基于eegα波活动探究信息激励距离对产品设计思维的影响-袁萍.pdf

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1、第53卷第15期20 1 7年8月机械工程学报JOURNAL 0F MECHANICAL ENGINEERINGV0153AugNo152 0 1 7DoI：103901JME201715040基于EEGa波活动探究信息激励距离对产品设计思维的影响木袁萍 熊艳 李彦 刘龙繁 李梦蝶(四川大学制造科学与工程学院成都610065)摘要：研究基于知识联系对产品设计的重要性，将设计思维理解为一种核心是建立知识联系的信息处理机制，认为激励信息和设计问题协同作用产生想法，且二者的领域距离是影响知识联系的关键因素之。由此将激励信息划分为领域内、近领域和远领域三种抽象层次，进行以自行车设计为设计任务的脑电(E

2、lectroencephalogram，EEG)实验，采集并处理1个自由设计任务和3个信息激励设计任务中8名被试认知活动数据及EEGa波(包括高波和低波)数据。认知活动数据分析证实了想法产生的思维过程以知识联系为核心。以经典多用途(Alternative uses，A任务实验作为大脑活动分析的参考，EEGa波活动数据的方差分析表明，在自由设计任务和Au任务中，设计者的a高、低波同步性没有显著性差异；同时，在信息激励任务中a高、低波同步性高于自由设计任务，说明设计者在信息激励任务中表现出更专注的设计认知过程；任务、脑区等因素的多重比较则显示信息激励距离和大脑活动水平存在一定关系。关键词：设计思维

3、；知识联系；信息激励：认知活动；Q波活动中图分类号：THl22An Exploration into the Influence of Stimulation Distance of StimulusInformation on Design Thinking based on EEG Alpha ActivityYUAN Ping XIONG Yan LI Yan LIU Longfan LI Mengdie(School of Manufacturing Science&Engineering，Sichuan University,Chengdu 6 1 0065)Abstract：Bas

4、ed on the importance of knowledge connection to product design，design thinking is regarded as an informationprocessing mechanism whose core is establishing knowledge connection，and stimulus information and design problems are believedto be able to effect synergistically in idea generationMore import

5、antly,one of the key factors that influences knowledge connectioniS the knowledge domain distance between stimulus information and design problemsBased on that，stimulus information iS dividedinto three levels of abstraction，intradomain，close inter-domainandfar inter-domain，and Electroencephalogram(E

6、EG)experiment about bicycle designing task is conductedThe cognitive activity data and EEG alpha band(10wer alpha band and upperalpha band)data of eight subjects in one free design task and three information stimulating design tasks are collected and processedIt is proved by the analysis of cognitiv

7、e activity data that knowledge connection acts as the core in the thinking process of ideagenerationWith Alternative Uses test as a reference，the analysis of variance(ANOVA)of EEG alpha band data shows the results asfollows：in free design task and AU test alpha(upperlower band)synchronizations of su

8、bjects show no significant differences；instimulus information tasks subjects show stronger alpha(upperlower band)synchronization than in free design task，which meansthat subjects show more focused on the cognitive process in stimulus information tasks than in free design task；the multiplecomparisons

9、 of tasks，brain areas and other factors are observed to prove that the stimulation distance of stimulus information hascertain connections with the levels ofbrain activationKey words：design thinking；knowledge connection；information stimulation；cognitive activity；alpha activity0前言设计是一个典型的解决定义不良问题国家自然

10、科学基金(51435011，51205262)和高等学校博士学科点专项科研基金(201301811300111资助项目。20161102收到初稿，20170215收到修改稿(illdefined problem)的认知过程J，在该过程中，设计者不断接受外界与设计任务有关的信息刺激，结合记忆系统中已有的知识经验，进行认知处理，产生想法。已有研究表明，创意想法的生成主要来自于认知激励【2J，激励能够唤醒处于潜意识中的某些关键设计信息，这些信息一旦与当前设计任务产生联系，就有可能产生意想不到的设计方案。万方数据2017年8月 袁萍等：基于EEGa波活动探究信息激励距离对产品设计思维的影响 41研究人

11、员基于设计情景【j1中激励信息对设计想法生成存在的影响进行了一系列研究，如LIIKKANEN等141研究了上下文线索和口语刺激对设计想法的产生的影响，发现文本和线索上的操作影响了想法的组限频次；CHENG等p1提出一种在设计过程中呈现产品部分照片的方法刺激设计者，通过实验证明该方法能让设计者关注产品的细节，并更为积极地评估他们的设计方案。此类研究通过分析设计进程中设计者意图随激励信息涉入而产生的各种变化，发掘设计中设计思维认知通道被扩充的内在机理。尽管认知激励能够激发创造力，但由于激励信息与设计问题可能属于不同的知识领域，使二者存在一定的激励距离，这势必会导致激励效果存在一定的区别。MEDNI

12、CK等L6-71认为与问题领域直接关联的激励信息不太可能产生原创性想法，反而是远距离的联系更容易产生原创性的想法；ACAR等峭1认为激励信息与所获得想法之间存在思想上的“跳跃”，但跳跃间的距离应该远到足够创新，近到足够识别它们的关联；PLUCKER等p1指出追踪创新问题解的过程中必须平衡知识的领域普遍性和特殊性，普遍性知识可能会限制创意概念的产生；同样地，ZAHNER掣1u1认为具有一定抽象层次的激励信息能够帮助思维发散。已有研究往往从认知心理学的角度进行研究，较少从神经科学的角度对实验结果进行实证验证。随着认知神经科学的发展，神经影像技术，如脑电图(Electroencephalogram，

13、EEG)和功能磁共振成像(Functional magneticresonance imaging，fM)，提供了学者和研究人员观测大脑活动的平台，在神经关联的思维研究中取得了有价值的见解，特别是在发散思维方面，证明了EEGa波活动对创意相关的任务需求相当敏感【l卜bJ。当前对于思维的研究倾向于简单的实验任务或语言材料刺激，对复杂任务或专业群体、专业领域(如设计领域)的“真实”任务的研究较少。另一方面，目前已有研究多将信息激励当作一个独立的方向进行研究，缺乏对信息激励与设计思维之间内在联系的明确表述。设计是一个创新的过程，近年来，跨领域或跨学科的知识联系之于创新的关键作用被广泛关注Il 6J，

14、并有研究认为这种联系能力是创新者的一种核心认知技能。因此，本文将设计思维理解为一种核心是建立知识联系的信息处理机制，并认为激励信息和设计问题协同作用产生设计想法，激励信息一定程度上代表了与设计问题产生联系的知识，且激励距离是影响知识联系的关键因素之一。将激励信息分为了领域内、近领域和远领域三个抽象层次，并对应三种信息激励距离。在此基础上采用“自行车设计”实验任务，针对三种不同信息激励距离进行任务设计，并以自由设计任务作为对比，以EEG经典创造力测量任务多用途任务(Alternative Uses，AU)为参考，分析8名具有一定设计研究背景的研究生在设计任务中认知活动及EEGa高波、低波活动在左

15、、右脑半球和各脑区的表现。通过分析认知活动数据，验证想法的产生过程以知识联系为核心。通过EEGa波数据的方差分析，对比自由设计任务和信息激励任务在脑活动层面的差异，用脑电数据探索性的解释信息激励距离对设计思维的影响。本研究可为设计激励工具的深层次研究提供一定的理论基础，并加深对设计思维发生机制的进一步理解。同时基于神经影像技术的设计实验探索是设计认知科学研究的新方向，希望本文能为未来该方向的研究提供一定的参考。1 基于知识联系的设计思维信息处理机制创新者的思维与众不同，他们之所以能“非同凡想”，是因为能够把尚未联系起来的事物联系起来引，比如设计者通过识别生物学和工程学的潜在相似来获得到启发，并

16、产生诸如仿生设计之类的想法。设计者拥有的知识和经验在设计实践过程中占据至关重要的地位，有相同背景的人面对相同的刺激情景会有类似的灵感反应。究其原因主要是因为头脑中的知识经验已经被编码成相应的知识节点，并按照一定的关联规则彼此连接，形成了关联网络圳，越是背景相同，关联模式就越是相似。思考设计任务的过程，实际上就是在关联网络中不断搜索与设计问题相关联(如存在相似，相对，依赖，接近，因果等联系)的事物(知识节点)的过程，直到某一事物(知识节点)与设计问题的联系能够成功促使设计者产生解决方案。头脑风暴法以及类比推理法就是利用这种思维模式促使设计者产生想法。根据认知科学的信息加工观点将设计思维理解为一种

17、核心是建立知识联系的信息处理机制，如图l所示。其中，外部环境是指设计任务信息、激励信息、已有产品和自然或社会现象或事物等构成的当前设计情景。记忆系统包括感知系统，负责利用各感觉器官短暂的接受和存储来自外部环境中信息，并对这些信息进行筛选：工作记忆，存储和加工感知系统筛选过的外部环境信息和长时记忆中被唤醒或调用的设计知识经验，是设计想法产生的地方；长时记忆，存储着大量的包括产品设计在内的知识经验。从提供设计任务到设计方案产生的大脑万方数据42 机械工程学报 第53卷第15期内部思维活动可具体表述为：任务信息进入感知系统，经感知系统筛选，部分进入工作记忆并被加工成相应的设计问题(如问题1)，然后由

18、于问题刺激，唤醒长时记忆中与之相关联的知识节点(如第1阶段知识节点)，当这些知识节点与设计问题的联系不能成功转换成设计想法时，长时记忆中的其他知识节点或者与前一阶段知识节点连接的其他知识节点会被继续唤醒，直到联系(如联系1)能够成功转换成设计想法，并被外显输出。外部环境记忆系统訇1 基于知识联系的设计思维信息处理机带人脑将知识或经验按照自身的理解转换成某种表征形态(如视觉表征)存储于记忆中，当环境刺激引起注意时，实际上是唤醒了大脑中对应于当前刺激的知识表征形态，并在需要时进一步调用所表征的相关知识。因而在提供图片、文字等激励信息的设计任务中，经感知系统筛选后，进入工作记忆的部分激励信息被识别，

19、唤醒长时记忆中对应于该激励信息的知识视觉表征，当需要解决当前设计问题(如问题2)时，该表征形态所表征的知识被进一步调用，从而建立其中某些知识节点与设计问题的联系(如联系2)，并形成想法外显输出。因此，设计问题和激励信息协同作用于记忆系统，且在某种情况下会加速建立联系的过程，激励信息在一定程度上代表了与设计问题建立联系的知识节点，也就是关联知识。提供激励信息让设计者迅速联想到设计过程中可能被忽略的关联知识，这些知识之所以被忽略，其主要原因之一是设计问题和关联知识所属两个领域之间距离的限制。距离越远，设计者越不易主动搜索二者之间的联系，从而导致思维发散性不足，难以产生创意想法。因此，有必要针对二者

20、的领域距离对设计思维产生的影响进行研究。由于激励信息能够直接唤醒记忆中与之对应的关联知识，因此认为对设计问题和关联知识的领域距离的研究就是对信息激励距离的研究。设计单元口叫被认为是一类产品设计知识的表征，由功能、原理、结构和用户期望四类知识组成。其中，功能是指产品的主要功能；原理是指实现主要功能的物理、化学或生物效应的原理；结构是指实现原理的载体；用户期望是指被设计产品所具有的主要优点。每一个产品都可以分解成四类知识中的若干知识节点，这些知识节点与设计问题之间的相关、相似、因果、依赖等联系是使设计者产生设计想法的基础。将一类产品看作是一个产品知识领域，那么相对于某类产品的设计任务，可将激励信息

21、分为：领域内信息：与设计任务属于同一设计单元的信息，如本文提供的激励信息“可折叠弯曲成锁的自行车”与设计任务“自行车”都属于自行车类产品，尽管前者具有“可折叠成锁”的功能(这导致了相应的其他三类知识节点相对于一般自行车有所变化)，但它们的主要功能(驱动、导向等)，原理(齿轮传动、杠杆原理等)，结构(链带轮、把手等)和用户期望(省力等)知识节点相同，因此该激励信息属于领域内信息；近领域信息：与设计任务不属同一设计单元的信息，但是它与设计任务的某些知识节点相同或相似，如本文激励信息“婴儿车”不属于自行车类产品，但它们有相似的导向功能和相同的省力期望等知识节点，因此属于近领域信息；远领域信息：与设计

22、任务既不属同一设计单元，在知识节点上也没有相似性，如本文提供的“智能手机”激励信息，它不属于自行车类产品，而且在主要功能、原理、结构和用户期望知识节点上与自行车完全不同，因此属于远领域信息。为了验证信息激励及激励距离对设计者思维的影响，本研究进行了设计任务的EEG对比实验，将激励信息划分为三种领域抽象层次，分别就不同抽象层次的激励信息对设计过程和结果的影响进行研究，分析想法产生过程的回顾性口语数据，并对比EEG0【波活动在不同信息激励距离任务中的表现。本文后面章节将会对实验流程、任务设计、数据采集及分析以及实验结果等进行阐述。2基于设计思维信息处理机制的信息激励任务EEG实验21实验及任务设计

23、本文研究了10名被试在不同信息激励距离的设计任务中的EEGa波活动，被试均是来自于创新设计与创新方法四川省重点实验室的研究生(平均年龄241岁，男性)，对创新设计有一定理论研究和实践经验，因此将所有被试看作是受过创新设计培训的专业群体。尽管在实验测试阶段考虑到针对万方数据2017年8月 袁萍等：基于EEGa波活动探究信息激励距离对产品设计思维的影响43各实验水平设计多个同类型实验进行重复测量，但发现实验时间过长会引发疲劳、焦虑等症状，因此本研究设计了一组实验，包括一个Au任务，1个自由设计任务和3个提供激励信息的设计任务。(1)AU任务：分别提供“杯子，砖头，剪刀和螺钉”四组文字提示，每给出一

24、种提示，要求被试尽可能思考该物品的特殊用途；AU任务实验是目前EEG研究中的较为成熟的实验，能对创造力进行良好测量，可作为对照实验验证设计任务实验的有效性211。(2)自由设计任务：一款自行车的设计，自由联想，不提供任何刺激材料或其他要求；自由设计任务的主要目的是与信息激励任务进行对比。自由设计任务定义为F0。(3)信息激励任务：一款自行车的设计，根据领域信息，近领域信息和远领域信息的定义，设计了三个不同领域抽象层次的激励信息所对应的设计任务：领域内激励、近领域激励及远领域激励任务。每个设计任务提供一幅现有产品的图片刺激材料(如图2所示)，分别是可以将车弯曲成车锁的自行车，婴儿车以及智能手机。

25、设计任务强调并要求被试“通过图片中展示的产品，思考并产生新的设计想法或改进之前的设计”，但不能是“所提供产品与自行车在形式上的直接组合”。三个信息激励设计任务分别定义为领域内激励任务(P1)，近领域激励任务(P2)和远领域激励任务(P3)。訇2领域内刺激材料、近领域刺激材料及远领域刺激材料在给被试展示一份完整的任务说明(任务演示、作答模式等)之后，开始进行实验。本文五个实验任务循环进行，根据EEG实验的基本步骤，每个循环包括四个步骤，如图3所示。参考阶段，给被试呈现20 S的交叉十字，此阶段脑电波作为设计任务实验中数据分析的基准。进入任务阶段，首先被试呈现10 S的题干设计任务信息，如Au实验

26、中的题干信息“请思考下列物品的特殊用途”；之后进入想法产生阶段，被试通过呈现刺激的图片或文字，如AU实验中的“杯子”，近领域激励任务(P2)中的“婴儿车”，对题干中的问题进行无声思考，被试产生想法后点击鼠标进入回顾阶段；在回顾阶段，被试对自己的想法进行口语阐述，也就是回顾想法产生过程，完成之后进入下一个循环。其中，自由设计任务(F0)中不提供激励物。整个实验过程主要对被试在想法产生阶段的EEG数据进行记录和分析，同时辅以回顾阶段的回顾性口语分析想法产生过程。 口I圆圆l回1口参考 展示 I想法产生I 回顾 参考(20s) (10s) f(20s)刺激皇现 下一个试验图3实验步骤设计数据采集采用

27、BrainProductTM actiChamp一32设备，采样频率50 kHz，阻抗20 kQ，通过33个电极记录脑电波，电极位置符合国际lO一20一system标准。如图4为电极位置分布图和实验现场图。22数据处理EEG信号通过BrainVision Recorder和BrainVision Analyzer21软件(BrainProduct Inc)进行记录与处理。EEG的Power值通过计算不同频率波段的功率谱密度(Power spectral density，PSD)来体现。为了剔除被试移动等产生的高频肌电信号和眨眼引起的眼电信号等，原始数据首先需要进行滤波处理，滤波范围为0140

28、Hz；再利用主成分分析法(Principal component analysis，PCA)去除眼电信号；处理过后的数据利用傅立叶变换进行功能频谱分析，计算a波段的PSD。实验参考阶段获取参考power值，实验任务获得的power值实际上是激活power值。各电极位的最终power值由相应的激活power值减去参考power值获得。当最终power值为正值时，表示相对于参考power值，0【波激活power值在增加，增加的部分(即最终power值)称为0【波的同步性；反之称为0【波的异步性。已有神经科学实验研究表明，脑电a波(812Hz)分为低波段(810 Hz)和高波段(1012 Hz)，其

29、中低波段主要反映大脑的注意力过程厶HJ，如基本的警觉性或者兴奋；而高波段主要反映与特定任务需求和刺激相关的认知过程瞄川。本研究对n波进行了分波段的处理，以对实验结果的可靠性进行相互验证。万方数据机械工程学报 第53卷第15期为了任务相关的if,波power值的后续分析，基于电极位置的分布，将电极位置进行汇总如下：左前额区域(Frontal，F)(Fpl，FC9，F3，F7)，右前额区域(Fp2，FCl0，F4，F8)，左前额中部区域(Frontocentral，FC)(FCl，FC5)，右前额中部区域(FC2，FC6)，左中央颞区(Centrotemporal，CT)(C3，T7)，右中央颞区

30、(C4，T8)，左中央顶区(Centroparietal，CP)(CPl，CP5)，右中央项区(CP2，CP6)，左顶颞(Parietotemporal，PT)(P3，P7)，右顶颞(P4，P8)，左顶枕(Parietooccipital，O)(01)，右顶枕(02)。各区域power值是该区域内各电位power值的均值。中线上的电极(Fz，Cz，Pz，Ozl，Gnd地线电极(Fpz)及耳后参考电极(TP9，TPl0)不进行分析，目的是对潜在的半球差异进行分析。3实验数据初步分析实验过程有2名被试电极松动导致阻抗过大，导致实验数据无效，因此有效数据样本是8个。由于本研究主要考虑设计任务对大脑c

31、【波活动的影响，因此没有对单个想法的新颖性、实用性以及产生过程的EEG数据进行研究。31设计想法及口语数据分析表1对被试各试验任务中产生的想法进行了汇总，并展示了部分回顾性口语数据。由表1可知，每个设计任务中都存在类似或相同的想法，可以看出设计者背景相同会在大脑中产生相似的知识关联模式。口语数据也表明，设计想法的产生过程，是一个在知识间寻找联系的过程。8个被试在任务F0、Pl、P2和P3中所产生的想法总数目各为8，8，10，13个，其中自由设计任务(F0)中，8个被试只产生了4个新想法，其余4个想法是在重复绘制现有产品。实验数据初步表明，激励信息会激发设计者产生比自由设计任务(F0)中更多的新

32、颖想法，且伴随着激励距离的增加，数目越多。32 EEG数据分析本研究运用IBM公司的社会科学统计软件包(Statistical Package for Social Science，SPSS)软件分别对所得被试变量的不同波段(高波和Q低波)在任务(AU任务、1个自由设计任务和3个信息激励设计任务)，脑半球(左半球和右半球)，大脑区域(前额，前额中部，中央颞区，中央顶区，顶颞及顶枕)进行了随机区组设计的重复测量方差分析(Analysisofvariance，ANOVA)，以测试波同步性或异步性在不同任务中的潜在差异性表现。为了防止球面假设的干扰，通过GreenhouseGeisser程序对自由度

33、表1 基于回顾性口语数据分析设计任务中产生的设计想法任务 设计想法 部分草图无新想法，绘制现有产品(4) 辱 蓦琶雾淼纛臌加妫以安全性为原则添加路况预知装 。 一置，防淤泥装置等(1) n FO詈鬻黧姜茎孑数1淞改进刹车控制装置(1) 。 kU针对想法的口语：“我觉得有时候晚上骑行不是很安全，特别是野外的坑洼路段所以可以给自行车加上一个装置，提前知道路况像汽车的前大灯我觉得就挺好的，可以借鉴，灯光一定要亮”产品实现整体折叠(如折叠后只有车轮大小)(3)部分折叠(如自行车后半部分往前折叠)(2)专注折叠形式的实现(如折叠机构是高自由度连杆机构，或可嵌套进的柔性结构，从而实现锁车功能)(2)两轮自

34、行车变一轮自行车(1)针对想法的口语：“看到提供的材料是一个折叠自行车，但是只折叠了一部分，所以我就想将自行车所有机构全部进行折叠，最后变成只有车轮大小的便携结构”添加可折叠收纳的遮阳遮雨装置(5)添加辅助轮或助推把手，方便自行车出故障时移动(2)用身体的倾斜控制自行车转弯(1)座位后方添加带轮的且可折叠收纳的置物架(1)改进停车时的支架结构(1)针对想法的口语：“通过这个婴儿车我能想到的是给自行车添加一个置物架之类的东西，也有轮子那种，比如我们远距离骑游的时候可以用可以放很多东西，而且是可以折叠，不用时也可以取下来，一定要拆装方便”景嚣黑翥羹戮署添肛古加传感器，自动采集运动数据(7) U 1

35、廖5添加摄像头及其他娱乐功能(2) 班用手机软件控制行进方lh，取代手 扶把手(1)P3 自行车尺寸可扩展，重量更低，材料更新型(2)可通过骑行供电，变电动车(1)针对想法的口语：“手机的GPS功能还让我想到了汽车的自动驾驶，所以我觉得可以用手机软件代替车把控制自行车行车方向，或者可以直接取代车把”注：括号里的数字表不产生该想法的被试人数。进行纠正。两两范围检验和多重比较检验的显著性水平(P)为系统默认值005。如图5是对样本数据平均处理后的a高波活动图。对设计任务的重复测量方差分析表明，任务对a高波活动有显著性影响(F(2492，17444)=234994，P005)，最后是自由设计任务(F

36、0)和AU(一-者没有显著性差异，P005)。同时，任务和半球的交互作用对n高波活动存在显著性影响(任务幸半球：F(2492，17444)=4648，P005，没有显著性差异，见表2)，信息激励任务(P1，P2，P3)具有更强的0【低波同步性(P3最强，P2次之，P1最低)(任务：F(2637，1 8459)=2261 32，P00 l，r2=0729)。远领域激励任务(P3)的Ct低波同步性从前额(F)至项枕(o)it!步上升，而其他任务中右半球顶颞(PT)区域突然降低，且自由设计和AU任务中左右半球在中央顶区(CP)和顶颞(PT)区域连续减弱(任务木区域：F(13183，92281)=44

37、26，P00l，2=0209)。表2 Bonferroni任务多重比较分析I J 高波 低波务霎务鬈P值 (IJ) 错误8 焉鬟P值F0 0008 0009 1000 -0018 0007 0076Pl -00890012 0 -0169+ O012 0AUP2 0108+ O015 0 -0228+0014 0P3 0293+00lO O -0_313+ 0012 OAU 一0008 0009 1000 O018 0007 0076Pl -0097+0008 0 一O15l+ O015 0FOP2 -0117+0008 0 -0210+0013 0P3 030l+ O012 0 -0294+

38、001l OAU 0089*0012 0 O169*0012 0F0 0097*0008 0 O15l+0015 0P1P2 0020 0008 0236 -00590012 0P3 一O20400 0014 0 -0144+0017 0AU 01080015 0 0228*0014 0FO 0117+ O008 0 O2lO+0013 OP2Pl 0020 0008 0236 0059*0012 0P3 一O1850015 0 -0085*0011 0AU 02930010 0 0313+ O012 0F0 O301 O012 0 0294*001l 0P3P1 0204*0014 0 01

39、440017 0P2 O185*0015 O 0085*0011 O注：表示具有显著性差异，P005。 。少蓬一睡李岛皇景磅寥雌美兰拳害型F FC CT CP PT o脑区一一一LAU一o-L-F0D-一LP l一o一-LP2-2-LP3rRAU一RFO一RPl-一RP2-一RP3图6左(L)、右半球(R)各脑区q低波在不同任务中的变化4讨论本文研究了具有一定创新设计背景的被试在自由设计任务和提供激励信息的设计任务中产生设计想法时的认知活动和EEGa波活动，被试要求在提供指定条件下尽可能产生原创性的设计想法。同时测量了被试在AU任务中表现的大脑活动，确保与已有研究的可比性。65432OO00O

40、OO遥b；oL万方数据机械工程学报 第53卷第15期结合回顾性口语数据和EEGa波活动数据分析，本研究从两个方面进行讨论。(1)设计思维以知识联系为核心，激励信息和设计问题协同作用产生设计想法。回顾性口语数据分析表明，自由设计任务(F0)中，设计者会先提出一个较为明确的设计问题，然后搜索与之关联的事物，经刺激后产生想法，解决设计问题。如有被试提出“晚上骑行能预知颠簸坑洼路段”的问题，联系汽车前照灯的作用，提出添加高流明的自行车灯解决设计问题，这是功能上的相似联系。信息激励任务容易激发设计者产生意想不到的联系，从而形成比较有创意的想法：领域内激励任务(P1)中，激励信息能让设计者注意到之前在设计

41、单元内思考时所忽略的知识节点，唤醒该节点并与设计问题构建联系，然后产生想法并输出。例如，有被试利用与刺激材料中产品在原理上的相似性，想到“将自行车所有机构全部进行折叠，最后变成只有车轮大小的便携结构”。近领域激励(P2)任务中，激励信息和设计任务在一些知识节点上的相同或相似性会激发设计者思考其他知识节点与设计问题的潜在联系，从而产生设计想法并输出。如婴儿车与自行车在期望知识节点上可以互补(如省力的同时装载更多)，因此被试认为可以在自行车上添加一个“可折叠收纳的骑游时用的置物架”。远领域激励任务(P3)中，各类知识节点均不同，被试可以自由搭建知识联系，形成创意想法。例如被试通过手机GPS想到汽车

42、自动驾驶功能，再找出自行车和汽车之间作为交通工具的相似性，建立功能上的依赖关系，提出了一个“让软件代替车把控制行车方向”的想法。不论是自由设计任务还是提供激励信息的设计任务，想法的产生都伴随着知识联系的过程，并且面对同样的激励信息，设计者会构建类似或相同的联系，产生同样的想法。激励信息加速了相应关联知识与设计问题的联系，并在一定程度上防止了思维的固化，产生了更多的新颖想法。(2)激励信息促使设计者主动思考信息背后与设计问题相联系的关联知识，激励距离会影响设计者对任务的关注度以及与特定任务需求和刺激相关的认知过程，且激励距离越远设计者越有可能更专注于设计认知过程。AU任务实验是创造力测量的经典实

43、验，能够观察设计者在有一定创意需求的任务中的大脑活动。对比自由设计任务fro)和Au任务，设计者在a高、低波同步性上没有显著性差异。说明自由设计任务一定程度上能够引起设计者的关注，并进行任务需求相关的认知过程。EEGa高、低波的多重分析表明，具有不同激励距离的设计任务中，设计者表现出比自由设计任务frO)更高的a高、低波同步性，并在Ct低波上具有显著性差异：信息激励距离越远，0【低波越活跃。(1t低波同步性的增强说明领域激励信息越远，设计者对任务的关注度增强。然而结合0【高波同步性的任务多重分析可以发现，关注度与特定的任务需求及刺激相关的认知过程并不是正相关关系：领域内激励任务(P1)和近领域

44、激励任务(P2)et高波同步性没有显著性差异，但远领域激励任务(P3)表现出了明显高于其他两个信息激励任务的0【高波同步性。高、低波同步性的差异说明，信息激励距离能够影响设计者c【波的活跃度，且设计者在远领域信息激励下，呈现更专注的认知过程。EEGa波活动与任务的创意需求有关，相对于自由设计任务，信息激励任务可能具备更高创意需求，导致了0【波同步性皆高于自由设计任务。各任务中c【波活动差异有可能是由于想法数量不同造成，但也有研究认为，脑后区的(It波同步性与定性的信息加工有关，而不仅仅由想法数量决定【2。这一问题在后续工作中会进一步探讨。就大脑半球和区域0【高、低波同步性变化所对应的激励信息对

45、设计思维神经层面的影响(任务木半球、区域、任务木区域等分别对c【高、低波同步性具有显著性影响)，结合已有研究，得出以下结论。(1)从自由设计任务(F0)至远领域激励任务(P3)，0【低波同步性在前额区域(F)是逐渐上升的，说明随着信息激励距离越远，设计者对任务的认知逐渐增强；(2)从自由设计任务至远领域激励任务，左半球c【高、低波同步性在各区域表现出相似的上升趋势，但右半球cc高波同步性在远领域激励任务中强于左半球，同时右半球0【低波同步性在远领域激励任务中与左半球十分接近，这与它们在其他任务中的半球表现存在明显差异，这种差异性主要与大脑后区(CP，PT，O)的Q高、低波同步性表现有关。由于已

46、有研究认为刺激条件对右半球大脑后区(CP，PT，O)a波同步性影响最强6。，因此再次证明远领域信息激励对设计者的思维活动影响最大(任务木半球、任务区域对。【高波活动具有显著性影响)。5结论与展望设计想法的产生过程实际上就是不断联想，建万方数据2017年8月 袁萍等：基于EEGa波活动探究信息激励距离对产品设计思维的影响 47立联系的过程。设计问题与与之建立联系的事物二者所在知识领域的距离远近，对设计思维有非常重要的影响。该影响在信息激励任务中，主要表现为设计者对设计任务的关注度与特定任务需求和刺激相关的认知过程上的差别。研究结果表明，信息激励距离越远越能引起设计者的关注，远领域激励任务在关注度

47、和认知过程上始终表现出了较大优势，但关注度与特定的任务需求及刺激相关的认知过程并不是正相关关系，领域内激励任务和近领域激励任务中设计者在大脑高波活动水平上几乎保持了一致。并且相对于自由设计任务，信息激励任务可能具备更高的创意需求，导致大脑活动水平皆高于自由设计任务。本文通过研究信息激励对设计思维的影响，为设计激励工具的研究提供了一定的参考，并有助于进一步理解设计思维的内在信息运行机制和神经机制。本文针对真实设计任务进行EEG实验，初步探索了信息激励条件下想法产生过程的大脑活动，尽管取得了一定的成果，但依然存在一定的局限性，比如没有检验激励信息在单独呈现时与设计任务中呈现时大脑激活水平的差异；虽

48、然通过方差分析验证了当前样本量的可靠性，但就激励信息(图片)的内容、复杂度等要素，没有针对各实验水平进行重复测量，缺乏相应的实验设计，这可能会影响所讨论的实验结果的信度，在未来研究中需要考虑增加重复测量实验，以避免这方面的局限性，进行较为全面的分析。同时需要对信息激励距离进行更适合创新设计任务的定义和细分，以提出合适的设计思维激励工具，辅助创新设计理论研究。参考文献【1】CROSS NDesignerly ways of knowingDLondon：Springer，20062】BONO ESerious creativity：Using the power of lateralthinking to create new ideasD】London：HarperCollinsPublishers。l 9923】GOLDSCHMIDT G Ubiquitous serendipity：Potentialvisual design stimuli are everywhereCStudying visualand spatial reasoning for design creativityDordrecht：Springer Netherlands，2015：205-214【4LIIKKANEN L A，PERTTULA M KContextual cueinga