系统模块
15.3.4 CAIP系统问题分析模块
15.3.5 CAIP系统创新策略模块
15.3.6 CAIP系统创新知识库模块
15.3.7 CAIP系统创新方案管理模块
15.4 原型系统的应用实例
15.5 小结
参考文献
第16章 公理化设计
16.1 域的概念
16.2 域间的“之”字形映射与层次结构
16.3 设计公理
16.3.1 独立性公理
16.3.2 信息公理
16.4 应用实例
16.4.1 冷热水混水阀
16.4.2 深水炸弹触发器的设计
16.5 小结
参考文献
第17章 六西格玛设计
17.1 六西格玛简介
17.1.1 DFSS方法
17.1.2 基于DFSS的产品创新设计方法
17.2 基于DFSS的产品创新设计模型
17.2.1 集成模式DFSS方法的组织结构
17.2.2 VRD集成模式的原理分析
17.2.3 面向全新产品的DFSS模型
17.3 基于DFSS的产品创新设计流程
17.3.1 DFSS与六西格玛改进的区别
17.3.2 现有DFSS流程比较分析
17.3.3 面向全新产品的DFSS流程
17.3.4 基于DCCDV流程的DFSS模型
17.4 应用实例
17.4.1 确立DFSS项目
17.4.2 顾客需求确定与分析
17.4.3 概念方案的生成与选择
17.4.4 设计试验并分析优化关键变量
17.4.5 验证*优参数组合
17.5 小结
参考文献
附录A 术语索引
附录B 冲突矩阵

李彦编著的《创新设计方法(普通高等教育十二五规划教材)》系统地介绍了产品创新设计的过程与关键技术。本书可供高等院校工科专业的师生,以及相关领域科研院所的研究人员、企业的技术开发人员与管理人员等参阅。