胡暢文,石元伍

(湖北工業(yè)大學工業(yè)設計學院, 湖北 武漢 430068))

隨著我國教育水平的不斷提高,人們越來越關注下一代的素質(zhì)教育問題。國內(nèi)兒童素質(zhì)教育市場規(guī)模迅速擴張,兒童玩具的市場需求也不斷增加。兒童玩具滿足了兒童在不同成長階段教育和娛樂需求,具有促進兒童感覺和語言的發(fā)展及增進智力、改善性格的功能[1]。其中機械結(jié)構(gòu)玩具能夠提高兒童的邏輯思維和實踐操作能力,培養(yǎng)兒童的工程思維。然而目前在進行兒童機械玩具的設計和生產(chǎn)時,多數(shù)都忽略了用戶的真正需求,產(chǎn)品同質(zhì)化嚴重,安全問題比比皆是,最終導致兒童能力提升緩慢,學習興趣不高,難以實際應用等問題,因此對兒童機械玩具產(chǎn)品進行設計研究有很大價值。

1 AHP/QFD/TRIZ集成運用方法

層次分析法是一種定性與定量分析方法相結(jié)合的多目標決策分析方法[2]。主要是通過將復雜問題分解為若干層次和若干因素,對兩兩指標之間的重要程度作出比較判斷,建立判斷矩陣,通過計算判斷矩陣的最大特征值以及對應特征向量,得出不同方案重要性程度的權(quán)重,為最佳方案的選擇提供依據(jù)[3]。

質(zhì)量功能展開是以用戶的需求出發(fā),分析哪些工程特性與用戶需求相關聯(lián),用可視化矩陣反映用戶需求與產(chǎn)品開發(fā)中的技術(shù)信息和技術(shù)規(guī)范之間的內(nèi)在聯(lián)系,能夠?qū)⒖蛻舻男枨筠D(zhuǎn)換為設計師的技術(shù)語言[4]。其中,質(zhì)量屋(House of Quality,HOQ)是QFD的核心[5],能夠?qū)嬰s的用戶需求和工程參數(shù)進行高效的篩選和排序,從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和用戶滿意度。

TRIZ創(chuàng)新方法是由阿奇舒勒在研究了250萬份專利后得出的一套具有完整體系的方法。是創(chuàng)新設計方法中的常用方法之一,它打破人們思考問題的惰性和片面性,避免了創(chuàng)新過程中的盲目性和局限性[6]。TRIZ中的通用技術(shù)參數(shù)、矛盾矩陣和發(fā)明原理能夠很好地提高產(chǎn)品創(chuàng)新設計研發(fā)效率和縮短設計研發(fā)周期。用高度歸納類比的方式為工程問題提供解決方案。其基本流程為分析問題,將問題轉(zhuǎn)化為通用的四類問題模型,使用知識庫得到對應的解決辦法,最后得出具體方案。能有效地解決產(chǎn)品創(chuàng)新中遇到的沖突和矛盾,定向地引導進行創(chuàng)新[7]。

雖然上述幾種方法都可以單獨應用于產(chǎn)品的設計研究中,但是它們各有其優(yōu)點和不足。AHP雖然能夠得到用戶需求的權(quán)重,但是難以與設計實踐相結(jié)合。QFD雖然能夠完善地將用戶需求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品技術(shù)要素,但是缺少創(chuàng)新性的解決方案。TRIZ創(chuàng)新方法可以通過矛盾矩陣和創(chuàng)新發(fā)明原理為設計工作者提供解決問題的創(chuàng)新思路,但是由于TRIZ理論規(guī)范性特點,易導致產(chǎn)品發(fā)明創(chuàng)新過程一般化,忽略個性化。在我國有很多學者將這三類方法集合進行產(chǎn)品設計研究,張彩麗等[8]對QFD和TRIZ的集成模型進行了研究,有機融合了兩者的優(yōu)勢,通過實例證明該方法的有效性。蘇建寧等[9]將QFD/AHP/TRIZ相結(jié)合的方法,應用到玫瑰花瓣采摘機的設計研究中,提高了設備的采摘效率。曾曦等[10]將QFD和TRIZ集成模型引入到老年人輪椅改良設計中,證實了研究的可行性和有效性。設計流程見圖1。

圖1 AHP/QFD/TRIZ集成模型圖

首先通過問卷、訪談、觀察、文獻的方式獲取用戶在使用產(chǎn)品過程中的遇到的問題和需求。將用戶需求進行提取和歸納,使用AHP層次分析法,計算各層次指標權(quán)重。接著構(gòu)建QFD質(zhì)量屋,填入與用戶需要相關的設計要素,得到各工程設計要素的沖突關系。然后導入用戶需求和權(quán)重系數(shù),計算得到各設計要素重要度排序。再將沖突問題轉(zhuǎn)化為TRIZ標準問題,分析矛盾類型,使用矛盾矩陣和創(chuàng)新方法尋求解決方案。最后判斷方案是否符合用戶需求,進行驗證,確定設計方案。本文將三種方法的優(yōu)勢結(jié)合起來,應用到兒童玩具設計過程中,不僅可以針對用戶的具體需求進行設計轉(zhuǎn)化,同時還能提供創(chuàng)新型的解決方案。

2 兒童機械玩具設計應用

機械玩具狹義上講,是通過齒輪、連桿、軸承、彈簧等機械機構(gòu)實現(xiàn)自動或者手動的形態(tài)變化的玩具。廣義上講,凡是能夠在某種動力下,做持續(xù)的物理運動,發(fā)生形態(tài)變化的都屬于機械玩具。機械玩具歷史悠久,從我國古代的孔明鎖、五輪沙漏、走馬燈,到現(xiàn)代的四驅(qū)車、高達模型、樂高積木等,這類產(chǎn)品都實現(xiàn)了手動或者自動的產(chǎn)品形態(tài)變化。

根據(jù)皮亞杰的認知發(fā)展理論可知6～12歲的兒童正處于具體的運算階段,思維具有可逆性,需鍛煉其邏輯思維能力[11]。機械玩具能夠很好地鍛煉兒童這方面的能力。但是目前國內(nèi)針對6～12歲兒童設計的機械玩具較少,存在一些問題,其一是產(chǎn)品娛樂性方面創(chuàng)新不夠,易使兒童感覺枯燥乏味。其二是教育性方面的創(chuàng)新缺失,玩教脫節(jié),產(chǎn)品存在跨學科知識融合不足,導致兒童玩完即忘,難以與實際應用相結(jié)合的問題。鑒于此,下文以6～12歲兒童使用的機械玩具為例,進行創(chuàng)新方案設計。

2.1 用戶需求的獲取與分析

機械玩具能夠培養(yǎng)兒童工程思維和學習相關機械原理,與之相關的用戶不僅是兒童,還包含兒童家長和教師,三類用戶和產(chǎn)品的關系見圖2。

圖2 兒童、家長、教師和機械玩具的關系圖

通過對武漢市洪山區(qū)某小學的3位科學老師進行深入訪談,15位兒童家長進行問卷調(diào)查,40位兒童進行科學課堂觀察,綜合得到了用戶對兒童機械玩具的需求。為避免主觀經(jīng)驗對用戶需求評價的影響,運用層次分析法建立需求層次模型,計算得到各要素權(quán)重分配系數(shù)[12],兒童機械玩具用戶需求見表1。

表1 兒童機械玩具用戶需求

分別對準則層和子準則層設置1～9標度的調(diào)查問卷,通過專家打分構(gòu)建判斷矩陣,見表2～表5。

表2 目標層評價指標判斷矩陣

表3 教育性需求準則判斷矩陣

表4 安全性需求準則判斷矩陣

表5 娛樂性需求準則判斷矩陣

通過計算,得出準則層和子準則層單排序權(quán)重,為確保結(jié)果的合理性,進行一致性檢測,通過CR=CI/RI可得到一致性比率CR值均小于0.1,結(jié)果通過一致性檢測,表明了權(quán)重的合理性。將準則層需求權(quán)重系數(shù)與子準則層需求權(quán)重系數(shù)相乘得到綜合權(quán)重,見表6。

表6 用戶需求層次結(jié)構(gòu)及權(quán)重系數(shù)

2.2 用戶需求轉(zhuǎn)化

得到用戶需求權(quán)重后,需將抽象的用戶需求,轉(zhuǎn)化為具體的設計要素,指導機械玩具的設計創(chuàng)新。質(zhì)量屋是由左墻、天花板、屋頂、房間、右墻和地板構(gòu)成。它可以將用戶需求轉(zhuǎn)換為與之相關的設計要素,然后對不同的設計要素進行重要程度排序,找到核心問題的解決措施,針對性的進行設計。設計要素重要度計算的計算式為:

式中:Hj為第j項設計要素的重要度;Li為第i個用戶需求的重要度;Wij為第i個用戶需求于第j個設計技術(shù)要素間的關系賦值。

首先將表1的用戶需求子準則層填入質(zhì)量屋的左墻區(qū)域;接著工程技術(shù)人員和設計人員對用戶需求的子準則層進行展開得到與之相關的設計要素,組成天花板區(qū)域;然后在各個設計要素之間用“+”表示相互促進的關系,“-”表示相互沖突的關系,組成屋頂區(qū)域;再使用0,1,3,5分別代表用戶需求與設計要素之間的無相關、弱、中、強相關程度,組成質(zhì)量屋的房間區(qū)域;將表6的用戶需求綜合權(quán)重作為質(zhì)量屋的右墻;最后通過計算得到不同設計要素的重要度,組成質(zhì)量屋的地板區(qū)域,機械玩具質(zhì)量屋見圖3。

圖3 機械玩具質(zhì)量屋

觀察機械玩具質(zhì)量屋的地板區(qū)域,產(chǎn)品尺寸大小、機械零部件、圖文介紹說明書、連接件的穩(wěn)定可靠是最重要的設計要素。在進行玩具創(chuàng)新設計時,需要優(yōu)先滿足該類設計要素。設計要素重要程度排序依次為:尺寸大小>機械零件>圖文介紹>連接件穩(wěn)定可靠>色彩明度飽和度高>形態(tài)多變>能源安全>邊角圓潤光滑>模塊化>玩法多樣>結(jié)構(gòu)穩(wěn)定>復雜程度低。

2.3 矛盾分析

通過質(zhì)量屋的屋頂三角形區(qū)域,可以直觀地了解機械玩具的各項設計要素之間的關聯(lián)性(圖4),“+”表示正相關,既一項設計要素的改進會使另一項設計要素產(chǎn)生優(yōu)化效果,“-”表示負相關,一項設計要素的改善會導致另一項設計要素的惡化,空白處表示設計要素之間無相關性。

圖4 質(zhì)量屋正負關聯(lián)性

通過質(zhì)量屋屋頂?shù)脑O計要素正負關聯(lián)性可以得到6組負相關關系,既存在矛盾的設計要素,對該6對矛盾沖突進行解釋分析:

①形態(tài)多變和連接件穩(wěn)定可靠之間的矛盾。機械玩具形態(tài)的多變會迫使需要更加高強度,高穩(wěn)定性的連接件來保持可運動部件的穩(wěn)定性。這是一對技術(shù)矛盾,解決的是使用何種材料和結(jié)構(gòu)的連接件來滿足機械玩具的多變性。

②形態(tài)多變和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定之間的矛盾。機械玩具多變的外形會帶來整體結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性,既要保證形態(tài)多變來滿足兒童好奇心,又要結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定來提升產(chǎn)品的安全性。這是一對技術(shù)矛盾,解決的是使用何種基礎形態(tài)來保證產(chǎn)品穩(wěn)定性的同時,提供更多的外形變化。

③形態(tài)多變和復雜程度低之間的矛盾。機械玩具對形態(tài)多變有較強的設計需求,當形態(tài)變化次數(shù)增多以后,產(chǎn)品復雜程度會隨之提高,不利于6～12歲的兒童使用。這是一對技術(shù)矛盾,需要甄別適合6～12歲兒童易于理解的機械原理知識點融入到玩具設計中。

④尺寸大小和模塊化之間的矛盾。為了滿足模塊化拼接的需求,物體的形態(tài)和體積是變化的。為了滿足產(chǎn)品的穩(wěn)定性需求,物體的形態(tài)和體積是不變的,體積的變與不變是典型的物理矛盾,可以使用分離原理。

⑤模塊化和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定之間的矛盾。當模塊化的數(shù)量變多,產(chǎn)品在各模塊連接的區(qū)域穩(wěn)定性會出現(xiàn)較多問題。這是一對技術(shù)矛盾,解決的是使用何種模塊化組合方式盡可能地提高穩(wěn)定性。

⑥玩法多樣和復雜程度低之間的矛盾。機械玩具玩法多樣會導致復雜程度變高,既要保證玩法的多樣性,又要保證易于兒童理解的適齡性。

使用TRIZ理論將負相關關系的設計要素轉(zhuǎn)化為TRIZ理論中的39個通用工程參數(shù)并分析矛盾類型,技術(shù)矛盾查詢矛盾矩陣表來獲得相關發(fā)明原理;物理矛盾使用分離原理獲得解決方案,見表7。

表7 各項矛盾以及對應的發(fā)明原理

2.4 矛盾解決

綜合上述矛盾沖突,根據(jù)兒童機械玩具的具體情況和要求,選擇合適的發(fā)明原理進行設計實踐。在①號矛盾中:形態(tài)多變和連接件穩(wěn)定可靠之間的矛盾。采用35號原理——物理或化學參數(shù)改變原理,改變連接件的物理化學參數(shù),使用ABS工程塑料作為螺栓螺母墊圈的材質(zhì),它具有硬度高,耐酸堿等化學性腐蝕的特點,在確保連接件穩(wěn)定可靠的前提下滿足形態(tài)多變的需求,見表8。

表8 ①號矛盾解決原理

在②號矛盾中:形態(tài)多變和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定之間的矛盾。采用34號原理——拋棄與再生原理,拋棄機械結(jié)構(gòu)玩具中晦澀難懂和不易于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的成分,保留一個基本形態(tài),而后在其基礎在上進行再生,組成不同的形態(tài),見表9。

表9 ②號矛盾解決原理

在③號矛盾中:形態(tài)多變和復雜程度低之間的矛盾。采用15號原理——動態(tài)化原理,在設計中僅引入連桿、齒輪、滑輪、帶傳動等易于兒童理解的簡單的機械機構(gòu),使其改變相對位置,滿足機械結(jié)構(gòu)玩具的多種形變需求,見表10。

表10 ③號矛盾解決原理

在④號矛盾中:尺寸大小和模塊化之間的矛盾。采用1號原理——分割原理,將一個物體分割成相互獨立的部分,使其易于組裝和拆卸,見表11。

表11 ④號矛盾解決原理

在⑤號矛盾中:模塊化和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定之間的矛盾。采用2號原理——抽取原理,將產(chǎn)品中產(chǎn)生負影響的部分抽離,抽離對于6～12歲兒童較難掌握的和易導致結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的部分,以齒輪為例,抽離齒輪齒條、人字齒輪、蝸桿渦輪等對于兒童難以理解的齒輪知識,僅包含最基本的外嚙合直齒傳動,化繁為簡,確保機械玩具的適齡性和娛樂性。見表12。

表12 ⑤號矛盾解決原理

在⑥號矛盾中:玩法多樣和復雜程度低之間的矛盾。采用10號原理——預先作用原理,預先在零部件合適的區(qū)域設置拼裝卡口和螺孔,方便兒童在拼接過程中快速識別部件,進行有效拼裝。見表13。

表13 ⑥號矛盾解決原理

3 兒童機械玩具設計方案

3.1 材質(zhì)和制作工藝

產(chǎn)品材質(zhì)和工藝是主體部分木頭激光切割和塑料連接件的3D打印。激光加工技術(shù)具有生產(chǎn)效率高,質(zhì)量可靠的特點,容易控制,易于制作精密機械[13]。木頭作為產(chǎn)品主體材質(zhì)的優(yōu)勢是方便加工,電的傳導性弱,比較安全,綠色環(huán)保無毒,適合兒童使用,同時木頭作為主材質(zhì),教師用戶可以根據(jù)自己的課程需求,進行特定尺寸和形狀的木板激光切割作為課程教材使用。塑料作為木頭之間的連接件,硬度高,更加的安全可靠,并且兒童在使用手或者扳手旋轉(zhuǎn)塑料螺絲螺母的過程中也促進了兒童手部肌肉的鍛煉。

3.2 設計方案

根據(jù)QFD中的設計要素和TRIZ的創(chuàng)新解決方案,以RHINO為造型平臺,進行兒童機械結(jié)構(gòu)玩具的創(chuàng)新設計,以其中一個拼接造型(吊車)為例,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)見圖5。

1-定滑輪;2-螺絲螺母連接;3-垂直支撐桿;4-齒輪傳動;5-橫向支撐桿;6-底座;7-距離調(diào)節(jié)部件圖5 吊車結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)QFD的設計要素重要度表明,連接件的穩(wěn)定可靠和產(chǎn)品尺寸大小是重要設計要素,為滿足連接件穩(wěn)定可靠的設計需求,確保產(chǎn)品各部件的連接穩(wěn)定性,使用螺栓螺母連接。如圖6是零部件ABS工程塑料外六角螺栓和墊圈的尺寸說明。為了防止兒童誤食和易于兒童抓握,使用厚度為6 mm的椴木板材進行激光切割,其中產(chǎn)品最小零部件尺寸為30 mm,見圖7。

圖6 M6-15外六角螺栓和墊圈尺寸圖

圖7 激光切割圖樣和零部件尺寸圖

產(chǎn)品配色將木的原色作為產(chǎn)品主體部分,使用色彩明度和飽和度高的亮黃色和橙色作為操作面板和動作機構(gòu)的顏色,黃色系作為木色的同色系,能夠有效減少兒童在拼裝過程的無趣感,亮黃色能夠給兒童帶來動感開朗的心理感受,橙色給兒童帶來工程的心理感受,契合產(chǎn)品屬性,緊固連接件使用具有工業(yè)感的灰色作為裝飾。不同顏色的區(qū)分可以方便兒童在拼裝過程中快速識別部件,進行有效拼裝,見圖8。

圖8 產(chǎn)品種類和配色方案

6～12歲兒童不具備很強的邏輯分析能力,處于對新鮮事物的學習探索階段,需要側(cè)重培養(yǎng)兒童解決問題的能力和邏輯思維能力。根據(jù)TRIZ動態(tài)化原理和抽取原理提供的創(chuàng)新解決方案,產(chǎn)品針對兒童做了適齡性調(diào)整,僅包含基本的機械原理和結(jié)構(gòu),如連桿機構(gòu)、滑輪傳動、齒輪傳動、帶傳動機構(gòu)等,確保產(chǎn)品適齡性,提升兒童手眼及肌肉的協(xié)調(diào)能力。產(chǎn)品可以根據(jù)不同模塊的拼接,實現(xiàn)不同的功能和多種造型。目前設計了七款造型:蹺蹺板、三輪車、投石車、挖掘機、吊車、升降車、水泥壓路車。兒童在動手拼接不同造型的過程中,能極大地激發(fā)兒童的創(chuàng)造性。產(chǎn)品效果見圖9。

圖9 產(chǎn)品效果圖

質(zhì)量屋中的設計要素重要度表明圖文介紹說明書對兒童機械玩具十分重要,需要設計能夠吸引兒童目光的產(chǎn)品包裝盒和利于兒童理解拼接步驟的產(chǎn)品拼裝說明書,見圖10。

圖10 產(chǎn)品包裝盒和拼裝說明書

6～12歲兒童年齡跨度較大,需要掌握的知識也是有區(qū)分的,針對不同年齡段的兒童設計了不同的難度,以挖掘機為例,入門級別需要掌握連桿機構(gòu)和螺絲螺母連接等知識點。針對高年級兒童加入了電路模塊,兒童可以給車配備電力系統(tǒng),實現(xiàn)車的行駛和抓斗控制,見圖11。

圖11 電力模塊在機械玩具上的表現(xiàn)

3.3 設計方案驗證和評估

為了驗證兒童機械玩具創(chuàng)新設計的實用性,制作產(chǎn)品樣機,使用環(huán)保水性木器漆進行涂裝。邀請8位6～12歲的兒童拼接產(chǎn)品后,再次對子準則層用戶需求進行評估。根據(jù)評價結(jié)果形成用戶反饋雷達圖,12項用戶需求中有10項需求在4分以上,產(chǎn)品達到用戶需求(圖12、圖13)。

圖12 產(chǎn)品樣機

圖13 用戶需求反饋雷達圖

4 結(jié)論

本文針對6～12歲的兒童創(chuàng)新設計了一種機械結(jié)構(gòu)玩具,采用AHP/QFD/TRIZ集成模型對機械結(jié)構(gòu)玩具進行創(chuàng)新設計,經(jīng)過設計后的機械結(jié)構(gòu)玩具將以往書本教育的間接經(jīng)驗轉(zhuǎn)換為兒童動手拼接的直接經(jīng)驗,讓兒童在拼接不同產(chǎn)品的實踐過程中獲得不同的機械結(jié)構(gòu)知識,將被動的學習狀態(tài)改為主動探索,提高了兒童的動手能力和創(chuàng)新能力,培養(yǎng)了兒童的工程思維。該設計流程可為相關玩具設計提供參考,后續(xù)設計研究可結(jié)合開放式玩法,階段性獎勵機制和編程教育進行下一步探索,實現(xiàn)多學科融合,使產(chǎn)品附加更多的知識體系,提高兒童的綜合能力。