1、培养机械创新能力的意义随着科技的进步时代的发展， 现实社会对大学生能力的要求越来越高，特别是创新能力。培养学生创新能力和实践能力是全面实施素质教育的重要内容。如何开发和培养学生的创新能力，一直以来是教育改革的重大课题。 纵观历史全国各大院校始终没有停止过对教育改 革的探讨 ，都在 试图找到一条更适合本校发展的道路。培养大学生机械创新设计能力的重要意义 机械 创新设计是指在充分发挥设计者创造性的前提下，利用人类已有的相关科技成果进行创新构思，从而设计 出具有新颖性、 创造性 及 实用性机构或机械产品的一种实践活动。 在当前激烈的国 际竞 争中， 培养大学生具有较强 的机械创新能力，能 够促进我国
2、机械行业的发展，逐渐使其处在国 际发展水平的前列， 缩短我国与 发达国家的差距。 另外培养大学生具有创新能力，是高校教育的使命，体现了高校教育上升到一个新的发展水平。 机械创新中学生暴露出的主要问题1.好高骛远。在备战机械创新大 赛的初期, 学生普遍表 现 出好高骛远 ,对比赛的要求和难度估计不足 , 提出了很多宏大的创新设计方案 ,即超出了自己知 识和能力所限, 又在学校资金资助范围之外, 更是几个人在短短的几个月不可能完成的 。 2.能力不足。由于我国过去的教育 观念和体制 及专业设置和课程体系等多方面的原因, 我国大学生 的创新能较差,这主要表现在创新意识淡薄 , 缺乏创新思维 ;只会记
3、忆知识点应付考试, 不会应用所学知识解决实际问题;知识面窄 , 对现代辅助设计软件应用不熟练 ,科技论文写作水平欠缺 ;动手能力较 差,不能自主进行机械加工和电路制作。3.虎头蛇尾。大学生参加科技 创新活动, 开始 热情很高,报名踊跃, 惟恐不能参加, 但随着时间的推 移 ,问题 的深入,学生容易出 现畏难情绪和患得患失 的现象 ,缺乏坚强的毅力和高度的责任感 。开始宏大 的构思 ,遇到困难 ,就草草收场, 能减 则减 。4.单打独干。大学生科技创新 团队组织松散 , 易集易散。由于团队负责人缺乏领导和组织能力, 团 队成员缺乏奉献精神 , 没有协议的约束, 很容易使 团 队中途散伙或名存实亡
4、。最后设计任务完全落在项 目负责人身上,出现单打独干现象。大学生创新能力的培养途径创新能力的培养是集学校教育 、家庭教育、社会教育、终身教育于一体的教育体系共同作用的结 果 3 ,学校教育, 特别是大学阶段的教育尤为重要 , 中小学教育重在基础知识的积累, 通用技能的获得 , 学习和思维方法的培养;大学教育重在专业知识的积累 ,特殊技能的获得 , 创新能力的培养。如何营造良 好的外部环境,创造具有时 代性 、开放性、超前性的内 部条件, 培养大学生的创新意识 、锻炼学生的创新能力 ,发挥他们的创造力, 是目前我国高等教育的一个重要任务。 (一)重视学生个性发展 ,普及创新理念 创新理念不只是针
5、对学生, 更是针对学校、教师 和管理干部 。转变观 念就是要树立正确的学生观, 即 不能把学生看作消极的被管理对象, 也不能把学生当 作灌输知识的容器,而是要把每一个学生都看作具有创造潜能的主体 、具有丰富个性的主体。学校要重视学生的个性差异 ,注重学生的个性发展 。为此，应该改革传统的教育教学管理体制, 例如允许未毕业的学生进行自主创业, 为他们保留一定时间的学籍 ;鼓励 学生参加各种科技创新竞赛 ,激励那些敢于创新的学 生脱颖而出等。 (二)构建合理的课程体系, 增 设创新通识课程学校要调整课程体系, 完善教学计划, 压缩课内学时, 增加课外学时 , 给学生更多独立思考的时间和空 间, 以
6、便激活大学生的创新思维;创造能力来源于 宽厚的基础知识和良好的素质 ,仅仅掌握单一的专业知识是不够的 。因此,加强大学生基础教育的内容更新和外延拓展及构建合理的课程体系就显得非常重要。大学教育中要注重文、理渗透, 可以对文科学生 开设部分自然科学 课程 ,对理科学生适当加强人文学科课程的教育, 使文理学科之间相互渗透 ;实行大学科、大专业教育 ,使课程之间互相渗透, 打破明 显的课程界限,设置一些跨学科 、跨专业的课程 ,使学生知识 结构既博又专, 且能够触类旁通, 以便在未来的工作 中具备创新的能力 。要增加选修课的比重, 允许学生跨系 、跨专业选修课程, 使学生依托一个专业 ,着眼于 综合
7、性较强的跨学科训练。开设一系列专门的创新通识课程, 从思维科学或心理学、方法 论的角度来探 讨创造性思维的问题,如强化动因的群体激智创新创造法、 扩展思路的广角发散创新 创造法 、把握机遇的直觉灵感创新创造法、重视分析的思维推理 创新创造法、探索 规律的现 代科学创造法 。给学生介绍一 些最基本的科研和创新方法, 诸如如何选题 ,如何搜集、分析、整理资料, 如何提炼论点(观点),如何撰写研究报告和学术论 文,如果申请专利等等。 (三)改进教学方法 、转变培养模式 教师要不断改革课堂教学 ,变传统的灌输式、填 鸭式教学为启发式 、互动式、引申式教学 ,充分调动学生思维问题的积极性 , 对学生提出
8、的问题要善于引 导、启发, 以此激活大学生的 创新思维。千方百 计 、想方设法地去调动和激发学生对科研创新的兴趣。让 学生感受、理解知识产生和发展的过程 , 培养学生的 科学精神和创新思维习惯。积极创造条件, 让学生积 极参与教学过程。传统的考试方式重视的是对已有 知识的传授和记忆 ,这样的考试方式显然不利于学生创新能力的培养 ,这就要求我们改革传统的考试方式。新的考试模式不 仅要考查学生对知识的掌握 ,更 要考查学生创造性地分析问题 、解决问题的能力, 以此培养学生的创新意识和创新能力 。在考试方式上, 进行适量的开卷考试。考试时允许学生带课 本、笔 记 等资料 ,允许学生发表不同的意见,
9、对那些有创造性 见解的答卷要给予鼓励 ,力争把学生的精力引 导到对 问题 的分析和解决上来 。有些课程也可以用综合性 大作业和专题小论文的方式取代传统的闭卷考试方 式,放宽考试时间限制, 以便于学生们搜集资料, 对有 关问题做较为深入地探讨和研究。在考试内容方面, 要安排一些没有统一标准答案的探讨性问题 ,需要学 生经过充分而深入地思考才能够做出解答;或是安排 一些 综合性较强的问题 ,需要学生运用所学理论知识经过反复、仔细地分析思考才能做出回答 。这有利于培养学生的创造性思维和创造能力, 并对他们起到一 种重要的导向作用。 (四)营造创新氛围,培植创新市场创新型人才的培养 , 文化环境的熏陶
10、非常重要。 一方面, 大学生应该主动营建自己的创新团体 , 如各 种创新竞赛团队、大学生科技 创新协会、大学生创业 团队等;另一方面 ,大学生要 积极利用好大学里的各 种软、硬件方面的 资源, 如图书馆、实验室等, 这些场所通常是培育和激发创新灵感的绝佳环境 ;同时 , 大学生还应该主动走出校门 ,参加社会调研, 让理论和实践相结合 ,在社会实践中发现问题 、思考问题 、解决 问题 ,并在实际活动中及时反馈, 形成最后的成果 。 充分利用第二课堂, 定期举办各种学术讲座、学术沙龙和大学生科技 报告会 , 出版大学生论文集, 鼓励学生积极参加学术活动 ,对于不同领域的知识有一个大体的涉猎 ,进行
11、不同学科之间的交流, 从而学习他人如何创造性地解决问题的思维和方法 ,以强化创新意 识 ;鼓励学生大胆 创新, 可以让他们参加教师的科研 课题 ,也可以由学生自拟题目,并选派教师指导 ,并对学生的科研课题进行定期检查和鉴定 ,这样可以培养学生的创新毅力和 责任心 ,拓展学生的 视野, 有效发挥他们的创造才能。 创新, 不仅仅局限于实验室里, 更需要将创新成 果推向市场。任何 创新成果 ,只有不断向市场转化 , 得到市 场的认可 ,才是有价 值的创新成果 。当前大学生创新成果的市场化率, 还不足已有研究成果的 10 %,除了大学生自己需要把握好创新活动的研 究方向, 使其更加贴近市场需求外 ,还
12、需要学校和企 业的共同努力。一方面 ,学校要创造条件将大学生的创新成果主动推向市场 , 争取得到市场的认可 ;另一 方面,作为市场主体之一的企 业也要积极关注大学生 的创新成果, 对其予以扶持并提出宝贵的研究意见 , 两方面的结合将会有力地推动大学生创新成果的市场化 ,促进大学生创新素质的培养和创新能力的提高 。 (五)建设创新必需的硬件环境, 组建创新指导教师团队 学校要为大学生营造创新必需的硬件环境, 为大学生创新提供物 质技术支持, 包括开放基础 研究性实验室 、各种功能的专业性实验室。要将各实验室的实验 内容 、功能在网上宣传, 让学生了解其使用程序。学校要有必需的技能训练中心 、加工
13、中心 ,让学生能够自己动手实现其创新构思。学校还应该为大学生 创新提供研究资金支持等。 配备高水平的 、相对稳定的创新指导教师团队, 是大学生创新活动成败的关键 。要培养 创新型人才, 学校教师队伍要有 创新的意识 、创新的精神以及创新的行动和实践 。世界各国著名大学的共同经验证明, 高素质的师资队伍是决定一所大学核心竞争力的关 键所在。从一定意义上说,现在中国大学与世界一流 大学的差距 , 主要是教师队伍水平的差距 。教师的创新激情 、学术水平 、治学态度直接影响学生的创 新活动 。指导教师团队的专业背景应该 尽量涵盖创 新必需的技术领域 ,知识具有互补性 , 能为学生创新活动提高全面的技术
14、支持。(六)提供创新政策保障, 建立相 应激励措施创新 ,需要一个良好的政策环境 ,使更多的学生 愿意创新 、乐于创新 。创新的政策环境包括设立大学生创新基金 、创新实践学分 、创新成果表彰和免试读研等。设立创 新研究基金的目的就是对那些具有 创 新性 、科学性、实用性、可行性的大学生研究项目予以 一定的资金保障,使学生不会因为资金问题而不去参 与创新实践 。设立创 新实践学分的目的就是对参与创新实践活动的学生予以一定的学分认可, 鼓励学生 将自己的 业余时间用于 创新, 不仅有参与创新实践的 收获, 还能得到学分的认可 ,使更多的学生愿意把业余时间花在创新实践上 。建立竞争激励机制 ,举办各
15、种形式的竞赛活动 ,对 在创新方面成 绩突出的学生 进 行表彰和奖励 ,对获得国家级或省(部) 级创新成果的 学生, 以及在校内外创新实践活 动中做出成绩的学 生,可申 请免修与之相关的课程学分 、课程设计或毕业设计(论文),可以免试推荐研究生等 。机械产品的使用寿命优点优秀的设计是延长机械使用寿命的首要环节。我国的大型施工项目中的主要土石方工程用机械设备主要是采用以上发达国家进口产品，这些设备外观新颖、操作舒适、性能先进、经久耐用。他们根据人体工程学设计的座椅、操纵台、环保型的低噪声发动机，超前的流线型机身和驾驶舒适感，具有良好的机械性能和人性化设计，深受机驾人员的欢迎。如果机械维修性好，易
16、于维修，能够采用“低成本的快速修理”，可使机件经常处于良好的技术状态。这样设计的施工机械，在工作过程中，一旦出现了故障，由于可以低成本快速修理，无需更换新部件总成，这实际上就延长了机械的使用寿命、提高了机械完好率、降低了机械的使用成本。1. 3采用新材料制造的施工机械，可以有效地延长机械的使用寿命。近年来，材料科学技术发展日新月夜，突飞猛进。大量高强度，抗磨损，抗振动和抗冲击的新材料、纳米技术材料、先进的电子元件技术不断出现，设计机器时应根据机械性能与工况选用相适应的新材料，从材料性能质量上保证其使用寿命。机械产品的可靠性随着现代工业技术的飞速发展，机械产品日趋复杂化、大型化、高参数化，使产品
17、发生故障的机会增多，因而，可靠性作为产品质量的主要指标，愈来愈受到工程界的重视。机械可靠性，是指机械产品在规定的使用条件、规定的时间内完成规定功能的能力。机械的可靠性是机械设计的主要目的之一，有效地增强产品质量、降低产品成本、减轻整机质量、提高可靠性和作业效率是可靠性设计的主要目标。随着工业技术的发展，机械产品性能参数日益提高，结构日趋复杂，使用场所更加广泛，产品的性能和可靠性问题也就越来越突出。机械可靠性设计的基本任务是在故障物理学研究的基础上，结合可靠性试验以及故障数据的统计分析，提供实际计算的数学力学模型和方法及实践。科技研究人员和工程设计人员积极投入到可靠性工程的研究与实践之中，取得了
18、可喜的成果。张义民 1结合现代数学力学理论，系统地阐明机械可靠性设计、机械动态可靠性设计、机械可靠性优化设计、机械可靠性灵敏度设计、机械可靠性稳健设计等可靠性设计理论与方法内涵与递进。陈静等 2阐述了机械产品优化设计及可靠性的相关理论，介绍了可靠性优化设计的应用及发展现状，并介绍了机械行业相关的软件应用情况。喻天翔等 3对当前机械可靠性的特点和争议进行介绍，从 Bayesian 理论、FMECA 和疲劳可靠性试验三个方面总结了机械可靠性试验技术相关的重要理论问题及其发展，并阐述了可靠性增长试验、加速试验和微机械可靠性试验技术的国内外发展，总结了机械可靠性试验技术研究存在的问题及其发展趋势。1
19、可靠性设计1.1 可靠性设计传统的机械设计方法认为零件的强度和应力都是单值，只要计算出的安全系数大于规定的安全系数，就认为零件是安全的，因而设计过程中忽略了各 设计参数的随机性。可靠性设计将零件的应力和强度作为随机变量， 认为应力受到各种 环境因素(温度、腐蚀、粒子辐射等)的影响，具有一定的分布规律；强度受材料的性能、工艺环节的波动和加工精度等的影响，也是具有一定的分布规律。可靠性 设计认为所设计的任一机械存在着一定的失效可能性，设计时根据需要预先控制的失效概率或可靠度，考虑各参数的随机性及分布 规律，以反映出零部件的实际工作状况。产品的可靠性表示产品在规定使用条件和使用期限内，保持其正常技
20、术性能完成规定功能的能力。可靠性设计的一个目 标是计算可靠度，可靠度是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。其表达式为： ()0xgXRfd式中 fx(X)为基本随机参数向量 的联 合概率密度；g(X)为状态函数，可T12(,)nX表示零件的不同状态：g(X)0 为安全状态，g(X)0 为失效状 态， g(X)=0 为极限状态方程。现代生产的经验表明，在设计 、制造和使用 产品的三个阶段中，设计决定了产品的可靠性水平，即产品的固有可靠性，而制造和使用是保 证产品可机械可靠性分析与 设计的方法很多，总体上可以归纳成两类，即数学模型法与物理原因法。数学模型法是指可靠性遵从由某种试
21、验数据获得的概率统计规律，而物理原因法是指考 虑 失效的物理原因的方法。1.2 动态可靠性设计经典的可靠性设计理论不能考虑结构系统的动力学行为，为了弥补这种缺失必须开展动态可靠性的研究。动态可靠性是指产品在运动或振动状况下的可靠性， “动态”强调结构系统中所包含的动态特性(如：振动频率、输出响应、能量传递等) ，由于机械产品的特性及参数( 如：强度、应力、物理变量、几何尺寸等) 具有固有的随机性，同时机械产品运行是也是典型的动态过程，载荷、工况、应力等运行环境及参数也都是随时间变化的量，因而必须将其处理为随机过程。不考虑动态特性将难以得到产品准确的失效数据和可靠性信息，这必然使可靠性的研究从静
22、态可靠性向动态可靠性转变。另外，多数机械产品的特性数值随时间而逐渐变化，如：因疲劳、磨损、腐蚀等造成的机械强度降低等，使产品的可靠性表现出了渐变的特征。可见将机械动力学与机械可靠性有机地结合起来，研究动态可靠性设计的基础理论与方法具有重要意义。2 可靠性优化设计机械优化设计是随着电子计算机的广泛使用而迅速发展起来的一门学科，在现代机械设计中占有重要的地位。机械产品 优化设计的目的是以最少的材料，最低的造价，最 简单的工艺，实现机械结构靠性指标的实现。可靠性 试验数据是可靠性 设计的基础，但是 试验不能提高产品的可靠性，只有设计才能决定 产品的固有可靠性。机械 产 品与可靠性的关系框图见图 1。
23、的最优性能，包括强度、刚度、稳定性等目标。当然设计时既要考虑各种载荷的随机性，又要考虑结构参数的随机性，以及二者 对产品性能的影响。机械优化设计追求最合理的利用材料的性能，使各个部件或零件的几何参数得到最好的协调 ，使 设计者从众多的设计方案中获得较为完善的或最为合适的最优设计方案。 优化设计数学模型的 3 个要素是目标函数、 约束条件和设计变量。虽然目前可靠性设计和优化设计在理论和方法上都达到了一定的水平，但是无 论单方面进行可靠性设计还是优化设计，都不可能 发挥可靠性设计 与优化设计的巨大潜力。一方面是因为可靠性设计有时并不等于优化设计，例如机械 产品在 经过可靠性设计后，并不能保 证它的
24、工作性能或参数就一定处于最佳状态；另一方面是因为优化设计并不一定包含可靠性设计，例如机械产品在没有考虑 可靠性的状态下进行优化设计 后，并不能保 证它在规定的条件下和规定的时间内，完成规定的功能，甚至发生故障和事故，造成损失。另外，由于机械产品有众多的设计参数，要同时确定多个 设计参数， 单纯的可靠性 设计方法就显得无能为力了。所以应该进行可靠性优化设计的研究，使机械 产品既保证 具有可靠性要求，又保 证具有最佳的工作性能和参数。可靠性优化设计方法是在常规优化设计方法的基础上， 结 合可靠性设计理论发展起来的一种有效的优化设计方法。它将可靠性分析理 论与数学 规划方法有机地结合在一起，也就是说
25、在优化设计中将设计参数作为随机变量，以 产品的可靠度作 为目标函数或约束条件，运用最优化方法得到在概率意义下的最佳设计的一种数值计算方法。由于它弥补了单一可靠性设计或优化设计的不足，使 设计不仅符合工况运行要求，而且得出最优的设计参数，因而更具有工程实用价值。可靠性 优化设计，一般包含三方面的内容：质量、成本、可靠度，把产品的总体可靠度作为性能约束的优化，将会 产生与合理安全性相 协调的平衡设计，也就是在给定结构布局和给定产品质量或成本之下，使 产品有最大的可靠度。相对于常规的优化设计，可靠性 优化设计的特点在于将可靠性 设计引入优化设计当中。将可靠性设计理论与优化技术结合起来通常有两种方法：
26、（1）要求结构或零部件在满足一定性能的条件下，使其可靠度达到最大。（2）在结构或零部件达到最佳性能指标时，要求它的工作可靠度不低于某一 规定水平。3 机械可靠性试验技术可靠性试验是对产品的可靠性进行调查、分析和 评价的一种手段。其目的是发现产品在设计、材料和工艺方面的各种缺陷，为改善产品的战备完好性，提高任务成功率，减少维修费用及保障费用提供信息，确 认是否符合可靠性定量要求。可靠性试验可分为工程试验和统计试验两大类，工程试验的目的在于暴露 产品的可靠性缺陷，并采取纠正措施加以排除。这种试验由承制方进行，以研制 样机为受试产品，包括 环境应 力筛选试验及可靠性增长试验。环境应力筛选是施加环境应
27、力到产品，以 发现和排除不良零件、元器件、工 艺缺陷等潜在缺陷为目的试验方法。可靠性增 长试验是为了暴露产品的可靠性薄弱 环节，并 证明改进措施能防止可靠性薄弱环节再现而进行的一系列可靠性试验方法。4 结 论可靠性优化设计是在常规优化设计的基础上， 结合可靠性 设计理论发展起来的一种有效的优化设计方法。本文在总结现 有文献的基础上对机械可靠性 优化设计进行综述，系 统阐述了机械可靠性、可靠性设计 、可靠性 优化设计及可靠性试验 的理论及方法。人机工程学随着时代的进步、科技的发展，人机工程学的理论 研究日益成熟，但如今人机工程学理论在实际设计生 产过程中的应用还是以个案的改进为主。此外，产品 造
28、型一直是设计中一个十分棘手的向题，造型设计实 践中常常走入为了变化而 变化的设计误区，造成形 态 苍白而缺乏内涵的设计局面，这些状况体 现了设计者 缺乏对产 品设计本质的认识与思考；对于产品而言，究 其根本，产品是工具，它是为人服务， 产品的价值体现 在产品与人的结合关系以及所带来的效用上，因此人 与产品的关系及针对两者之 间关系的认知研究才是产 品造型设计中人机工程知识应用研究的核心。1 人机工程学知识 1.1 人机工程学 是一门技术科学、人体科学以及社会科学相交叉的 综合性新兴边缘学科，它与产品造型设计关系密切，是 产品设计工作者和社会科学工作者共同研究的 课题。目前国内外对人机工程学的解
29、释有多种，但在 研究对象、手段及目的方面是基本一致的：即主要研 究如何根据人的生理、心理特点及要求来设计、布置机器 设备 、仪表（包括劳动工具）等，设计、安排工作场所及工作环境，使人的劳动更合理，使机器设备、仪表、工具等便于操作，从而达到改善劳动条件、减少能量消耗、减轻疲劳、降低事故发生率和提高工作效率的目的。简而言之，人机工程学就是研究人与机器设 备之间的相互关系及其合理配合，使之更适合人的生理、心理特点，进而使劳动环境更安全舒适，使人机系 统的工作效率达到最佳化的一门学科1 。 1.2 造型设计中人机工程学知识研究的内容 在当今的产品造型设计与开发中，产品的宜人性、创新性、适用性等因素越来
30、越受到 设计方与使用。人机工程学知识在产品设计过程中的应用地位也得到提高。其一，人机工程知识的研究是使 产品功能得到最佳发挥的基 础条件，如果没有人、机之间的科学配套，产品的合理使用无从 谈起， 产品的造型语言也不能体 现产品所具备的使用细节；其二，人机工程知识的研究探索 实践了关于人的科学，其中对人的活动、生产、生活的研究已经成为新产品 开发的重要推动力。在 产品造型设计过 程中的人机 系统设计主要研究内容有 4 个方面。 1）人与产品造型的关系因素研究。人作为设计的主体对象是 产品设计中人机研究的重点，也是人机研究的基础；人的自然属性（如人体形 态特征参数、人的感知特性、人的反 应特性以及
31、人在操作产品过程中 的心理特征等）与人的社会属性（如人的社会行为、价 值观念、人文环境、社会背景文化等）都是影响人与产品造型的重要关系因素。2）人机的系统关系因素研究。人机的系 统关系优化是为了 创造最优的人机配合， 优化的尺度关系、舒适的环境关系、可辨识的界面关系都是充分 发挥人、机各自的特点，相互配合、协调工作的重要因素， 两者之间的系统设计问题也是人和 产品有机交流的 重要前提。 3）产品的人机环境因素研究。 产品的造型设计 要符合产品的使用 环境， 产品的内部环境也要对人的 健康与效率负责，重 视细节的微观内部环境与重 视系统关系的宏观外部环境构成了产品人机环境因素的主体。 4）产品的
32、人机安全性因素研究。 产品的安全性 因素可分为 2 个方面， 对使用者来讲不仅需要高效的 操作，更需要将事故危 险性减小到最低限度，这就需 要有相应的防护、保险、余量、防失误、事故控制、求援 方法等等安全性的设计因素；此外，产品的人机安全 也需要反映到延长产品的操作寿命与降低操作者的使用破坏性等因素。2 设计的认知在产品设计的人机工程学研究中需要对人机环境这 3 个因素进行分析，见图 1，三者相互依存、相互制约；但是，因 为各自研究方法和研究思想不同，也所属不同的研究领域，因此要实现人 机环境的优化组合， 难度是相当大的。此外，虽然许多设计工作者已经有组织地对人机环境三者之间的关系进 行实验研
33、究，并积累了大量有关数据，但是对这些数 据的综合运用仍是凭 经验进行，因而这种人机研究与应用的方式难以取得人机环境匹配的最佳效 果。因此，如何将产品造型设计中人机工程的知识内 容应用到产品造型设计中成为人机研究的瓶颈。产品造型设计 活动是对目标对象所进行的造型信息处理的过程，针对人机工程学知 识而言， 这是从初始的 人机知识抽象的设计概念提炼具体的造型与结 构的过程，人机 设计信息是不断发展 变化的，如何有效地描述和 处理设计对象及其相关信息是产品造型 设计的基本问题，这也就是人机工程学知 识的设计认 知所需要解决的问题。2.1 产品信息的交流系统产品的最终造型是产品设计过程中各类信息的 载体
34、，使用者正是直接的通过造型符号来阅读产品设 计中的各种信息。因此，从设计的表达上看造型设计 的符号是对设计对象的描述，从含 义上看造型设计中的符号也承 载了设计对象的相关属性信息。基于人机知识的产品信息交流系 统模型见图 2，人机工程学知识的信息符号与设计对象的对应关系组成了产品。信息交流系统模型；设计对象的造型符号在所承载信 息的支持下，代表设计对象在各个设计阶段进行产品 信息建模，是符号模型的基本构成元素。产品设计过 程中，设计对象在实例对象的支持下从设计概念转化 为实体结构， 设计对 象符号根据其所携带信息的完备 程度描述了设计对象的概念状态、实体状态以及其他 中间 状态；其中， 对应于
35、概念状态的是定性信息描述， 对应于实体状 态的是定量信息描述；这些状 态的综合 构成了产品信息的交流系统。在设计过程结束后，设计对象转化为新的实例对象，而相应的信息完备设计 对象符号也转化为常量符号。2.2 产品设计知识的隐性扩展通过产品设计，设计师将产 品的信息赋予产品， 通过造型符号与具体的产品使用将相应的价值传达 给使用者。因此，产品造型设计中的设计认知过程模 型可以描述为设计师知识信息设计符号产品媒介认知符号产品的使用过程；在此过程中设计师将各种设计知识通过设计编码成为设计符号，这些符号体现了企业、品牌以及产品等多个角度信息并以产品造型为媒介传达给使用者，然后使用者在对产品 信息解码的
36、过程中得到其本身对产品各种信息的理 解。 产 品设计知识的扩展可以分为隐性和显性 2 种，在此，设计认知 产品设计知识的隐性扩展与产品 设计过程（产品设计知识的显性扩展）是相对应的，设计认 知即设计符号的演变过程是 产品设计的基础与 前提。 产品设计的宗旨就在于将所期望的以实用功能为主的文化价值如实地传达给最广大的消费者群体，所以不仅应利用工业工程系 统在信文的大批量复制 中抑制噪声，并且能使收信人通过感官感知正确的信息重建。这 正是对设计认知过程的明确描述，这要求设计师的造型符号构成必须是一种有目的构成，其 中符号构成的规则必须以该产 品的使用群体为基础。3 人机工程学知识的设计认知在产品造
37、型设计中的应用方法 从设计的认知过程，可以看出设计人员通过认知活动来进行产品设计时，是在受到外界设计环境和内部认知行为的交互影响下进行的，因此需要通 过相应的设计方法、 设计流程控制和 评价等一系列的认知操 作使认知活动高效、合理的服 务产品设计，从而解决 设计的 问题。3.1 设计认知效率提高的方法 从设计认知的工效角度来看，产品使用过程中的人机系统是使用者的认知过程，这就要求在 设计中针对人的认知特性来改善人机界面的信息，从而加强信 息交互效率和可用性。 设计认知的效率是衡量认知 系统信息处理的质量和速度的综合性指标4 。为了通过设计者的合理编码从而提高使用者的认知效率，是设计认知需要解决
38、的主要问题，具体来讲认 知系统认 知效率的提高可以通 过 3 个方面进行。 1）提高设计认知和客观对象的匹配程度。 设计者在对人机数据的整理后会 对设计对象有 一定的主观意识，因此设计认知具有一定的主 观环境性， 这种主观环境性是 认知主体对认知客体及所处客观环境的信息以及组织方式的认识；但是， 产品开发设计中的科学性与合理性要求 设计者必须客观理性的思考设计问题，因此 设计认知中理性的规则 是必不可少的， 设计者必须对主观环境进行理性的过滤和约束。通 过设计认知和客观实际的匹配及 对应信息的 准确度来防止使用者信息获取的失误。 2）改善 设计者的信息处理能力水平。 信息处理过程是整个设计信息
39、加工中的重要过程，设计者的信息 处理能力对整个设计 信息的加工过 程的信息速度有很大影响，在具体的产品设计中 设计模板、 设计推理以及设计 反馈和协作能力的提高将有助于减少和抑制设计失误。 3）采用适当的 设计认知策略。 针对 人机工程学知识的设计认知策略是设计者在人机信息与数据的处理过程中所采取的设计模版 与推理，设计者应针对不同类别的产品建立企业资源 为基础的设计模版。企 业设计模版的确立决定了信 息处理过程中人机知识认知资源的分配，避免了因 为设计师的个人因素在相同的 环境和任务条件下而采用不同的认知策略。3.2 基于人机工程设计认知的造型设计方法产品造型设计就是对产品的造型要素如符号、
40、信息、语义信息和表现信息等进行编码的过程5 。 1）设计者首先需要通过测量、访谈、观察、语义差异分析等方法来研究使用者的人机数据信息与喜好、思 维、情感等特点，并将这些内隐设计信息根据企业 模版和对用户的研究外显化为相应的造型符号，并寻 找到该类别产品的人机设计规律；在产品造型设计之前， 对用户所 隐藏的人机知识研究与探索并找出其共 性特征会有利于提高设计方案的成功率。 2）在完成相 应的设计信息与数据分析后，根据用户需求及使用者信息， 针对设计对象进行造型样本 测试，在 对反馈的造型要素提炼分析后通过计算机辅助工具建立人机设计知识表示的模型，从而使设计结果 形式化和规范化。此步骤中对人机知识
41、进行模型化、 规律化为下一步的完善 设计奠定基础。 3）在完成以上工作以后，设计师凭借对人机信息与数据掌握，根据企 业的设计 模版和自己的设计知识，通过其情感理解、文化内涵融入以及与实用功能、 技术的结合，借助视觉符号的组合来表述设计的实质 内涵，从而使产品具有美感、识别性与可操作性；并且 运用“ 明喻”、 “暗喻”、 “联想”、 “类比”、 “综合”等手法 帮助用户认识、学习、操作不熟悉的 产品，包括产品的 外形、色彩、 质感、声音、气味以及所处的环境等 。目前，在对技术系统和设计理 论的研究方面已比较广泛和成熟，其中功能论的观点和方法依然存在广泛而深刻的影响，在此未能全面而系统的考 虑人、 环境及产品的相互作用和影响，但是，对人机系统的优 化 设计是产品造型设计不可回避的问题，人机工程学 知识的设计应用也是产品人性化设计的主流。
