技术创新概念大全11篇

技术创新概念篇（1）

1.2概念设计的内涵众所周知,产品设计是一项非常复杂的工作,就其具体的过程而言,虽然国际上有诸多论述,众说纷纭,但是无论是哪一种说法,得出的总结就是产品设计涉及到两个重要的设计阶段,也就是概念设计与详细设计。而概念设计的内涵主要包括这样几个方面:首先,功能创新;其次,功能分析和功能结构图设计;再者,工作原理解的搜索和确定;最后,功能载体方案构思和决策。因此,概念设计在产品设计的整个过程中占据着重要地位,发挥着不可替代的作用,如果概念设计做好了,产品设计的整体水平才能达到一定的高度。此外,机电系统的概念设计运用到多个学科范畴的知识,其体现了设计的高度艺术性、创新性,以及综合性。

2机电系统概念设计技术的应用特点

2.1创新性我国一直致力于建设创新型国家,培养创新型高新技术人才,对于“创新”一词的高度重视是当今社会的必然要求,而对于机电系统概念设计技术而言,创新性更是机电系统概念设计技术的精髓和灵魂,如果要适应时展的要求,满足用户对机电产品的日益增长的要求,就要很好地体现机电系统概念设计技术的创新性特点,只有不断地对机电系统进行创新的概念设计,才能够打造出能够让机电产品的用户感到满意并且适用的新产品。因为机电系统本身就是一个相对比较繁杂的综合性系统,所以,机电系统概念设计技术上所体现出来的创新可以是不同层面的,比如,机电系统的结构的完善和更换等等。无论是哪个方面的创新,都直接对机电系统的整体的创新有很大的影响。因此,机电系统概念设计技术的创新性特点是不可忽视的。

2.2多样性除了创新性的特点以外,机电系统概念设计的另一个比较重要的特点就是它所体现出来的多样性。无论是机电系统概念设计的手段的多种多样,还是机电系统概念设计的设计方案的丰富多样,都在一定程度上反映了机电系统概念设计在市场需求、工作原理,以及产品形态等多个方面的多样化。不但布局不同会体现多样化,而且设计思路不同也会加强多样化的显现。

技术创新概念篇（2）

在金融危机袭卷全球，“自主创新、建设创新型国家”的热潮在全国上下奔涌之时，由于相关的理论研究和政策文件对“自主创新”缺少本源意义上的完整表述，导致对这一概念的诠注与解读至今仍然处在“盲人摸象”、“各取所需”的状态。为了形成对此问题讨论的共同平台与基础，避免学术争论与政策研究中出现“鸡同鸭讲、各唱各调”的混乱现象，更好的推动“自主创新”国家战略的贯彻与实施，笔者认为有必要对“自主创新”这一概念的背景、内涵及外延进行重新讨论和界定。

一、“自主创新”的相关概念：创新、技术创新与国家创新体系

正确的理解“自主创新”，首先需要明确与之相关的三个概念，即“创新(Innovation)”、“技术创新(technology Innovation)”和“国家创新体系(National Innovation System、简称NIS)”。

“创新”一词源于古拉丁语“Innovore”(即“更新，创造新的东西或改变”)。1912年，美籍奥地利经济学家约瑟夫・熊彼特(J.A.Schumpeter，1883～1950)在其著名的《经济发展理论》一书中，首次赋予了“创新”以现代意义上的经济学内涵：即“创新”是指生产函数或者供给函数的变化，是生产要素和生产条件的“新的组合”，是企业家最重要的职能和经济发展与变革的内在驱动力。熊彼特还曾反复强调：“创新”可以基于“发明”或“试验”，但只要“发明”或“试验”“还没有得到实际上的应用，那么在经济上就是不起作用的。”创新“根本不一定必然是任何一种的发明，”如果将创新等同于发明和实验，不仅“是不适当的，并且还可能引起莫大的误解”。

熊彼特之后的“创新”研究，形成了两条相对独立的研究路线：一个是以曼斯菲尔德(EdwinMansfield)、卡米恩(Modon.I.Kanmlen)、施瓦茨(Nancy.L.Schwartz)、门斯(G.Mensch)和斯通曼(P.Stoneman)等为代表的，以技术创新和技术扩散为主体研究内容的“技术创新经济学”，另一个是以戴维斯(Lance.EDavis)、诺思(Douglass.C.North)和拉坦(V.W.Ruttan)等为代表的以组织创新和制度创新为主体研究内容的“制度创新经济学”。2004年，在《加强发展中国家的创新：一个概念性框架》一文中，世界银行知识与发展部研究员奥博特(Jean.EricAubert)综合了上述二派学者的观点，明确的指出：“创新”这一概念不仅包括“技术创新”，即新技术产品或服务在经济领域的扩散；相应地，“创新”还包括“非技术形态的创新”，如“组织创新”。奥博特还对“技术创新”的全球化背景给予了特殊的重视和关注。他认为，“技术创新”在全球化的视角下可以有三种不同的形式：一是“技术采用”，即创新的方式是针对全球或地方的技术改进及采用；二是“技术改进”，即创新的方式是在对现有技术进行调整的基础上参与竞争；三是“技术创造”，即创新的方式是在全球的意义上进行技术的设计和生产。

“国家创新体系”是二十世纪八十年代产生的一个新概念。1985年，丹麦学者郎德沃尔(Bent-AkeLundvall)在《产品创新：用户――生产者之间的相互作用》一书中，融合了德国经济学家李斯特的“国民经济体系”和熊彼特的创新思想，首次提出了关于“国家创新体系”的概念。随后，费里曼(C.Freeman，1987，1988)、艾德奎斯特(C.Edquist,1988)、郎德沃尔(1992)、麦凯尔维(M，McKelvy,1991)、纳尔逊(RlNelson.1993)、帕特尔和帕维特(Patel&Pavitt，1994)、波特(M.Porter，1995)等人分别从各自的研究领域进一步拓展和丰富了“国家创新体系”的概念。与学者们的研究相呼应，1994年，经济合作与发展组织(OECD)在其成员国内启动和开展了长达数十年的“国家创新体系项目”的研究，出版了大量的工作论文和国别以及综合性分析报告，使国家创新体系的概念进一步从理论研究走向政策实践。此后，世界银行(WB)、联合国贸易与发展会议(UNCTAD)、欧盟(UN)等国际组织在也都相继采用了“国家创新体系”的概念。

尽管由于“国家创新体系”本身的复杂性及国别特征(Nation-spe-cific Factors)，因而其至今尚未有明确和统一的定义，但我们仍然可以将其内涵大体归纳为以下几个主要方面：

(1)国家创新体系是由政府、企业、大学、研究院所、中介机构等为了一系列共同的社会和经济目标，通过建设性地相互作用而构成的复杂机构网络。其主要目标是启发、引进、发行与扩散新技术，创新是这个系统变化和发展的根本动力。

(2)国家创新体系的效率，取决于技术的生产者、传播者、使用者和政府机构之间的功能定位是否恰当，各主体之间的联系是否广泛与密切。因此，国家创新体系是一种有关科学技术植入经济增长过程之中的制度安排，其目标是形成科学技术知识在整个社会范围内循环流转和应用的良性机制。

(3)任何一个国家的创新体系都是政府产业政策、科技政策，教育与培训，资源禀赋，制度框架，历史文化和地理环境等“国家专有因素(Nation-specific Factors)”的内生结果，是经过长期的历史积淀形成的，因而具有独特性和路径依赖性。这些特点及路径依赖将直接影响、制约着国家创新资源整合的方式、产生着国家创新资源整合中的特殊问题。国家不同，国家创新体系的结构与特点也各不相同，因而不存在国家创新体系的最优模式。任何国家的经验，对其它国家只有借鉴意义，而无法直接照搬。

(4)国家创新体系在传统上仅由国内参与者构成，但是，随着全球化，特别是研发活动的全球化，开辟了一个可以进行资源流动和学习的新渠道，国家创新体系的界限、构成以及主要参与者的互动作用发生了变化。在一个更大、更复杂的跨国家关系中分析创新过程，越来越成为世界各国保持国家竞争力和经济持续增长的核心。

上述由“创新”到“国家创新体系”概念的演进，标志着人们对“创新”的行为、过程及其在经济发展中的作用和认识已经发生了质

的变化。“创新”不再是一个简单的从新思想的产生到科研机构的开发、中试，再由生产部门生产、营销部门营销的线性过程；它是企业内的研究开发部门、生产部门和营销部门，以及企业与企业外的研究开发机构、高等院校及其它企业互相作用的结果。不仅如此，政府、市场、金融、法律、文化等因素也都是影响创新的重要变量。因而，对创新效率的考察，必须从系统整合的角度出发，寻求创新资源的最优配置及创新制度与政策的制定和实施。

二、“自主创新”的特殊涵义：重构“中国的”国家创新体系

基于上述概念和认识，我们至少可以从以下几个方面重新讨论和界定“自主创新”的基本内涵和战略意义。

首先，“自主创新”中的“创新”二字表明，“自主创新”不仅仅是从发明创造到商业应用的经济过程，而且还是多种机构和组织相互作用的社会过程。是一个既包含“技术创新”也包括“非技术创新”在内的经济学概念。以技术创新为核心，但又强调非技术因素对创新活动的影响，“超越技术”(beyondtechnoIogy)是“自主创新”的重要特征。

其次，“自主创新”中的“自主”二字表明，技术不仅是经济的，也是政治的，一个国家只有技术独立，才有经济独立，才有政治独立。作为世界上最大的且正在加速发展的发展中国家

中国决不能依靠“他人”建立经济社会发展的技术基础。要赶上世界先进的国家，增强国际竞争力，就必须调整“知识分配力”，提高国家创新体系的能力，建立振兴经济必备的技术基础，走独立自主，不依赖于“他人”的技术进步道路。

再次，在“新技术实际上把国际化的世界放在你的桌子上，不管你的桌子在哪里”的今天，中国不仅需要有意识的摆脱由西方发达国家主导的“全球创新网络体系”的制约，保持中国在“全球创新网络体系”中“独立自主”的地位，而且更需要主动的谋求与国际社会的合作，以最有效的方式与跨国公司的“全球创新网络”以及其他国家或地区的创新体系相连接，并在与跨国公司的全球创新网络以及其他国家或地区的创新体系的重叠和互动中，使中国这一“迟到的工业化国家”迅速的接近世界范围内“海量的知识和技术”，并利用其“后发优势”缩短与先发国家间的技术差距。

最后，在经济全球化加速发展的条件下强调“自主创新”，也是国家通过政策手段弥补市场失灵，国家创新系统效率低下，激励科技发展，引导科技发展方向，使科学技术从经济过程的“外生变量”转变为经济过程的“内生变量”，促进新时期中国经济社会可持续发展目标实现的战略安排。

与上述内涵和意义形成较大反差的是，目前国内对“自主创新”影响力最大、流行最广的定义，是将《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中的“原始创新、集成创新和消化吸收再创新”一界定为“自主创新”。这一界定，虽然正确的指出了“技术创新”是“自主创新”的核心内容，且“自主创新”不是“关门创新”，也不是“自己创新”。但是，由于该定义不仅抽掉了“自主创新”中的“自主”二字，将具有特指含义的“自主创新”泛化为一般的“技术创新”，与世界银行知识与发展部研究员奥博特在《加强发展中国家的创新：一个概念性框架》一文中提出的“技术创新”的概念完全雷同；而且还将“非技术创新”排除在“自主创新”之外，使“技术创新”与“非技术创新”在“自主创新”中的有机联系和互动作用被人为的分解和割裂。其结果，不仅有可能会使“自主创新”的国家战略在理论上产生诸多的歧义与纷争，而且还有可能会在政策实践中误导国民：或以为“自主创新”只是科技教育部门的事情，或者将“自主创新”仅作为企业、部门和地方政府“技术创新”的政治口号，甚至于还有可能将“自主创新”当成新一轮的“超英赶美”“”运动。事实上，目前国内轰轰烈烈开展的“自主创新”运动，已经或正在出现上述问题和征兆。正因为此，本文认为有必要对“自主创新”的定义进行限制，将其从泛指变为特指，以强调“自主创新”的中国含义和国家意志。即“自主创新”是指在经济全球化的条件下，国家有意识的调整“知识分配力”、重构国家创新体系的技术路径(技术发展的主动权和主导权)的国家战略；同时也是将国家创新体系能力的提高作为中国经济增长、社会可持续发展、国家安全和政治独立的重要保障的长远筹划和谋略。

技术创新概念篇（3）

中图分类号：G321；F124.3文献标识码：A

國家评估中心2019年首次的《中国科技成果转化2019年度报告》显示，我国高校和科研院所科技成果转化遇到的瓶颈之一，是满足转化需求的高质量科技成果不足，且研发脱离市场。据移动新媒体“知识分子”专业文章测算评估，若美国高校科技成果转化效率为50%的话，我国高校仅为6%，发展潜力巨大[1]。

2000年以来，美国、欧盟积极从国家创新战略高度探索科技成果转化新模式，通过在研究型大学等兴建概念验证中心，或实施概念验证计划，大力推动具有应用潜力的基础研究从实验室走向市场，获得显著成效。这些实践对提升我国及北京高校、科研院所科技成果转化供给质量，解决基础研究和产业发展脱节问题，从源头上减少科技和经济“两张皮”现象，具有积极而重要的参考价值。

一、概念验证的内涵

概念验证是将研究人员的创意或成果转化为可初步彰显其潜在商业价值的技术雏形，并对那些不具备商业开发前景的设想加以淘汰[2]，从而增强研究成果对风险资本的吸引力，提高大学科技成果转化效率。例如，微软2019年的研究报告显示，因实施成本太高或市场需求不明确等原因，30%的物联网项目在概念验证阶段即遭淘汰。

就实际操作所需的环节看，概念验证主要包括原理或技术可行性研究、原型制造、性能测试、市场竞争分析、知识产权保护策略等[3]。

从纵向即技术创新链而言，技术创新可至少分为研发（发明）、概念验证、工作样机、工程化及生产线、产品生产5个阶段，而“死亡之谷”包括第2、3、4阶段[4]。显然，概念验证处于基础研究与技术成熟商业化之间比较靠前的环节，它既是技术创新链的一个阶段，又是跨越“死亡谷”的第一步，更是科技成果转化亟须突破的“最初一公里”。

二、美欧概念验证发展概况及效果

（一）美国

为推动概念验证工作，概念验证中心首先在美国研究型大学兴起。加州大学圣迭戈分校于2001年建立全美第一个高校概念验证中心——冯·李比希中心，麻省理工学院在2002年跟进成立德什潘德中心。如今，美国以高校为主已建立了近40家概念验证中心。

高校概念验证中心的发展得到了美国政府的高度重视和大力支持。美国政府于2009年、2011年分别了《美国创新战略：推动可持续增长和高质量就业》和《美国创新战略：确保我们的经济增长与繁荣》，将创建大学概念验证中心，作为加速大学科技成果转化，推动国家经济快速发展的重要路径。2017年9月，美国商务部宣布，向多家非营利组织、高等教育机构和创业集团提供总额超过1700万美元的支持，用于创建和扩大以集群为重点的概念验证和商业化计划，以及早期种子资本基金[5]。

麻省理工学院德什潘德中心是美国高校概念验证中心的突出代表，自2002年成立至2019年底，累计为该校超过125个初期技术项目商业化提供至少1700万美元的资助，为400多名师生和研究人员提供支持，共有100多位“催化剂”导师和其他来自企业或创业团体的人士，无偿为技术研发者提供技术商业化方面的指导和服务。近30%的项目通过成立公司实现了产业化，这些企业累计吸引了8亿美元后续投资，资本放大效应高达47倍[6]。

（二）欧盟

欧盟委员会欧洲研究理事会（以下简称“欧研会”）成立于2007年12月，主要负责实施原始创新计划，支持前沿学科和交叉学科研究，以及新技术和新兴领域的开拓性探索[7]。2011年，欧研会实施了概念验证计划，并设立概念验证基金予以保障。

概念验证计划专门针对研究成果市场化前的初始阶段，不支持基础研究的扩展研究以及商业示范应用项目。每个入选项目资助金额最多15万欧元，执行期限不超过18个月，主要用市场化可行性研究、知识产权布局、成立创业公司初始费用等[7]。

概念验证基金资助列入概念验证计划项目的年度预算，由2011年的1000万欧元，增长至2019年的2500万欧元。截至2019年底，已资助了约1000个项目[8]。2017年12月，欧研会邀请第三方对概念验证基金的实施情况进行评估，评估报告显示：概念验证项目在专利申请、许可协议、研究合作与合同、咨询、新创企业、公共服务、争取其他资助等诸多方面取得了增值。其中，42%的概念验证项目至少完成了1项专利推广，而更多技术则在新创企业或者与中小企业合作中得到应用；获得概念验证基金支持的项目，后续也更加容易得到其他渠道如私人或者风险投资者的研发资助[9]。

三、美国概念验证中心典型运作模式分析

概念验证中心是旨在填平基础研究与产品开发之间“死亡谷”的创新服务机构。美国加州大学圣迭戈分校的冯·李比希中心和麻省理工學院的德什潘德中心的运作模式较具典型性。

（一）资金支持

德什潘德中心的资助对麻省理工学院的所有院系师生开放。中心每年用于支持大学早期科技成果商业化的拨款项目可分为点火资金和创新资金，申请者获得资助的累计金额不超过20万美元。点火资金每笔不超过5万美元，周期为1年，主要用于新点子的实验探索和概念验证；成功后可继续申请创新资金，追加的资助不超过15万美元，以确保经过概念证明的研究成果的商业价值。

（二）创业咨询

冯·李比希中心和德什潘德中心都拥有实力雄厚的创业导师顾问团。这些咨询专家都具有不同技术专业背景和丰富新创公司或风险公司经营经验，多与企业和投资方等保持良好关系。作为学界和商界之间的桥梁，他们参与项目遴选，为受资助的项目提供创业咨询，促进科技成果供需双方建立密切合作关系[10]。

（三）教育培训

概念验证中心常常通过创设教育课程、开展讲座和研讨、举办学术会议或论坛等方式，帮助师生理解、识别和熟悉科技成果转化流程以及可能遇到的风险问题，为可能的初创企业发展做必要准备。例如，“创新团队”是麻省理工学院独特的课程，向学生传授科学和技术商业化的全过程，主要关注如何判断一项处于早期阶段技术的商业潜能，参加课程的投资人也有机会从中选择值得资助的对象[10]。

四、在京高校设立概念验证中心的可行性

从美国实践看，高校概念验证中心的建立和发展需要一定条件，主要包括：技术、人员、资金、设施、“验证”出口等[11]。北京地区高校曾孕育出过紫光、同方、方正、未名生物等一批知名企业，也最有条件和责任在概念验证中心建设和开展概念验证活动中先行探索。

从成果来源看，2019年度国家科学技术奖励中，北京地区高校作为第一完成单位的获奖数量接近全国高校作为第一完成单位数量的40%。2018年，中国高校获国内职务发明专利授权19.4万项[12]，是除企业之外职务发明的最大贡献者；同期北京地区高校职务发明授权量和输出技术合同成交额在全国高校的比重均在5%上下。这说明一方面北京地区有丰富成果或“新概念”可供“验证”，另一方面也表明北京地区高校科技成果转化依然有较大上升空间。

从人员看，2018年，北京地区普通高校研究生在校人数为31.7万人，占全国的11.6%；研发人员数量为8.59万人，占全国的8.7%。此外，北京地区还聚集了全国一流的科学家、企业家、投资人。这为开展概念验证活动提供了丰富的人力资源、智力资源。

从资金看，政府非常重视增加对高校科技的投入。2018年，北京地区高等院校研发经费支出为215.9亿元，占全国高校的比重为14.8%。更重要的是，政府部门已经认识到并愿意为开展验证活动提供经费支持。例如，北京市海淀区已宣布将提供专项资金支持本区高校、科研院所建设概念验证中心及开展概念验证项目。

从实验设施看，北京地区高校拥有国家重点实验室的数量约占全国高校国家重点实验室数量的四分之一。同时，首都科技条件平台囊括了本地区882个部级、市级重点实验室、工程中心等4.65万台套仪器设备，可以向社会开放共享。这些为开展概念验证提供了充足的物质保障。

从“验证”出口看，最直接的方式是就地进入大学科技园或其他孵化器。例如，上海市拟采取具体措施推进大学科技园参与高校科技成果的概念验证和成果熟化。北京拥有部级和市级的大学科技园40多家、孵化器超过100家，10余家高校成立了技术转移办公室。这都为概念验证后的成果提供了众多的接纳通道。

五、启示与建议

近几年，国家先后修订或出台了《中华人民共和国促进科技成果转化法》《实施〈中华人民共和国促进科技成果转法〉若干规定》《促进科技成果转移转化行动方案》，北京市也新颁布了《促进科技成果转化条例》。这些政策法规主要集中在收益分配、价值评估、人员身份等科技成果转化后端，而对科技成果转化前端的关注度不够或效果不佳。美欧对科技创新思想及成果进行概念验证的探索实践，对我国克服科技成果转化“最初一公里”的“短板”问题具有重要借鉴意义。

（一）央地协同开展概念验证探索

一是加强规划引导。国内概念验证中心建设目前尚处于起步阶段，2018年以来，西安、北京、上海先后建立起全国屈指可数的几家。2019年10月，北京市海淀区支持北京航空航天大学建立了全市首家概念验证中心，目前已筛选出一批概念验证项目，并初步打通了概念验证、创业孵化和股权投资的链条，为概念验证活动的可持续发展进行了有益探索。作为全国科技创新中心，北京应尽快形成成熟经验和模式向全国推广。建议国家科技、教育、产业部门和北京市合力统筹谋划，将在京高校、科研院所设立概念验证中心列入“十四五”时期全国科技创新中心建设部（院）市合作规划。北京市应将概念验证纳入《北京市“十四五”时期加强全国科技创新中心功能建设规划》，进行科学合理布局。通过概念验证中心尽可能早地识别出那些具有商业化前景的项目，催生出有助于解决经济社会重大问题的科技成果。同时，既要防止一哄而上，有名无实，也要克服畏难情绪、裹足不前，还要避免重复建设，考虑差异化布局发展。

二是创新支持路径。借鉴国外经验，对概念验证中心建设及实施概念验证的项目资金，前期由政府予以“兜底”保障。建议由科技部和北京市共同设立概念验证专项资金，用于支持开展概念验证活动，同时考虑国家自然科学基金区域创新发展联合基金对“概念验证资助项目”进行支持的可能性。此外，还应积极拓展资金来源渠道，如鼓励本校投入、私人捐赠、民间基金会支持等。

（二）采取灵活多样的组建方式

从国外发展历程来看，概念验证中心首先在研究型大学工学院兴起，随后扩展到研究机构和社会组织。建议结合实际情况，灵活组建概念验证中心：在依托单位上，既可以由某一所大学独立组建，也可以几所大学联合组建，也包括在科研院所和社会组织组建，同时鼓励校企共建；在具体运作上，可支持成立“民非”等实体机构，也可采取资助计划等非实体形式；在功能发挥上，既可由政府主导，也可由高校和科研院所主导；在服务内容上，既可以是综合服务类型，也可以聚焦特定专业领域；在服务范围上，可以面向本校本单位，也可以面向特定区域如优先覆盖“三城一区”或良乡、沙河高教园区等。

技术创新概念篇（4）

在社会主义经济迅速发展的背景，人们物质生活水平的不断提升促使其对精神生活提出了更高的要求，对于工业领域而言，基于消费理念的变化与发展，要求要在注重产品性能质量的同时，提高对产品设计的重视程度。实现工业产品概念化设计能够赋予产品以鲜明的外观形象特点，进而在第一时间吸引消费者的注意力，并满足当前消费者的个性化需求特点，通过产品概念设计来不断拓展产品的市场占有份额，为提升相应企业的经济效益与竞争实力奠定基础。

一、相关概念综述

所谓的概念设计指的是在明确设计任务的基础上，以抽象化的思维模式、结合产品实际功能特点等来定位求解的途径，最终生成相应的方案。而基于工业设计领域下，所谓的产品概念设计指的是在进行工业设计的过程中，要针对相应的结构模型来实现不断的创新，并通过阶段性评价来搭建出现行的评价模式，以最终生成相应概念设计方案。在实际落实的过程中，主要的内容类型为：第一，以图表等基本说明与表格的编写为基础；第二，实现符号推理性工作，也就是实现设计方案的拟定与生成。按照设计方案学理念则就是分别实现细节设计与概念设计，而其中的概念设计则是由功能与结构这两种设计构成的。概念设计主要是在进行产品设计的初级阶段，将所形成的设计思想理念进行框架搭建，然后在通过不断的评估与优化来完善相应的设计细节，在此过程中，概念上设计的过程就是思维创新的过程，是建立在设计者知识经验基础上，并通过反复探究与实践来实现的一种设计方案，并确保产品在投入市场后能够满足受众的实际需求。在理解概念设计内涵的过程中，需要意识到这一设计是贯穿于产品全生命周期的，要建立在产品基本功能与结构基础上进行构思，这一创新的过程也可被看作是求解的过程，要求相应的设计人员要在具备深厚专业理论知识与丰富实践经验的基础上，能够以现代化的方法与技术来构思与求解。

二、工业设计中产品概念设计所呈现出的特征分析

1、创新性特点

不论是在任何设计领域中，创新都是实现概念设计的灵魂所在，因此，对于工业设计领域而言也不另外，其需要以创新来实现产品的概念化设计，比如汽车、电脑等，只有在不断优化产品性能的基础上，创新产品的结构，以体现出产品的个性化特点，才能够满足用户的实际需求特点，同时要在创新的过程中肩负产品的生产成本，以实现产品经济效益的最大化。而在实际进行产品概念设计创新的过程中，要求要在不断评价的过程中，实现方案的优化与完善，最终才能够生成具有可行性的概念设计方案。

2、多样性特点

在进行概念设计的过程中，所呈现出的主要特点之一便是设计过程与结果都存在着明显的多样化特点。基于产品功能定义以及实际工作原理等各方面所具备的不同特点，在进行概念设计的过程中，相应的思维模式也就随之发生了变化，通过功能这一载体进行呈现时相应的方案则就不同。比如，我们最常见到的便是设计结果的多样性，如手表这一工业产品，基于石英表与机械手表间的功能不同，相应的设计结果也就不同，展现出的最终设计效果就因此而呈现出了多样性的特点。

3、层次性特点

该特点主要通过如下两方面进行体现：第一，整体上在进行产品概念设计的过程中，则主要是通过功能层与结构层来实现的，同时，相应产品本身的功能层与结构层间存在着映射关系。第二，从个体角度出发，不论是功能层还是结构层，其本身具备了自身的层次关系特点，相应功能层的不同促使相应的结构层随之发生变化。

三、工业设计中产品概念设计的实现方法与关键点

1、工业设计中产品概念设计的实现途径

1）将类比法与逆向法进行完善应用

在实际进行这一产品概念设计的过程中，采用其中额类比法，能够促使相应的设计者以类似产品对对比对象，通过对比分析后来生成高于原有产品设计理念与方式下的新实现，进而通过全新概念设计方案的生成来赋予产品全新的设计。事实上，采用这一方法的本质则是在原有概念设计理念与方案上进行继承与创新。而采用逆向法进行产品概念设计的过程中，相应的设计者需要找到思路来进行设计，但是，很多时候思维会被局限而难以打开，进而陷入僵局中，此时，设计者就可以以逆向法，以逆向逻辑思维来进行构思，然后在生成设计思路框架的基础上，通过不断的优化调整来实现产品概念设计。

2）以联想法或是移植法来实现设计思维的创新

在实际进行该项设计工作的过程中，创新作为产品概念上设计的灵魂所在，要想通过这一设计理念将产品本身特点进行有效呈现，相应的设计者则就可以借助联想法来进行概念设计。所谓的联想法指的是结合产品功能与结构需求，同时，也可以在进行新产品研发的过程中，借助于其他类型的产品进行联想，与拓展思路范围，进而确保产品概念设计能够充分展现出产品自身的功能特点。而采用移植法进行产品概念设计的过程中，顾名思义，也就是将非工业领域中的产品在进行研发过程中所运用的技术等移植到相应工业产品之中，进而通过借鉴移植的方式来拓展产品设计理念的范围，并在进行产品概念设计的过程中充分体现出产品本身的应用价值。

3）以分析法和评价法来进行产品概念设计

采用分析法来进行产品概念设计的过程中，要求相应的设计人员要基于市场用户群体的实际需求特点，这样才能够迎合当前市场需求所呈现出的多元化、个性化需求特点，为确保产品在打入市场的过程中，能够迎合受众之需来抢占市场份额。在此过程中，要求相应的设计人员要通过对市场的调查走访，实现全面需求信息资料的搜集，进而通过分析来进行产品概念设计的目标与方向。而采用评价法来进行产品概念设计的过程中，可从用户评价反馈信息中来获取产品概念设计的思路，这样才能够通过大众化产品的生产来最大程度度的提高产品在市场上的竞争力。

2、工业设计中产品概念设计的关键点

1）以创造性思维的应用为核心

创新是民族的灵魂，是推动社会进步与发展的源动力，对于工业领域而言也是如此，在进行产品概念设计的过程中，如果没有创新性思维的融入，产品也就难以体现出个性化的特点，进而在进入市场后也就与其他产品没有差别，这也是当前工业流水线生产的产品之所以大打价格战的原因之一。因此，对于设计者而言，需要能够善于捕捉灵感，积极的发散拓展思维空间来进行创新性思维在产品概念设计中的应用，进而实现产品的个性化设计来满足市场需求。

2）要注重实现技术领域的创新

科学技术是第一生产力，只有不断的创新技术，才能够确保工业产品在当前高科技市场中站稳脚跟、赢得先机。而概念设计作为产品的一大点睛之笔所在，需要以技术创新为支撑，进而将所创新的技术进行应用，赋予产品以全新的特点，展现出产品的现代化特点，以新颖别致等特点来获取受众的关注。而只有将所创新的技术应用于产品之中，才能够实现其所具备的商业价值，所以，在进行产品概念设计之初，就需要将技术创新这一理念进行融入，进而才能够在产品设计中得到体现。

3）积极的将虚拟现实技术进行应用

在工业设计中，产品概念设计要想实现市场化发展，则就需要将发展的目标放在先进的技术成果应用上，进而才能够满足市场实际需求趋势，获得竞争的优势。而虚拟现实技术的应用则能够在进行产品概念设计的过程中，实现相应概念场景的搭建，进而赋予产品概念设计以真实的生命力。同时，虚拟现实技术的应用需要借助计算机技术的应用来实现，而这对于当前的设计领域而言，相应的设计者将从传统的设计方法模式中解脱出来，并且以立体化且真实化产品概念设计的模型进行情感上的体验，并在反复评价与感知的过程中更好的实现产品概念设计方案的不断优化与完善。此外，这也是保障产品实现一次性成功研发的关键所在，在此过程中，对于设计者而言更像是经历一场体验的过程，能够切实实际的站在用户的角度去体验产品，确保工业产品能够借助产品概念设计的优势作用来赢得市场竞争先机，确保相应的企业在不断提高自身竞争实力的过程中，实现稳健发展。

四、总结

综上所述，对于工业产品的设计而言，实现概念设计方法的有效应用并抓住产品概念设计的重点，能够最大程度的确保产品在打入市场的过程中，第一时间吸引受众的注意力，并迎合当前市场消费群体所呈现出的个性化、多元化需求特点。在实际进行工业产品概念设计工作的过程中，需要积极将类比法、逆向法、移植法、联想法、分析法以及评价法进行科学运用，同时要注重创新思维、实现技术的积极创新并将虚拟现实技术进行应用，以在提高工业产品概念设计水平的同时，为当前社会大众不断带来新的体验视野。

作者：冯堃 单位：河南师范大学新联学院机械工程系

参考文献

[1]刘艳.产品概念设计研究及其在工业设计领域中的运用[D].天津大学,2010.

[2]曹志鹏.工业设计中概念设计教学的研究与应用[D].江南大学,2011.

[3]杨洋,毕笑如.工业设计中产品概念设计研究[J].河南科技,2014,01:16.

[4]赵永立.工业设计中的产品概念设计[J].产业与科技论坛,2016,03:61-62.

[5]刘国昌,苟秉宸.产品概念设计可制造性评价方法研究[J].计算机工程与应用,2013,05:55-58+76.

技术创新概念篇（5）

1 工程领域中的概念设计

现代科技的迅猛发展，尤其是微电子、信息、新材料及集成技术的进展，使产品结构发生了革命性的变化，机电一体化、模块化已成为工程产品的发展趋势；计算机技术的飞速发展和广泛应用，深刻的影响着设计开发过程、制造过程、营销和售后服务过程，并改变着产品的结构和功能；先进工艺技术和先进制造技术为现代工程设计提供了前所未有的工艺技术手段和社会化制造体系。这些变化都深刻地影响着工程设计的发展。

工程设计是人们运用科技知识和方法，有目标地创造工程产品构思和计划的过程，几乎涉及到人类活动的全部领域。工程设计的费用往往只占最终产品成本的一小部分（8 ~　15%），然而它对产品的先进性和竞争能力却起着决定性的影响,并往往决定70 ~ 80%的制造成本和营销服务成本。所以说工程设计是现代社会工业文明的最重要的支柱，是工业创新的核心环节，也是现代社会生产力的龙头。工程设计的水平和能力是一个国家和地区工业创新能力和竞争能力的决定性因素之一。

工程设计的全过程就是不断建立各种模型，并不断进行综合和分析的过程，即反复地创造模型和评价模型的过程。工程设计的内容大致可分为两类：一类是数值计算型的工作，包括大量的计算、分析、绘图、编写说明书和填写各种表格；另一类是符号推理性的工作，主要是方案设计工作。在设计方法学中，前者称之为细节设计，后者称之为概念设计。概念设计主要包括功能设计和结构设计两大部分。其作用主要体现在产品设计的早期阶段，把主设计师根据产品功能的需求而萌发出来的原始构思和冲动形成产品的主体框架，及它应包括的各主要模块和组件，以完成整体布局和外型初步设计。然后进行评估和优化，确定整体设计方案。再由各责任设计师把总设计师的设计思想落实到具体设计中去，实现细节设计。可见概念设计是个创造性过程，它要求设计者能综合运用许多学科的专门知识和丰富的实践经验，并通过广泛的调查研究而占有大量的信息资料，再经过反复思考、推理和决策，才能创造出与众不同的、满足用户要求的设计方案来。

在工程设计领域中存在这样一个误区：设计、构思的原始冲动是三维概念，最终设计实施之结果即产品也是三维形体。可是多年来以二维绘图为基础的产品设计、制造模式严重地束缚了工程技术人员的创造力和想象力，成为创新的桎枯。

三维建模技术的崛起以及虚拟制造技术的出现为概念设计和创新提供了一种极好的工作平台，设计师们可以直接从三维概念和构思入手，进行概念设计，形成产品的初步框架，然后进一步通过工程分析、数字仿真、虚拟现实等高新技术手段来分析和评价设计方案的可行性及未来产品的质量、可靠性。这种设计方法尤其能充分发挥自顶向下的设计过程中,设计者的智慧和创新能力，不必拘泥于平面图纸的限制和束缚，而把主要精力聚焦于创造性的劳动——创新。

2 概念设计与创造性思维和技术创新

2.1 创造性思维及其特点

要设计就要有创新，而创新正是设计人员进行创造性思维的结果。设计人员要打破习惯性思维，变换角度，开阔视野，才能使自己的创造力得到更充分的发挥。创造性思维是指有创建的思维，即通过思维，不仅能揭示事物的本质，而且能在此基础上提供新的、具有社会价值的产物。创造性思维有扩散思维和集中思维、逻辑思维和形象思维、直觉思维和灵感思维等多种形式。在工程设计的概念设计中，要努力发掘创造性思维的能力，充分注意扩散思维和集中思维的辨证统一，准确把握逻辑思维和形象思维的巧妙结合，善于捕捉直觉思维和灵感思维的“闪光和亮点”，这样才有可能设计出新颖、独特、有创意的产品。

创造性思维具有如下一些特点：

（1）独创性：创造性思维所要解决的问题是不能用常规、传统的方式解决的问题。它要求重新组织观念，以便产生某种至少以前在思维者头脑中不存在的、新颖的、独特的思维。这就是它的独创性。独创性要求人们敢于对司空见惯或“完美无缺”的事物提出怀疑，敢于向传统的陈规旧习挑战，敢于否定自己思想上的“框框”, 从新的角度分析问题、认识问题。

（2）连动性：创造性思维又是一种连动思维，它引导人们由已知探索未知，开拓思路。连动思维表现为纵向、横向和逆向连动。纵向连动针对某现象或问题进行纵深思考，探询其本质而得到新的启发。横向连动则通过某一现象联想到特点与它相似或相关的事物，从而得到该现象的新应用。逆向连动则是针对现象、问题或解法，分析其相反的方面，从顺推到逆推，从另一角度探索新的途径。

（3）多向性：创造性思维要求向多个方向发展，寻求新的思路。可以从一点向多个方向扩散；也可以从不同角度对同一个问题进行思考、解决。

（4）善于想象：创造性思维要求思维者善于想象，善于结合以往的知识和经验在头脑里形成新的形象，善于把观念的东西形象化。爱因斯坦有一句名言：“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。”只有善于想象，才有可能跳出现有事实的圈子，才有可能创新。

（5）突变性：直觉思维、灵感思维是在创造性思维中出现的一种突如其来的领悟或理解。它往往表现为思维逻辑的中断，出现思想的飞跃，突然闪现出一种新设想、新观念，使对问题的思考突破原有的框架，从而使问题得以解决。

2.2 概念设计呼唤技术创新

技术创新在概念设计中发挥着至关重要的作用。概念设计中技术创新的本质就是要在工程设计领域中发现某种新事物、提出某种新思想，在很多情况下是因为现有的产品不能满足社会（用户）的需求而激发出的新颖构思和创见。技术创新的基础是知识的积累和灵感的迸发，是设计人员进行创造性思维的结果。创新本身就意味着不拘一格，不局限也不依赖于某种特定的模式，以下诸多方面都是孕育技术创新的土壤：

（1） 多项现有技术的有机结合或综合运用往往会产生意想不到的效果；

（2） 对已有知识的创造性总结和应用常常带来重大的科技突破；

（3） 突发奇想但经过科学论证或实验证明所产生的新思路、新方法、新技术；

（4） 新知识与现有知识的合理嫁接；

（5） 产品功能上的兼收并蓄和去粗取精；

（6） 学科间的交叉、交融和借鉴；

（7） 新技术、新材料、新工艺的有机结合及应用；

（8） 科学研究中的新发现和新成果应用于工程实践……。

由此可以进一总结出多种行之有效的创新技法：

l 智力激励法：又称集智法、智暴法。即通过集会让设计人员用口头或书面交流的方法畅所欲言、互相启发进行集智或激智，引起创造性思维的连锁反应；

l 提问追溯法：根据研究对象系统地列出有关问题，逐个核对讨论，从中获得解决问题的办法和创造性发明的设想，或是针对新开发产品的希望点（或缺点），逐点深入分析，寻找解决问题的新途径；

l 联想类推法：通过相似、相近、对比几种联想的交叉使用以及在比较之中找出同中之异、异中之同，从而产生创造性思维和创新的方案；

l 反向探求法：采用背离惯常的思考方法，通过逆向思维、转换构思，从功能反转、结构反转、因果反转等方面寻求解决问题的新途径；

l 系统搜索法：从一个初始状态开始，分析影响系统的各个参量，逐步向前搜索，或采用孤立因素、更换参数等方法获取系统的多种解法并求得最优解；

l 组（综）合创新法：将现有的技术或产品通过功能原理、构造方法的组合变化，或者通过已知的东西作媒介，将毫无关联的不同知识要素结合起来，摄取各种产品的长处使之综合在一起，形成具有创新性的设计技术思想或新产品；

l 知识链接法：创新是一个动态的和复杂的作用过程和知识流，它包括知识的产生、开发、转移和应用，这四个阶段构成一条“知识供应链” 并按照下述原则进行管理：把技术创新过程作为一个集成化的系统，只有将所有涉及该过程的伙伴捆绑在一起，才能发挥最大作用，这些伙伴都应明确什么知识内容才能满足用户最大需求，知识转移的特征和形式是什么，最终用户是谁，他们何时需要使用这些知识？涉及创新的所有信息流和通信流对全体伙伴都是开放的，在每个知识供应者和知识使用者之间建立信息反馈，使信息交换更为有效，知识供应链中每一个伙伴能够感受到整个系统和他们自己都从中获得巨大利益，认识到自己是链中不可缺少的重要环节。该方法适于更大范围内、更高层面上的技术创新。

3工程设计领域中的概念设计技术创新实践

基于上述分析，我们提出了若干种含有技术创新的产品概念设计范例：

（1） 采用先进的控制、驱动和定位系统，由局部小画面组成整体大画面的可变画面巨型灯箱广告机的设计；

（2） 时速超过运七飞机的高速铁路机车车身外型设计，既要满足空气动力学性能，又要有美观的外型，三维CAD建模技术和NURBS曲线面理论的应用；

（3） 适应于多弯道和小半径城市轨道交通环境下的摆式列车车身及减振转向架的设计；

（4） 反求工程已广泛应用于一些具有复杂曲面的实物模型（如模具）的三维数据重构，不妨借鉴用来对生物医学图象进行数字图象处理，为医务人员的临床诊断和治疗提供更逼真的三维模型和实体模型；

（5） 基于电动机——发电机可逆原理的新型电动自行车的设计，把（下坡时）车轮转动的动能所转化成的电能再回充给蓄电池，从而增加电动自行车蓄电池一次充电使用的续行距离；

（6） 加工中心自动换刀功能的扩展，用于东风4（11）型内燃机车发动机端面多轴孔加工的自动换箱多轴箱设计；

（7） 把列车检修工人的丰富经验升华为专家系统——基于加速度传感器和单片机控制的智能式检振锤的设计；

（8） 虚拟轴机床（并联机床）的概念设计。

这里以铁路机车车身设计为例，对概念设计及创新的过程加以说明。

时速300公里以上的高速列车在欧美、日本等发达国家得到广泛应用。我国已通过论证并计划在下世纪初建设第一条（京沪）高速铁路。

当我们看到法国TGV（Train de la Grande Vitesse）实验车速达到515.25公里／小时时，我们知道这已经超过了我国“运八”飞机的时速，设计师的头脑中自然应该产生这样的概念：时速300公里的铁路机车车头的外型也应该像飞机那样具有流线型和光顺性，才会有较好的动力学特性。“光顺”一词的几何意义是所构造的曲线、曲面应具有C2连续，且无奇点。从通俗的概念来理解，即为“光滑顺眼”之意。

由这些概念和构思出发，我们可以由整体构思和概念设计逐步进入流线型机车车身的细节设计环节。

铁路工业和汽车工业对车身外型设计的先进性和创新性的都有着一致和迫切的要求。归纳起来应是以下几个方面：

l 具有良好的空气动力学特性，以减少在高速运行时的摩擦阻力。

l 具有良好的结构布局及足够的强度和刚度。

l 具有美学曲面的质感和动感，以美化生活和环境。

l 尽可能短的设计和制造周期，以尽快地占领市场。

显然满足上述诸要求的车身外型曲面是相当复杂的，非一般常规曲面（如柱面、球面、锥面、环面等）所能表达。再者，若按常规设计、制造方法和过程来完成如此高要求的设计外型，则上述第四项要求更是高不可攀。只有积极谋求技术进步，大力推广应用CAD/CAM技术才是解决车身外型改型频繁、不断创新且满足上述各种要求的关键所在。

近十年来，CAD业界涌现出一批象EDS的UG、PTC的Pro-Engineer、MATRA的EUCLID、IBM的CATIA等等一系列优秀的CAD/CAM软件，为我们提供了一个极好的开发工具和环境。它们的三维实体建模、参数建模及复合（Hybrid）建模技术，实体与曲面相结合的造型方法，以及自由形式特征建模（Free Form Feature Modeling）技术为我们的设计工作提供了强有力的工具。

这里具体地介绍如何使用UG的Free Form Feature等功能，来实现车身外型的概念设计到细节设计。

UG的Free Form Feature Modeling模块把实体建模和表面建模技术集成为一个功能十分强大的建模工具组，它支持复杂自由曲面的造型设计。它的复合建模技术，自由型面特征建模，可视化编辑，多组件装配，二维视图自动生成，尤其是伴随最新UG V14.0版本推出的全新概念设计WAVE（What-if Alternative Value Engineering）可使不同部门的工程师在设计的早期阶段，站在系统工程的角度，同时针对多种可供选择的方案进行评估，通过将设计意图组织到一个“控件结构”中去，使工程师十分有效地控制设计变更，而且所发生的变更会自动地传递到上级设计中去。

这里以创建流线型机车车身外型为例，具体步骤如下：

（1） 根据前节所述模线的来源，本例参考法国TGV和德国ACE机车外型模板，并加以个性化修改。所选定的23条模型基线见于图1。

外形模型基线 向等值半径线云图

以这一组模线为基础，采用UG的Free Form Feature / Through Curve来创建曲面；采用Info/ Analysis / Face Curvature功能来观察和分析该曲面的光顺性，图2即为车身外型曲面及顶面法向半径等值线云图。

在构造模线的原始数据中可能有“瑕点”，或者仅凭“感觉”进行判断，创建的曲面不一定能完全满足C2连续的条件和光顺性的要求,可以通过光顺处理予以满足。图3是对其中一条模线进行光顺处理的过程。值得重视的是：获得一组光顺的模线是生成光顺曲面的必要条件。

采用光顺后的模线重新构造车身外型曲面。采用UG/Photo功能并指定材质，可进行着色、光照、渲染，以得到更为逼真的三维造型图。见图4。

图4 机车车身三维造型 图5 机车车身二维投影图

（5） 对机车车身裙部和头部下端，可采用Feature / Curve / Mesh功能分片进行创建。这里充分体现出UG软件对角域曲面的三维造型能力。

（6） 机车车身三维造型基本实现之后，还可进一步作局部修改，由于UG软件的“相关”（Associative）能力, 这里进行的修改将影响到它所关联的所有设计过程。

（7） 三维造型细节设计完成之后，其各方向二维视图可由应用软件自动生成，设计人员不必再做重复工作。图5即为该机车车身外型的二维侧视图。

参 考 文 献

[1] 齐从谦.汽车覆盖件具CAD/CAM中的曲面特征造型及特征识别.中国机械工程:15~18

技术创新概念篇（6）

1工程领域中的概念设计

现代科技的迅猛发展，尤其是微电子、信息、新材料及集成技术的进展，使产品结构发生了革命性的变化，机电一体化、模块化已成为工程产品的发展趋势；计算机技术的飞速发展和广泛应用，深刻的影响着设计开发过程、制造过程、营销和售后服务过程，并改变着产品的结构和功能；先进工艺技术和先进制造技术为现代工程设计提供了前所未有的工艺技术手段和社会化制造体系。这些变化都深刻地影响着工程设计的发展。

工程设计是人们运用科技知识和方法，有目标地创造工程产品构思和计划的过程，几乎涉及到人类活动的全部领域。工程设计的费用往往只占最终产品成本的一小部分（8~15%），然而它对产品的先进性和竞争能力却起着决定性的影响,并往往决定70~80%的制造成本和营销服务成本。所以说工程设计是现代社会工业文明的最重要的支柱，是工业创新的核心环节，也是现代社会生产力的龙头。工程设计的水平和能力是一个国家和地区工业创新能力和竞争能力的决定性因素之一。

工程设计的全过程就是不断建立各种模型，并不断进行综合和分析的过程，即反复地创造模型和评价模型的过程。工程设计的内容大致可分为两类：一类是数值计算型的工作，包括大量的计算、分析、绘图、编写说明书和填写各种表格；另一类是符号推理性的工作，主要是方案设计工作。在设计方法学中，前者称之为细节设计，后者称之为概念设计。概念设计主要包括功能设计和结构设计两大部分。其作用主要体现在产品设计的早期阶段，把主设计师根据产品功能的需求而萌发出来的原始构思和冲动形成产品的主体框架，及它应包括的各主要模块和组件，以完成整体布局和外型初步设计。然后进行评估和优化，确定整体设计方案。再由各责任设计师把总设计师的设计思想落实到具体设计中去，实现细节设计。可见概念设计是个创造性过程，它要求设计者能综合运用许多学科的专门知识和丰富的实践经验，并通过广泛的调查研究而占有大量的信息资料，再经过反复思考、推理和决策，才能创造出与众不同的、满足用户要求的设计方案来。

在工程设计领域中存在这样一个误区：设计、构思的原始冲动是三维概念，最终设计实施之结果即产品也是三维形体。可是多年来以二维绘图为基础的产品设计、制造模式严重地束缚了工程技术人员的创造力和想象力，成为创新的桎枯。

三维建模技术的崛起以及虚拟制造技术的出现为概念设计和创新提供了一种极好的工作平台，设计师们可以直接从三维概念和构思入手，进行概念设计，形成产品的初步框架，然后进一步通过工程分析、数字仿真、虚拟现实等高新技术手段来分析和评价设计方案的可行性及未来产品的质量、可靠性。这种设计方法尤其能充分发挥自顶向下的设计过程中,设计者的智慧和创新能力，不必拘泥于平面图纸的限制和束缚，而把主要精力聚焦于创造性的劳动——创新。

2概念设计与创造性思维和技术创新

2.1创造性思维及其特点

要设计就要有创新，而创新正是设计人员进行创造性思维的结果。设计人员要打破习惯性思维，变换角度，开阔视野，才能使自己的创造力得到更充分的发挥。创造性思维是指有创建的思维，即通过思维，不仅能揭示事物的本质，而且能在此基础上提供新的、具有社会价值的产物。创造性思维有扩散思维和集中思维、逻辑思维和形象思维、直觉思维和灵感思维等多种形式。在工程设计的概念设计中，要努力发掘创造性思维的能力，充分注意扩散思维和集中思维的辨证统一，准确把握逻辑思维和形象思维的巧妙结合，善于捕捉直觉思维和灵感思维的“闪光和亮点”，这样才有可能设计出新颖、独特、有创意的产品。

创造性思维具有如下一些特点：

（1）独创性：创造性思维所要解决的问题是不能用常规、传统的方式解决的问题。它要求重新组织观念，以便产生某种至少以前在思维者头脑中不存在的、新颖的、独特的思维。这就是它的独创性。独创性要求人们敢于对司空见惯或“完美无缺”的事物提出怀疑，敢于向传统的陈规旧习挑战，敢于否定自己思想上的“框框”,从新的角度分析问题、认识问题。

（2）连动性：创造性思维又是一种连动思维，它引导人们由已知探索未知，开拓思路。连动思维表现为纵向、横向和逆向连动。纵向连动针对某现象或问题进行纵深思考，探询其本质而得到新的启发。横向连动则通过某一现象联想到特点与它相似或相关的事物，从而得到该现象的新应用。逆向连动则是针对现象、问题或解法，分析其相反的方面，从顺推到逆推，从另一角度探索新的途径。

（3）多向性：创造性思维要求向多个方向发展，寻求新的思路。可以从一点向多个方向扩散；也可以从不同角度对同一个问题进行思考、解决。

（4）善于想象：创造性思维要求思维者善于想象，善于结合以往的知识和经验在头脑里形成新的形象，善于把观念的东西形象化。爱因斯坦有一句名言：“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。”只有善于想象，才有可能跳出现有事实的圈子，才有可能创新。

（5）突变性：直觉思维、灵感思维是在创造性思维中出现的一种突如其来的领悟或理解。它往往表现为思维逻辑的中断，出现思想的飞跃，突然闪现出一种新设想、新观念，使对问题的思考突破原有的框架，从而使问题得以解决。

2.2概念设计呼唤技术创新

技术创新在概念设计中发挥着至关重要的作用。概念设计中技术创新的本质就是要在工程设计领域中发现某种新事物、提出某种新思想，在很多情况下是因为现有的产品不能满足社会（用户）的需求而激发出的新颖构思和创见。技术创新的基础是知识的积累和灵感的迸发，是设计人员进行创造性思维的结果。创新本身就意味着不拘一格，不局限也不依赖于某种特定的模式，以下诸多方面都是孕育技术创新的土壤：

（1）多项现有技术的有机结合或综合运用往往会产生意想不到的效果；

（2）对已有知识的创造性总结和应用常常带来重大的科技突破；

（3）突发奇想但经过科学论证或实验证明所产生的新思路、新方法、新技术；

（4）新知识与现有知识的合理嫁接；

（5）产品功能上的兼收并蓄和去粗取精；

（6）学科间的交叉、交融和借鉴；

（7）新技术、新材料、新工艺的有机结合及应用；

（8）科学研究中的新发现和新成果应用于工程实践……。

由此可以进一总结出多种行之有效的创新技法：

l智力激励法：又称集智法、智暴法。即通过集会让设计人员用口头或书面交流的方法畅所欲言、互相启发进行集智或激智，引起创造性思维的连锁反应；

l提问追溯法：根据研究对象系统地列出有关问题，逐个核对讨论，从中获得解决问题的办法和创造性发明的设想，或是针对新开发产品的希望点（或缺点），逐点深入分析，寻找解决问题的新途径；

l联想类推法：通过相似、相近、对比几种联想的交叉使用以及在比较之中找出同中之异、异中之同，从而产生创造性思维和创新的方案；

l反向探求法：采用背离惯常的思考方法，通过逆向思维、转换构思，从功能反转、结构反转、因果反转等方面寻求解决问题的新途径；

l系统搜索法：从一个初始状态开始，分析影响系统的各个参量，逐步向前搜索，或采用孤立因素、更换参数等方法获取系统的多种解法并求得最优解；

l组（综）合创新法：将现有的技术或产品通过功能原理、构造方法的组合变化，或者通过已知的东西作媒介，将毫无关联的不同知识要素结合起来，摄取各种产品的长处使之综合在一起，形成具有创新性的设计技术思想或新产品；

l知识链接法：创新是一个动态的和复杂的作用过程和知识流，它包括知识的产生、开发、转移和应用，这四个阶段构成一条“知识供应链”并按照下述原则进行管理：把技术创新过程作为一个集成化的系统，只有将所有涉及该过程的伙伴捆绑在一起，才能发挥最大作用，这些伙伴都应明确什么知识内容才能满足用户最大需求，知识转移的特征和形式是什么，最终用户是谁，他们何时需要使用这些知识？涉及创新的所有信息流和通信流对全体伙伴都是开放的，在每个知识供应者和知识使用者之间建立信息反馈，使信息交换更为有效，知识供应链中每一个伙伴能够感受到整个系统和他们自己都从中获得巨大利益，认识到自己是链中不可缺少的重要环节。该方法适于更大范围内、更高层面上的技术创新。

3工程设计领域中的概念设计技术创新实践

基于上述分析，我们提出了若干种含有技术创新的产品概念设计范例：

（1）采用先进的控制、驱动和定位系统，由局部小画面组成整体大画面的可变画面巨型灯箱广告机的设计；

（2）时速超过运七飞机的高速铁路机车车身外型设计，既要满足空气动力学性能，又要有美观的外型，三维CAD建模技术和NURBS曲线面理论的应用；

（3）适应于多弯道和小半径城市轨道交通环境下的摆式列车车身及减振转向架的设计；

（4）反求工程已广泛应用于一些具有复杂曲面的实物模型（如模具）的三维数据重构，不妨借鉴用来对生物医学图象进行数字图象处理，为医务人员的临床诊断和治疗提供更逼真的三维模型和实体模型；

（5）基于电动机——发电机可逆原理的新型电动自行车的设计，把（下坡时）车轮转动的动能所转化成的电能再回充给蓄电池，从而增加电动自行车蓄电池一次充电使用的续行距离；

（6）加工中心自动换刀功能的扩展，用于东风4（11）型内燃机车发动机端面多轴孔加工的自动换箱多轴箱设计；

（7）把列车检修工人的丰富经验升华为专家系统——基于加速度传感器和单片机控制的智能式检振锤的设计；

（8）虚拟轴机床（并联机床）的概念设计。

这里以铁路机车车身设计为例，对概念设计及创新的过程加以说明。

时速300公里以上的高速列车在欧美、日本等发达国家得到广泛应用。我国已通过论证并计划在下世纪初建设第一条（京沪）高速铁路。

当我们看到法国TGV（TraindelaGrandeVitesse）实验车速达到515.25公里／小时时，我们知道这已经超过了我国“运八”飞机的时速，设计师的头脑中自然应该产生这样的概念：时速300公里的铁路机车车头的外型也应该像飞机那样具有流线型和光顺性，才会有较好的动力学特性。“光顺”一词的几何意义是所构造的曲线、曲面应具有C2连续，且无奇点。从通俗的概念来理解，即为“光滑顺眼”之意。

由这些概念和构思出发，我们可以由整体构思和概念设计逐步进入流线型机车车身的细节设计环节。

铁路工业和汽车工业对车身外型设计的先进性和创新性的都有着一致和迫切的要求。归纳起来应是以下几个方面：

l具有良好的空气动力学特性，以减少在高速运行时的摩擦阻力。

l具有良好的结构布局及足够的强度和刚度。

l具有美学曲面的质感和动感，以美化生活和环境。

l尽可能短的设计和制造周期，以尽快地占领市场。

显然满足上述诸要求的车身外型曲面是相当复杂的，非一般常规曲面（如柱面、球面、锥面、环面等）所能表达。再者，若按常规设计、制造方法和过程来完成如此高要求的设计外型，则上述第四项要求更是高不可攀。只有积极谋求技术进步，大力推广应用CAD/CAM技术才是解决车身外型改型频繁、不断创新且满足上述各种要求的关键所在。

近十年来，CAD业界涌现出一批象EDS的UG、PTC的Pro-Engineer、MATRA的EUCLID、IBM的CATIA等等一系列优秀的CAD/CAM软件，为我们提供了一个极好的开发工具和环境。它们的三维实体建模、参数建模及复合（Hybrid）建模技术，实体与曲面相结合的造型方法，以及自由形式特征建模（FreeFormFeatureModeling）技术为我们的设计工作提供了强有力的工具。

这里具体地介绍如何使用UG的FreeFormFeature等功能，来实现车身外型的概念设计到细节设计。

UG的FreeFormFeatureModeling模块把实体建模和表面建模技术集成为一个功能十分强大的建模工具组，它支持复杂自由曲面的造型设计。它的复合建模技术，自由型面特征建模，可视化编辑，多组件装配，二维视图自动生成，尤其是伴随最新UGV14.0版本推出的全新概念设计WAVE（What-ifAlternativeValueEngineering）可使不同部门的工程师在设计的早期阶段，站在系统工程的角度，同时针对多种可供选择的方案进行评估，通过将设计意图组织到一个“控件结构”中去，使工程师十分有效地控制设计变更，而且所发生的变更会自动地传递到上级设计中去。

这里以创建流线型机车车身外型为例，具体步骤如下：

（1）根据前节所述模线的来源，本例参考法国TGV和德国ACE机车外型模板，并加以个性化修改。所选定的23条模型基线见于图1。

外形模型基线向等值半径线云图

以这一组模线为基础，采用UG的FreeFormFeature/ThroughCurve来创建曲面；采用Info/Analysis/FaceCurvature功能来观察和分析该曲面的光顺性，图2即为车身外型曲面及顶面法向半径等值线云图。

在构造模线的原始数据中可能有“瑕点”，或者仅凭“感觉”进行判断，创建的曲面不一定能完全满足C2连续的条件和光顺性的要求,可以通过光顺处理予以满足。图3是对其中一条模线进行光顺处理的过程。值得重视的是：获得一组光顺的模线是生成光顺曲面的必要条件。

采用光顺后的模线重新构造车身外型曲面。采用UG/Photo功能并指定材质，可进行着色、光照、渲染，以得到更为逼真的三维造型图。见图4。

图4机车车身三维造型图5机车车身二维投影图

（5）对机车车身裙部和头部下端，可采用Feature/Curve/Mesh功能分片进行创建。这里充分体现出UG软件对角域曲面的三维造型能力。

（6）机车车身三维造型基本实现之后，还可进一步作局部修改，由于UG软件的“相关”（Associative）能力,这里进行的修改将影响到它所关联的所有设计过程。

（7）三维造型细节设计完成之后，其各方向二维视图可由应用软件自动生成，设计人员不必再做重复工作。图5即为该机车车身外型的二维侧视图。

参考文献

[1]齐从谦.汽车覆盖件具CAD/CAM中的曲面特征造型及特征识别.中国机械工程:15~18

技术创新概念篇（7）

1工程领域中的概念设计

现代科技的迅猛发展，尤其是微电子、信息、新材料及集成技术的进展，使产品结构发生了革命性的变化，机电一体化、模块化已成为工程产品的发展趋势；计算机技术的飞速发展和广泛应用，深刻的影响着设计开发过程、制造过程、营销和售后服务过程，并改变着产品的结构和功能；先进工艺技术和先进制造技术为现代工程设计提供了前所未有的工艺技术手段和社会化制造体系。这些变化都深刻地影响着工程设计的发展。

工程设计是人们运用科技知识和方法，有目标地创造工程产品构思和计划的过程，几乎涉及到人类活动的全部领域。工程设计的费用往往只占最终产品成本的一小部分（8~15%），然而它对产品的先进性和竞争能力却起着决定性的影响,并往往决定70~80%的制造成本和营销服务成本。所以说工程设计是现代社会工业文明的最重要的支柱，是工业创新的核心环节，也是现代社会生产力的龙头。工程设计的水平和能力是一个国家和地区工业创新能力和竞争能力的决定性因素之一。

工程设计的全过程就是不断建立各种模型，并不断进行综合和分析的过程，即反复地创造模型和评价模型的过程。工程设计的内容大致可分为两类：一类是数值计算型的工作，包括大量的计算、分析、绘图、编写说明书和填写各种表格；另一类是符号推理性的工作，主要是方案设计工作。在设计方法学中，前者称之为细节设计，后者称之为概念设计。概念设计主要包括功能设计和结构设计两大部分。其作用主要体现在产品设计的早期阶段，把主设计师根据产品功能的需求而萌发出来的原始构思和冲动形成产品的主体框架，及它应包括的各主要模块和组件，以完成整体布局和外型初步设计。然后进行评估和优化，确定整体设计方案。再由各责任设计师把总设计师的设计思想落实到具体设计中去，实现细节设计。可见概念设计是个创造性过程，它要求设计者能综合运用许多学科的专门知识和丰富的实践经验，并通过广泛的调查研究而占有大量的信息资料，再经过反复思考、推理和决策，才能创造出与众不同的、满足用户要求的设计方案来。

在工程设计领域中存在这样一个误区：设计、构思的原始冲动是三维概念，最终设计实施之结果即产品也是三维形体。可是多年来以二维绘图为基础的产品设计、制造模式严重地束缚了工程技术人员的创造力和想象力，成为创新的桎枯。

三维建模技术的崛起以及虚拟制造技术的出现为概念设计和创新提供了一种极好的工作平台，设计师们可以直接从三维概念和构思入手，进行概念设计，形成产品的初步框架，然后进一步通过工程分析、数字仿真、虚拟现实等高新技术手段来分析和评价设计方案的可行性及未来产品的质量、可靠性。这种设计方法尤其能充分发挥自顶向下的设计过程中,设计者的智慧和创新能力，不必拘泥于平面图纸的限制和束缚，而把主要精力聚焦于创造性的劳动——创新。

2概念设计与创造性思维和技术创新

2.1创造性思维及其特点

要设计就要有创新，而创新正是设计人员进行创造性思维的结果。设计人员要打破习惯性思维，变换角度，开阔视野，才能使自己的创造力得到更充分的发挥。创造性思维是指有创建的思维，即通过思维，不仅能揭示事物的本质，而且能在此基础上提供新的、具有社会价值的产物。创造性思维有扩散思维和集中思维、逻辑思维和形象思维、直觉思维和灵感思维等多种形式。在工程设计的概念设计中，要努力发掘创造性思维的能力，充分注意扩散思维和集中思维的辨证统一，准确把握逻辑思维和形象思维的巧妙结合，善于捕捉直觉思维和灵感思维的“闪光和亮点”，这样才有可能设计出新颖、独特、有创意的产品。

创造性思维具有如下一些特点：

（1）独创性：创造性思维所要解决的问题是不能用常规、传统的方式解决的问题。它要求重新组织观念，以便产生某种至少以前在思维者头脑中不存在的、新颖的、独特的思维。这就是它的独创性。独创性要求人们敢于对司空见惯或“完美无缺”的事物提出怀疑，敢于向传统的陈规旧习挑战，敢于否定自己思想上的“框框”,从新的角度分析问题、认识问题。

（2）连动性：创造性思维又是一种连动思维，它引导人们由已知探索未知，开拓思路。连动思维表现为纵向、横向和逆向连动。纵向连动针对某现象或问题进行纵深思考，探询其本质而得到新的启发。横向连动则通过某一现象联想到特点与它相似或相关的事物，从而得到该现象的新应用。逆向连动则是针对现象、问题或解法，分析其相反的方面，从顺推到逆推，从另一角度探索新的途径。

（3）多向性：创造性思维要求向多个方向发展，寻求新的思路。可以从一点向多个方向扩散；也可以从不同角度对同一个问题进行思考、解决。

（4）善于想象：创造性思维要求思维者善于想象，善于结合以往的知识和经验在头脑里形成新的形象，善于把观念的东西形象化。爱因斯坦有一句名言：“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。”只有善于想象，才有可能跳出现有事实的圈子，才有可能创新。

（5）突变性：直觉思维、灵感思维是在创造性思维中出现的一种突如其来的领悟或理解。它往往表现为思维逻辑的中断，出现思想的飞跃，突然闪现出一种新设想、新观念，使对问题的思考突破原有的框架，从而使问题得以解决。

2.2概念设计呼唤技术创新

技术创新在概念设计中发挥着至关重要的作用。概念设计中技术创新的本质就是要在工程设计领域中发现某种新事物、提出某种新思想，在很多情况下是因为现有的产品不能满足社会（用户）的需求而激发出的新颖构思和创见。技术创新的基础是知识的积累和灵感的迸发，是设计人员进行创造性思维的结果。创新本身就意味着不拘一格，不局限也不依赖于某种特定的模式，以下诸多方面都是孕育技术创新的土壤：

（1）多项现有技术的有机结合或综合运用往往会产生意想不到的效果；

（2）对已有知识的创造性总结和应用常常带来重大的科技突破；

（3）突发奇想但经过科学论证或实验证明所产生的新思路、新方法、新技术；

（4）新知识与现有知识的合理嫁接；

（5）产品功能上的兼收并蓄和去粗取精；

（6）学科间的交叉、交融和借鉴；

（7）新技术、新材料、新工艺的有机结合及应用；

（8）科学研究中的新发现和新成果应用于工程实践……。

由此可以进一总结出多种行之有效的创新技法：

l智力激励法：又称集智法、智暴法。即通过集会让设计人员用口头或书面交流的方法畅所欲言、互相启发进行集智或激智，引起创造性思维的连锁反应；

l提问追溯法：根据研究对象系统地列出有关问题，逐个核对讨论，从中获得解决问题的办法和创造性发明的设想，或是针对新开发产品的希望点（或缺点），逐点深入分析，寻找解决问题的新途径；

l联想类推法：通过相似、相近、对比几种联想的交叉使用以及在比较之中找出同中之异、异中之同，从而产生创造性思维和创新的方案；

l反向探求法：采用背离惯常的思考方法，通过逆向思维、转换构思，从功能反转、结构反转、因果反转等方面寻求解决问题的新途径；

l系统搜索法：从一个初始状态开始，分析影响系统的各个参量，逐步向前搜索，或采用孤立因素、更换参数等方法获取系统的多种解法并求得最优解；

l组（综）合创新法：将现有的技术或产品通过功能原理、构造方法的组合变化，或者通过已知的东西作媒介，将毫无关联的不同知识要素结合起来，摄取各种产品的长处使之综合在一起，形成具有创新性的设计技术思想或新产品；

l知识链接法：创新是一个动态的和复杂的作用过程和知识流，它包括知识的产生、开发、转移和应用，这四个阶段构成一条“知识供应链”并按照下述原则进行管理：把技术创新过程作为一个集成化的系统，只有将所有涉及该过程的伙伴捆绑在一起，才能发挥最大作用，这些伙伴都应明确什么知识内容才能满足用户最大需求，知识转移的特征和形式是什么，最终用户是谁，他们何时需要使用这些知识？涉及创新的所有信息流和通信流对全体伙伴都是开放的，在每个知识供应者和知识使用者之间建立信息反馈，使信息交换更为有效，知识供应链中每一个伙伴能够感受到整个系统和他们自己都从中获得巨大利益，认识到自己是链中不可缺少的重要环节。该方法适于更大范围内、更高层面上的技术创新。

3工程设计领域中的概念设计技术创新实践

基于上述分析，我们提出了若干种含有技术创新的产品概念设计范例：

（1）采用先进的控制、驱动和定位系统，由局部小画面组成整体大画面的可变画面巨型灯箱广告机的设计；

（2）时速超过运七飞机的高速铁路机车车身外型设计，既要满足空气动力学性能，又要有美观的外型，三维CAD建模技术和NURBS曲线面理论的应用；

（3）适应于多弯道和小半径城市轨道交通环境下的摆式列车车身及减振转向架的设计；

（4）反求工程已广泛应用于一些具有复杂曲面的实物模型（如模具）的三维数据重构，不妨借鉴用来对生物医学图象进行数字图象处理，为医务人员的临床诊断和治疗提供更逼真的三维模型和实体模型；

（5）基于电动机——发电机可逆原理的新型电动自行车的设计，把（下坡时）车轮转动的动能所转化成的电能再回充给蓄电池，从而增加电动自行车蓄电池一次充电使用的续行距离；

（6）加工中心自动换刀功能的扩展，用于东风4（11）型内燃机车发动机端面多轴孔加工的自动换箱多轴箱设计；

（7）把列车检修工人的丰富经验升华为专家系统——基于加速度传感器和单片机控制的智能式检振锤的设计；

（8）虚拟轴机床（并联机床）的概念设计。

这里以铁路机车车身设计为例，对概念设计及创新的过程加以说明。

时速300公里以上的高速列车在欧美、日本等发达国家得到广泛应用。我国已通过论证并计划在下世纪初建设第一条（京沪）高速铁路。

当我们看到法国TGV（TraindelaGrandeVitesse）实验车速达到515.25公里／小时时，我们知道这已经超过了我国“运八”飞机的时速，设计师的头脑中自然应该产生这样的概念：时速300公里的铁路机车车头的外型也应该像飞机那样具有流线型和光顺性，才会有较好的动力学特性。“光顺”一词的几何意义是所构造的曲线、曲面应具有C2连续，且无奇点。从通俗的概念来理解，即为“光滑顺眼”之意。

由这些概念和构思出发，我们可以由整体构思和概念设计逐步进入流线型机车车身的细节设计环节。

铁路工业和汽车工业对车身外型设计的先进性和创新性的都有着一致和迫切的要求。归纳起来应是以下几个方面：

l具有良好的空气动力学特性，以减少在高速运行时的摩擦阻力。

l具有良好的结构布局及足够的强度和刚度。

l具有美学曲面的质感和动感，以美化生活和环境。

l尽可能短的设计和制造周期，以尽快地占领市场。

显然满足上述诸要求的车身外型曲面是相当复杂的，非一般常规曲面（如柱面、球面、锥面、环面等）所能表达。再者，若按常规设计、制造方法和过程来完成如此高要求的设计外型，则上述第四项要求更是高不可攀。只有积极谋求技术进步，大力推广应用CAD/CAM技术才是解决车身外型改型频繁、不断创新且满足上述各种要求的关键所在。

近十年来，CAD业界涌现出一批象EDS的UG、PTC的Pro-Engineer、MATRA的EUCLID、IBM的CATIA等等一系列优秀的CAD/CAM软件，为我们提供了一个极好的开发工具和环境。它们的三维实体建模、参数建模及复合（Hybrid）建模技术，实体与曲面相结合的造型方法，以及自由形式特征建模（FreeFormFeatureModeling）技术为我们的设计工作提供了强有力的工具。

这里具体地介绍如何使用UG的FreeFormFeature等功能，来实现车身外型的概念设计到细节设计。

UG的FreeFormFeatureModeling模块把实体建模和表面建模技术集成为一个功能十分强大的建模工具组，它支持复杂自由曲面的造型设计。它的复合建模技术，自由型面特征建模，可视化编辑，多组件装配，二维视图自动生成，尤其是伴随最新UGV14.0版本推出的全新概念设计WAVE（What-ifAlternativeValueEngineering）可使不同部门的工程师在设计的早期阶段，站在系统工程的角度，同时针对多种可供选择的方案进行评估，通过将设计意图组织到一个“控件结构”中去，使工程师十分有效地控制设计变更，而且所发生的变更会自动地传递到上级设计中去。

这里以创建流线型机车车身外型为例，具体步骤如下：

（1）根据前节所述模线的来源，本例参考法国TGV和德国ACE机车外型模板，并加以个性化修改。所选定的23条模型基线见于图1。

外形模型基线向等值半径线云图

以这一组模线为基础，采用UG的FreeFormFeature/ThroughCurve来创建曲面；采用Info/Analysis/FaceCurvature功能来观察和分析该曲面的光顺性，图2即为车身外型曲面及顶面法向半径等值线云图。

在构造模线的原始数据中可能有“瑕点”，或者仅凭“感觉”进行判断，创建的曲面不一定能完全满足C2连续的条件和光顺性的要求,可以通过光顺处理予以满足。图3是对其中一条模线进行光顺处理的过程。值得重视的是：获得一组光顺的模线是生成光顺曲面的必要条件。

采用光顺后的模线重新构造车身外型曲面。采用UG/Photo功能并指定材质，可进行着色、光照、渲染，以得到更为逼真的三维造型图。见图4。

图4机车车身三维造型图5机车车身二维投影图

技术创新概念篇（8）

1.主动的电影数字特技创作意识

主动的创作意识是指在掌握创作手段和应用规律后,以新技术或观念为指导,在电影创作观念、表现形式、叙事风格等诸多元素的构想中主动地运用新技术,充分运用技术在视觉审美、可实现性、成本控制等方面的优势,同时能够清楚地认识技术的局限性,最大限度地发挥技术优势,完成叙事功能。纵观电影发展历史,就是一部技术与艺术的互动史。只有充分掌握艺术和技术规律的创作者,才能发挥技术的优势,甚至能巧妙转化技术的局限性,达到艺术与技术的完美结合,与此同时,也推进了技术的完善和进步。

詹姆斯·卡梅隆执导的《阿凡达》是目前电影数字特技制作最高水平的代表,从其制作过程可以看出,卡梅隆具有一种主动的电影数字特技创作意识,“用高科技讲故事”的内涵正是以科技进步所提供的新的感知形式和创作意识来完成电影叙事的思想,“对我而言,科幻的美妙其实就是真实感的诱惑,就是创建一个让观众完全沉浸其中的、细腻的,充满质感的真实世界。这些正是我想在《阿凡达》里做到的。”([美]朱迪·邓肯,《真实感的诱惑》,载于《电影艺术》2010年第2期140页)卡梅隆从剧本创作到设备创新,从3D效果到虚拟摄影,数字技术已不单是一种技术性操作,而是卡梅隆的全新的创作意识。在《阿凡达》一片中,卡梅隆的电影数字特技创作意识体现在以下几个方面:

1)“……一个伟大演员的表演和一个优秀动画师的作品是相悖的……”,([美]朱迪·邓肯,《真实感的诱惑》,149页)这的确是一语中的,说出了数字技术在模拟真人表演时的核心问题。纵观以往影片中的数字角色,大多是通过夸张的表演来表情达意,经不起特写镜头中对内心情感的揭示,因为人的表情信息太微妙了。艾伯特·麦拉宾关于人际沟通的研究表明,人们进行语言交流时,7%的信息来自对方的语言,38%来自对方的谈话方式(语气、语调等),55%来自表情。(任悦,《视觉传播概论》,中国人民大学出版社,2008年6月第一版,第4页。)可见人的表情的在传达情感时的意义,却是最难以觉察和把握的,伟大演员的魅力正在于此,也是数字角色通过夸张表演所要掩饰的。卡梅隆为了让数字女主角——纳美人妮特丽成为一名具有“真实”情感的演员,使用了Paul Ekman开发的FAC(脸部运动编码系统),对人类面部表情进行量化并将其数字化;多角度拍摄真人演员的表演和表情,实现对真人表情的模拟。可以说,这是电影史上一个伟大“演员”的诞生,数字角色的表演达到了一个新的高度,这一高度不完全是技术上的,而是艺术创作追求所造就的。

2)工欲善其事,必先利其器,创作手段和方法会改变创作意识。卡梅隆深知这一点,为了让数字镜头达到与实拍一样的镜头感,他完善了虚拟摄影技术,实现了人机一体的操作方式。同时,使得虚拟摄影可以达到实时视觉呈现,这是将人对摄影的自然反映与虚拟视觉有机结合在一起。对于创作者而言,视觉信息的实时反馈是极为重要的,这是进行高效创作时进行信息交流、激发创造力的重要条件。从这一点可以看出,卡梅隆对技术的理解是多么的深刻,敏锐地认识到技术对艺术创作的局限所在和解决方向,并努力去突破。

3)《阿凡达》中所提供的新的视觉感知是全方位的。从3D立体感、令人心仪的妮特丽、自然的数字虚拟摄影镜头,这是最新科技在影像制作领域最高水准的组合,是影视制作的新思维的具体表现,势必会带动整个电影领域内创作者的意识更新,数字技术的应用将朝着更高层次的方向发展。

2.电影数字特技的创作理念

电影数字特技创作理念是新技术条件下,电影影像观念和手段都发生了革新,尤其是技术手段改变的同时带来了创作心理和创作体验乃至影像风格、视觉表现形式、视听语言的改变。影像的完全虚拟制作和拟真效果,带来了影像表现力和表现层次的丰富,影像可以承载更多的叙事指代,影像的语意表达更精准。影像在视觉呈现上要更容易激发观众深层心理的意象,产生更为广泛的共鸣。与之相应的是,创作者在对影像的把握上更注重对人类潜在的心理探寻,充分利用心理意象在审美中的作用,展示更丰富的人类情感世界。

3.电影数字特技的可操作性

电影数字特技是依托于高技术、大投入来实现的,并且在与影片叙事风格的结合上有一定的探索性,只有把握艺术要求、技术实现和预算周期等多方面的平衡点,才能在前期的数字特技设计时根据实际情况进行视觉效果设定和方案规划。

卡梅隆在《阿凡达》的创作中,前后耗时十余年,其中的原因之一就是技术的可操作性无法达到他的期望。为此,卡梅隆进行了长期的实验和研发,并通过拍摄实践来验证其技术的实现程度,积累经验。这说明,如果创作者对技术缺乏了解和实践,不在前期构思阶段考虑技术因素,是不可能有效利用数字特技进行艺术创作的。

4.整体数字特技设计策略

随着数字特技做为一种广泛应用的影像制作技术,在电影的制作中越来越多的镜头需要进行不同类型的数字技术处理,数字特技设计的对象已不再是单一的特技镜头画面设计,而是一整套结合电影叙事风格、摄影、美术等多角度考虑的整体设计及实施方案策略。

在1933年梅里安·C·库珀和欧内斯特·B·舍德萨克执导的《金刚》中,使用了大量传统特技手段,如背景放映、模型、逐格拍摄、绘画接景等。在电影技术不发达的时代,将多种原始复杂的影像制作技术融合在一起,需要前期细致的规划和以叙事为主导的整体技术应用策略。

整体特技设计策略是宏观把握影片中的特技运用,完全从叙事角度来考虑,没有对特技的整体性思考,很难保证技术、视觉和叙事形成有机的整体,这一点在电影特技体系更为复杂化、专业化的今天,显得尤为重要。

二、从概念意象影像

概念意象影像,就是从电影数字特技设计的创作和观影心理过程来考查创作者如何构思特技镜头的画面,在对其心理过程的探究中,找到电影数字特技设计中的思维特征。

1.概念与意象

当知觉形象作用于人的感观后,形象被进行抽象处理,形成概念和意象,这是两种不同的抽象过程。概念源于一般的、逻辑的抽象形式,并进而产生符号,其特征是逻辑的,语言的,可称为“思想的图解”。意象是更为高级的抽象形式,是人的思维中进行高级运算的“筹码”,其总体特征为“总是显 得模糊、短暂、破碎和残缺不全,因而几乎不可能加以描绘”,“是包容着理解和情感倾向的复合性心理构成”,“使无数形象的浓缩、积淀”。( [美] 苏珊·朗格 着,《艺术问题》,南京出版社,2006年1月第一版,第146页)意象是人对外界信息进行主观情感性把握的高级形式,也正是视觉思维和艺术思维的运作形式,审美意象正是艺术作品的内在形式,而当这种内在形式被转化为某种外在表现形式时,就是艺术作品。优秀的艺术作品就是通过形象来传达创作者的负载着情感和信息的审美意象,并在观赏者的心中激发审美意象,调动观众的情感,因此艺术作品又被称为“有意味的形式”。( [美] 苏珊·朗格 着,《艺术问题》,第144页)

2.创作意象

德国格式塔心理学家惠特海姆在《创造性思维》一书中对与创造性思维过程有详细的论述。其中,“他提出了艺术和音乐家等创作思维的特征,在艺术创作中,人们似乎并不是首先看到问题情境中的特点和要求,反而是先模糊地感受到想要获得的结果的某些特征,并产生强烈的想要实现这一结果的冲动,……最初当目标非常模糊的时候,艺术家处于一种胶着状态,但结果的形象逐渐变得清晰,并逐步掌握各个组成部分。”(柳沙 编着,《设计艺术心理学》,清华大学出版社,2006年7月第一版,第366页)所谓的“艺术创作对于结果的那种模糊的预见”就是创作者头脑中的一种意象,上述论点说明,在艺术创作中,各种元素——情感、形式、联系、刺激、问题、经验都如同氤氲飘荡的云烟,构成一个变幻的不稳定的意象,这种意象正是艺术家对某种存在的最直接的把握,并以一种切身的情感体验和意象被获知,然后经过不断的努力和尝试,将这种意象所承载的意蕴以具体的艺术形式表现出来。

在影像制作中,创作者根据电影叙事情节的需要,运用独特的视觉思维,在头脑中运用意象进行思维,同时植入各种概念、情感和信息,以视觉形象表现出来。观众也同样是对视听刺激进行感知,并激发产生审美意象。对于数字特技设计而言,首先是通过构建虚拟影像的真实感,进而产生心理真实,充分调动观众内心中的各种视觉积淀和意象,构建虚拟影像空间概念,调动观众情绪,以此为电影叙事服务。

三 电影数字特技设计中的概念化表达

技术创新概念篇（9）

关键词：

工业设计；产品概念设计；设计方法；色彩因素；形态因素

现代科学技术的快速发展，大量先进技术逐渐广泛应用在各个行业领域，对于工业产品设计而言，在一定程度上促使产品结构出现了根本性的变革。总的说来，工业产品设计主要是人们通过现代科学技术和理论知识，有意识地构思产品设计流程，其中包括人类活动的众多领域内容。可以说，工业设计水平高低直接影响到一个地区或者国家市场竞争能力大小，具有较为深远的意义。工业产品设计中产品概念设计需要设计师具备较高的专业素质以及设计经验，能够结合实际设计需求，将更多新鲜元素融入其中，设计出一个总体框架，在这个框架基础上，运用专业知识以及加工工艺，赋予工业产品更深次的内涵和性能，以求更好地满足消费者的个性化需求。

一、工业设计中产品概念设计概述

产品概念设计主要是指在明确任务目标后，通过一系列抽象化的功能结构，寻求适合的作用原理，寻求最为合理的设计方案，这一过程称为概念设计[1]。而工业设计中产品概念设计是指从产品缺口到建立模型的过程中，不断进行分析和整合，对模型进行创造性的评价。总的说来，工业设计中一方面包含了大量数值计算性的工作，诸如计算分析、绘图以及填写表格等，另一方面是概念设计工作，主要是创造产品设计具体方案。概念设计贯穿于产品设计的各个环节，从市场缺口、到产品定位的模糊前期再到结构设计以及功能设计。在产品设计早期阶段，根据社会条件形成的市场需要和经济技术条件确定产品的模糊前期（SET因素），形成产品开发的模糊概念和定性分析，根据前期定位将产品功能需求和设计思路进行细化和求解，将内容展现为大致的设计框架，组成框架的模块和组件，来完成产品的设计方案。而设计师的概念设计贯穿整个过程，并对初步设计完成的设计方案进行造型构思，最后结合实际条件需求形成最终的设计方案。随后，将设计完成的方案分配到具体设计中，对方案中具体细节进行推敲，在这个过程中，需要充分考虑设计者的创造能力，自身学科知识储备以及设计经验的丰富，以及是否能够结合资料数据进行推理和决策，这样才能创造出更符合消费者个性化的设计需求[2]。概念设计并非是简单的传统意义上的方案设计，其内涵更为广泛、有深度，根据产品生命周期对产品功能进行创造、分解以及结构设计，是一个设计创造过程，同时也是一个实验求解过程，从而满足各项设计需求和指标，从多项设计方案中选择最为合理的设计方案。概念设计过程中，设计人员需要具备较高的专业知识和设计经验，能够与时俱进采用更为先进的设计方法和商用运作知识，才能更为全面地应对消费者个性化的设计需求[3]。

二、工业设计中产品概念设计特性

其一，创新性。无论是工业产品设计还是其他产品设计，最突出的特点就是追求创新性，作为设计的核心要素，只有不断地进行创新才能得到性能优良，更富有竞争力的工业产品，从多种设计方案中选择一种最为合理的设计方案，吸收其他方案的优点，形成一种创新型设计方案[4]。其二，多样性。工业设计中产品概念设计的多样性特点主要表现在设计结果的多样化，以及设计思路多样化。根据设计事理学方法论，同一产品因其人、事、物、场的不同会形成不同的功能需求，因此在概念设计时会产生完全不同的设计思路，选择的设计方法同样存在明显差异。诸如在椅子的设计中，室内椅、室外椅、交通工具座椅、咖啡馆椅的设计概念会因椅子所处的环境和使用者的不同形成不同的解决思路。其三，层次性。对工业设计中的产品概念设计主要反映在功能、载体结构方面，产品的功能定义和功能分解反映在功能层，结构修改和变异作用在结构层，将两种层面连接起来，从而形成产品的设计层次[5]。无论是功能层还是结构层，自身具有一定的层次关系，层层递进，不同层次功能对应不同的层次结构。

三工业设计中产品概念设计的一般方法和设计因素

（一）工业设计中产品概念设计的一般方法产品概念设计时选择合理的设计方法，对于设计价值提升有着较为突出的作用，同时也能够体现出设计师自身的综合设计能力。一般情况下，工业设计中产品概念设计方法主要包括以下几个方面：其一，联想法，在工业产品开发过程中，可以在原有产品性能以及技术基础上进行联想，构思新产品的功能和形态，从而完成工业产品设计，同样可以在其他领域产品基础上进行联想，为工业产品设计提供构思基础；其二，仿生学法，通过对自然界的感悟来寻求设计灵感，观察某一种生物的结构和形态，将此类元素融入到工业产品设计中；其三，缩小和扩大法，将工业产品的局部设计点；其四，逆向思维法，设计师在设计过程中，主要是采用传统设计思维，可以通过对逆向思考产品原有的顺序或者设计方法，来获得设计灵感；其五，类比法，就某种产品而言，一经推出，市场可能会出现众多类似产品，通过对产品的设计比较，能够发现其他产品中创新的思维和方法，完善自身，设计出更为新颖的工业产品[6]。

（二）工业设计中产品概念设计需要考虑的因素功能因素。工业产品概念设计时需要充分考虑到产品的功能，只有功能得到创新才能吸引更多的消费者。功能是产品的实质性要求，消费者购买的并非是产品本身，而是产品所提供的功能。所以，在产品设计时以产品功能因素为核心，进行优化设计，提供可行的功能设计方案。构成因素。产品概念设计需要考虑到产品构成要素，对这些构成要素进行分解和组合，取得最为优秀的产品，将其称之为优化过程。设计师在对各种元素进行优化组合，结合实际工业产品设计需求，形成最为合理的设计方案。由此看来，对产品构成要素进行设计有助于实现产品的优化。形态因素。工业设计中产品概念设计过程中需要运用多种学科理论，涉及层面较广，结合实际设计需求进行设计，总的说来，设计师在产品概念设计过程中需要协调不同形态因素之间的关系，合理配置形态因素和知识，实现产品形态最优。色彩因素[7]。作为产品构成中不可或缺的组成部分，色彩因素的合理搭配往往能够带给人们更为强烈的视觉冲击，无形中影响着人们对于工业产品的客观评价。在工业设计中产品概念设计时，充分考量色彩因素，结合实际设计需求进行配置，有助于借助色彩来刺激消费者内心感知，感悟工业产品设计中的内涵，同设计师产生灵魂的共鸣，直观地感受到设计师想要通过工业产品来传递的思想和内容，为产品带来附加值，激发消费者购买欲望，赢得消费者的青睐，提升产品经济效益。

四、工业设计中产品概念设计

（一）概念设计阶段工业设计中产品概念设计主要可以分为三个阶段，其一是概念产生阶段、选择阶段以及实现阶段，其中概念的产生阶段主要是指通过分析趋势、创新技术、经济条件等调研获得产品开发方向，形成模糊的产品设计方向，将所有设计思路梳理清楚，明确有待解决的问题，合适的设计方法。对于其中存在的问题有针对性的提出解决方案，在众多解决方案中选择最优的解决方案，即概念设计方案。其二，概念选择阶段，确立评判标准，从众多概念中选择切实可行的方案，其主要选择方式有外部决策、多数表决以及辩论等，在实际应用中较为切实有效[8]。其三。概念实现阶段，将选择出来的概念设计方案制作出模型或者实际产品，实现概念设计。

（二）概念设计关键点创造性思维。工业设计中产品概念设计中融入创造性思维是必不可少的，同时也是设计的灵魂关键，需要设计人员进行创造性思考，获得创新。所以，应注重强化培养设计人员创造性思维能力，不断完善自身专业设计能力和工作经验，将逻辑思维和形象思维巧妙结合在一起，创造出更为新颖独特的工业产品[9]。技术创新。在工业设计中产品概念设计中，技术创新具有至关重要的作用，其本质就是挖掘新鲜事物，提出更为新颖的设计理念，但是在多数情况下设计的产品无法满足人们日益增长的需求。技术创新是知识的积累和灵感的勃发，单一的技术创新并不具备实际应用价值，只有将创新技术实际应用在产品设计中，这种技术突破性创新才富有实际意义，提升产品经济效益。应用虚拟现实技术。虚拟现实技术应用在工业产品概念设计中，有助于概念设计更好而满足市场需求，趋于市场化发展。为了能够更好地满足市场需求，虚拟现实技术能够为工业产品概念设计带来更大优势，当消费者面对一种虚拟的富有故事情境的产品，能够带给消费者一种直观的互动感受，加强设计师同消费者之间的共鸣，带来别样的感受。此外，这样的产品设计能够大大降低市场风险，为企业决策人提供更好的发展依据，提升市场竞争力。

五、结论

工业设计中产品概念设计并非是针对某一种产品的创新和完善，旨在将全新的生活方式和诉求带给消费者，吸收更多新鲜元素融入其中，促使工业产品更为贴近人们的日常生活。所以，工业产品设计师应敢于创新，借助巧妙的设计方法，更好的迎合市场需要，提升企业市场竞争力，谋求更长远的发展。

参考文献

[1]谭征宇.面向用户感知信息的产品概念设计技术研究[D].浙江大学,2012.

[2]刘艳.产品概念设计研究及其在工业设计领域中的运用[D].天津大学,2013.

[3]李建平.基于绿色模块化设计方法的产品概念设计分析[D].重庆大学,2012.

[4]曹志鹏.工业设计中概念设计教学的研究与应用[D].江南大学,2014.

[5]张军.基于知识的复杂产品工业设计辅助系统的研究与应用[D].湖南大学,2013.

[6]白雪.新产品开发的工业设计流程及评价体系的研究[D].四川大学,2011.

技术创新概念篇（10）

在进行数学概念的教学之前，作为教师首先应在观念上加以改变．因为只有在教学观念上加以改变和创新，才能更好的指导教学．概念教学观念的转变和创新，就是要在素质教育质量观的要求下，充分建立以人为本的学生主体观，创设民主、平等、和谐、合作的教学氛围，充分利用现代教育技术手段实现优质高效的教学效果．信息技术则能够突破教育环境的时空限制，使学生在特定的接近现实的情景中，主动地获取知识．因此，在信息技术环境下注重学生的参与性，发挥其在学习中的主体性，使学生转变成为主动参与的学习主体也是在新的学习环境下的一种新的学习方式[1]。随着信息技术在教学中应用的日渐成熟，数学概念的教学也发生了转变。利用计算机辅助课堂教学(CAI，可以充分地体现学生在学习过程中的主体地位，显示出学生学习的主体性，强化了个别化教学，这对于发挥学生的主动性和进行因人而异的指导无疑是大有裨益的。网络的发展及其教学中的引入更加强了学生在学习过程中的主体地位．在学习高级认知能力的场合(例如对疑难问题求解或是要求对复杂问题进行分析、综合、评价的场合)，采用协作(Collaboration)式教学策略往往能取得事半功倍的效果，因而更能奏效所谓协作式教学策略，要求为多个学习者提供对同一问题用多种不同观点进行观察比较和分析综合的机会，以便集思广益．这不仅对问题的深化理解和知识的掌握运用大有裨益，而且对高级认知能力的发展、合作精神的培养和良好人际关系的形成也有明显的促进作用，因而，基于计算机网络的协作学习也日益受到愈来愈多教育工作者的关注．超文本特性与网络特性的结合更促进了学生间的相互交流，学生的参与度更大，对数学概念的理解也就越直接越深刻。总之，信息技术在数学概念的教学过程中的应用，是数学概念教学的一种新型教学手段，由于其视听结合、手眼并用的特点及其模拟、反馈、个别指导和游戏的内在感染力，故具有更大的吸引力。

1.2利用信息技术手段创设适教学情境，激发学生学习动机

新课程要求建立的新学习方式是一种“以弘扬人的主体性为宗旨、以促进人的可持续发展为目的，有许多具体方案构成的多维度、具有不同层次结构的开放系统。数学概念往往是由一些实际实例和具体的数学材料抽象概括而成的，学生总感到枯燥无味，因此，在数学概念的学习过程中，教师应合理利用现代教育技术手段，根据讲授内容和学生的实际情况充分利用各种教学媒体、选择素材创设适学情境，以便吸引学生的注意力，激发学生的求知欲望．这样不仅能使教师当好组织者、引导者与合作者，而且更有利于学生自主、合作和探究学习方式的培养，从而更好地实施教学。教师要根据学生的特点，从实际出发依据教育学原理，利用综合培养和训练学生创造意识、创造能力和创造性思维水平，激发学生的学习兴趣、开发学生的潜在创造力。

1.3多媒体化呈现教学内容，引导学生的选择性注意

多媒体技术为数学概念教学内容的展现提供了很好的帮助，其教学效果显著．利用多媒体技术中图形的移动、定格、闪烁、同步解说、色彩变化等手段展示数学概念教学的教学内容。这样更为形象、直观的展示方式可以使学生更乐于、易于接受，诱导学生深入浅出，并有此引发学生更为深层次的思考，从而达到提纲挈领、融会贯通，系统地掌握有关知识的效果[2]。例如：在讲述立体几何中的对各种柱体、锥体、球体等相关概念时，就可以利用空间图形的分、合、转、并、移、裁、展等多种形式的动画，再结合有关必要的解说和优美音乐，使学生能身临其境，产生立体效应，同时通过启发性提问，引导学生积极开展思维，自我挖掘各图形间的内在联系。

1.4利用媒体展示变式，突出概念的本质属性，加深学生对数学概念的理解

技术创新概念篇（11）

    1、工程领域中的概念设计

    现代科技的迅猛发展，尤其是微电子、信息、新材料及集成技术的进展，使产品结构发生了革命性的变化，机电一体化、模块化已成为工程产品的发展趋势；计算机技术的飞速发展和广泛应用，深刻的影响着设计开发过程、制造过程、营销和售后服务过程，并改变着产品的结构和功能；先进工艺技术和先进制造技术为现代工程设计提供了前所未有的工艺技术手段和社会化制造体系。这些变化都深刻地影响着工程设计的发展。

    工程设计是人们运用科技知识和方法，有目标地创造工程产品构思和计划的过程，几乎涉及到人类活动的全部领域。工程设计的费用往往只占最终产品成本的一小部分（8 ~　15%），然而它对产品的先进性和竞争能力却起着决定性的影响,并往往决定70 ~ 80%的制造成本和营销服务成本。所以说工程设计是现代社会工业文明的最重要的支柱，是工业创新的核心环节，也是现代社会生产力的龙头。工程设计的水平和能力是一个国家和地区工业创新能力和竞争能力的决定性因素之一。

    工程设计的全过程就是不断建立各种模型，并不断进行综合和分析的过程，即反复地创造模型和评价模型的过程。工程设计的内容大致可分为两类：一类是数值计算型的工作，包括大量的计算、分析、绘图、编写说明书和填写各种表格；另一类是符号推理性的工作，主要是方案设计工作。在设计方法学中，前者称之为细节设计，后者称之为概念设计。概念设计主要包括功能设计和结构设计两大部分。其作用主要体现在产品设计的早期阶段，把主设计师根据产品功能的需求而萌发出来的原始构思和冲动形成产品的主体框架，及它应包括的各主要模块和组件，以完成整体布局和外型初步设计。然后进行评估和优化，确定整体设计方案。再由各责任设计师把总设计师的设计思想落实到具体设计中去，实现细节设计。可见概念设计是个创造性过程，它要求设计者能综合运用许多学科的专门知识和丰富的实践经验，并通过广泛的调查研究而占有大量的信息资料，再经过反复思考、推理和决策，才能创造出与众不同的、满足用户要求的设计方案来。

    在工程设计领域中存在这样一个误区：设计、构思的原始冲动是三维概念，最终设计实施之结果即产品也是三维形体。可是多年来以二维绘图为基础的产品设计、制造模式严重地束缚了工程技术人员的创造力和想象力，成为创新的桎枯。

    三维建模技术的崛起以及虚拟制造技术的出现为概念设计和创新提供了一种极好的工作平台，设计师们可以直接从三维概念和构思入手，进行概念设计，形成产品的初步框架，然后进一步通过工程分析、数字仿真、虚拟现实等高新技术手段来分析和评价设计方案的可行性及未来产品的质量、可靠性。这种设计方法尤其能充分发挥自顶向下的设计过程中,设计者的智慧和创新能力，不必拘泥于平面图纸的限制和束缚，而把主要精力聚焦于创造性的劳动――创新。

    2、概念设计与创造性思维和技术创新

    2.1 创造性思维及其特点

    要设计就要有创新，而创新正是设计人员进行创造性思维的结果。设计人员要打破习惯性思维，变换角度，开阔视野，才能使自己的创造力得到更充分的发挥。创造性思维是指有创建的思维，即通过思维，不仅能揭示事物的本质，而且能在此基础上提供新的、具有社会价值的产物。创造性思维有扩散思维和集中思维、逻辑思维和形象思维、直觉思维和灵感思维等多种形式。在工程设计的概念设计中，要努力发掘创造性思维的能力，充分注意扩散思维和集中思维的辨证统一，准确把握逻辑思维和形象思维的巧妙结合，善于捕捉直觉思维和灵感思维的“闪光和亮点”，这样才有可能设计出新颖、独特、有创意的产品。

    创造性思维具有如下一些特点：

    （1）独创性：创造性思维所要解决的问题是不能用常规、传统的方式解决的问题。它要求重新组织观念，以便产生某种至少以前在思维者头脑中不存在的、新颖的、独特的思维。这就是它的独创性。独创性要求人们敢于对司空见惯或“完美无缺”的事物提出怀疑，敢于向传统的陈规旧习挑战，敢于否定自己思想上的“框框”, 从新的角度分析问题、认识问题。

    （2）连动性：创造性思维又是一种连动思维，它引导人们由已知探索未知，开拓思路。连动思维表现为纵向、横向和逆向连动。纵向连动针对某现象或问题进行纵深思考，探询其本质而得到新的启发。横向连动则通过某一现象联想到特点与它相似或相关的事物，从而得到该现象的新应用。逆向连动则是针对现象、问题或解法，分析其相反的方面，从顺推到逆推，从另一角度探索新的途径。

    （3）多向性：创造性思维要求向多个方向发展，寻求新的思路。可以从一点向多个方向扩散；也可以从不同角度对同一个问题进行思考、解决。

    （4）善于想象：创造性思维要求思维者善于想象，善于结合以往的知识和经验在头脑里形成新的形象，善于把观念的东西形象化。爱因斯坦有一句名言：“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。”只有善于想象，才有可能跳出现有事实的圈子，才有可能创新。

    （5）突变性：直觉思维、灵感思维是在创造性思维中出现的一种突如其来的领悟或理解。它往往表现为思维逻辑的中断，出现思想的飞跃，突然闪现出一种新设想、新观念，使对问题的思考突破原有的框架，从而使问题得以解决。

    2.2 概念设计呼唤技术创新

    技术创新在概念设计中发挥着至关重要的作用。概念设计中技术创新的本质就是要在工程设计领域中发现某种新事物、提出某种新思想，在很多情况下是因为现有的产品不能满足社会（用户）的需求而激发出的新颖构思和创见。技术创新的基础是知识的积累和灵感的迸发，是设计人员进行创造性思维的结果。创新本身就意味着不拘一格，不局限也不依赖于某种特定的模式，以下诸多方面都是孕育技术创新的土壤：

    （1） 多项现有技术的有机结合或综合运用往往会产生意想不到的效果；

    （2） 对已有知识的创造性总结和应用常常带来重大的科技突破；

    （3） 突发奇想但经过科学论证或实验证明所产生的新思路、新方法、新技术；

    （4） 新知识与现有知识的合理嫁接；

    （5） 产品功能上的兼收并蓄和去粗取精；

    （6） 学科间的交叉、交融和借鉴；

    （7） 新技术、新材料、新工艺的有机结合及应用；

    （8） 科学研究中的新发现和新成果应用于工程实践……。

    由此可以进一总结出多种行之有效的创新技法：

    智力激励法：又称集智法、智暴法。即通过集会让设计人员用口头或书面交流的方法畅所欲言、互相启发进行集智或激智，引起创造性思维的连锁反应；

    提问追溯法：根据研究对象系统地列出有关问题，逐个核对讨论，从中获得解决问题的办法和创造性发明的设想，或是针对新开发产品的希望点（或缺点），逐点深入分析，寻找解决问题的新途径；

    联想类推法：通过相似、相近、对比几种联想的交叉使用以及在比较之中找出同中之异、异中之同，从而产生创造性思维和创新的方案；

    反向探求法：采用背离惯常的思考方法，通过逆向思维、转换构思，从功能反转、结构反转、因果反转等方面寻求解决问题的新途径；

    系统搜索法：从一个初始状态开始，分析影响系统的各个参量，逐步向前搜索，或采用孤立因素、更换参数等方法获取系统的多种解法并求得最优解；

    组（综）合创新法：将现有的技术或产品通过功能原理、构造方法的组合变化，或者通过已知的东西作媒介，将毫无关联的不同知识要素结合起来，摄取各种产品的长处使之综合在一起，形成具有创新性的设计技术思想或新产品；

    知识链接法：创新是一个动态的和复杂的作用过程和知识流，它包括知识的产生、开发、转移和应用，这四个阶段构成一条“知识供应链” 并按照下述原则进行管理：把技术创新过程作为一个集成化的系统，只有将所有涉及该过程的伙伴捆绑在一起，才能发挥最大作用，这些伙伴都应明确什么知识内容才能满足用户最大需求，知识转移的特征和形式是什么，最终用户是谁，他们何时需要使用这些知识？涉及创新的所有信息流和通信流对全体伙伴都是开放的，在每个知识供应者和知识使用者之间建立信息反馈，使信息交换更为有效，知识供应链中每一个伙伴能够感受到整个系统和他们自己都从中获得巨大利益，认识到自己是链中不可缺少的重要环节。该方法适于更大范围内、更高层面上的技术创新。

    3、工程设计领域中的概念设计技术创新实践

    基于上述分析，我们提出了若干种含有技术创新的产品概念设计范例：

    （1） 采用先进的控制、驱动和定位系统，由局部小画面组成整体大画面的可变画面巨型灯箱广告机的设计；

    （2） 时速超过运七飞机的高速铁路机车车身外型设计，既要满足空气动力学性能，又要有美观的外型，三维cad建模技术和nurbs曲线面理论的应用；

    （3） 适应于多弯道和小半径城市轨道交通环境下的摆式列车车身及减振转向架的设计；

    （4） 反求工程已广泛应用于一些具有复杂曲面的实物模型（如模具）的三维数据重构，不妨借鉴用来对生物医学图象进行数字图象处理，为医务人员的临床诊断和治疗提供更逼真的三维模型和实体模型；

    （5） 基于电动机――发电机可逆原理的新型电动自行车的设计，把（下坡时）车轮转动的动能所转化成的电能再回充给蓄电池，从而增加电动自行车蓄电池一次充电使用的续行距离；

    （6） 加工中心自动换刀功能的扩展，用于东风4（11）型内燃机车发动机端面多轴孔加工的自动换箱多轴箱设计；

    （7） 把列车检修工人的丰富经验升华为专家系统――基于加速度传感器和单片机控制的智能式检振锤的设计；

    （8） 虚拟轴机床（并联机床）的概念设计。

    这里以铁路机车车身设计为例，对概念设计及创新的过程加以说明。

    时速300公里以上的高速列车在欧美、日本等发达国家得到广泛应用。我国已通过论证并计划在下世纪初建设第一条（京沪）高速铁路。

    当我们看到法国tgv（train de la grande vitesse）实验车速达到515.25公里／小时时，我们知道这已经超过了我国“运八”飞机的时速，设计师的头脑中自然应该产生这样的概念：时速300公里的铁路机车车头的外型也应该像飞机那样具有流线型和光顺性，才会有较好的动力学特性。“光顺”一词的几何意义是所构造的曲线、曲面应具有c2连续，且无奇点。从通俗的概念来理解，即为“光滑顺眼”之意。

    由这些概念和构思出发，我们可以由整体构思和概念设计逐步进入流线型机车车身的细节设计环节。

    铁路工业和汽车工业对车身外型设计的先进性和创新性的都有着一致和迫切的要求。归纳起来应是以下几个方面：

    具有良好的空气动力学特性，以减少在高速运行时的摩擦阻力。

    具有良好的结构布局及足够的强度和刚度。

    具有美学曲面的质感和动感，以美化生活和环境。