丁志坤，韓衛(wèi)梅，江雙龍，李 婷

在經(jīng)濟全球化的大背景下，各行業(yè)技術創(chuàng)新越來越多的依靠創(chuàng)新理論指導，例如TRIZ理論，并以創(chuàng)新團隊的形式，利用團隊成員之間的合作來加快技術創(chuàng)新的研發(fā)過程，提高競爭力[1]。因此，揭示團隊技術創(chuàng)新認知過程的潛在規(guī)律對減少創(chuàng)新的時間和經(jīng)濟成本，有效提高技術創(chuàng)新的成功率和質(zhì)量，制定科學的管理對策具有十分重要的意義。

近年來，建筑業(yè)技術創(chuàng)新成果增長迅速。據(jù)不完全統(tǒng)計，建筑業(yè)專利數(shù)量從2009年的18 878項增加到2011年的36 054項，增長將近兩倍。這體現(xiàn)出建筑業(yè)對技術創(chuàng)新的潛在需求，但針對建筑業(yè)技術創(chuàng)新團隊的相關研究成果卻鮮有見到，這無疑阻礙了行業(yè)技術創(chuàng)新步伐的進一步提高。另外，TRIZ理論所包含的發(fā)明創(chuàng)造原理可以針對不同行業(yè)的技術問題，有效啟發(fā)技術人員進行創(chuàng)新，得到國內(nèi)外不同行業(yè)的廣泛應用，但該理論在建筑業(yè)技術創(chuàng)新中的作用機理仍有待研究。

考慮以上不足，本研究基于實驗方法，探索團隊利用TRIZ理論進行建筑業(yè)技術創(chuàng)新的認知過程理論模型，以揭示技術創(chuàng)新團隊的認知規(guī)律。

一、TRIZ理論

TRIZ是俄文“發(fā)明問題解決理論”首字母縮寫。TRIZ是由Altshuller創(chuàng)立的發(fā)明問題解決理論，他從各個領域中篩選出符合要求的250萬份發(fā)明專利，從中歸納總結(jié)出解決發(fā)明問題的基本方法，從而幫助技術人員獲得發(fā)明所需要的最有效的解決方案。TRIZ理論包括發(fā)明原理、進化趨勢和科學效應三大理論體系。其中發(fā)明原理體系主要有 39個工程矛盾參數(shù)、40個發(fā)明原理以及矛盾矩陣表組成。Altshuller在專利中尋找并總結(jié)提煉出工程領域常用的表述系統(tǒng)性能的 39個工程通用參數(shù)。在問題的定義、分析過程中，選擇相應的工程參數(shù)來表述問題的性能，這樣就可以將具體的問題用 TRIZ的通用語言表述出來。40個發(fā)明原理是 Altshuller通過對大量專利的研究、分析、總結(jié)，提煉出具有普遍用途的發(fā)明原理。TRIZ理論指出，發(fā)明問題的關鍵是解決矛盾，創(chuàng)新解決的過程就是克服矛盾的過程，方案設計中只有不斷的發(fā)現(xiàn)并解決矛盾，才能推動技術向理想化方向前進。通過對專利的分析、比較、統(tǒng)計，Altshuller歸納出當39個工程參數(shù)中任意2個參數(shù)產(chǎn)生矛盾也即改善一個參數(shù)會導致另外一個參數(shù)惡化時，化解該矛盾的發(fā)明原理，形成矛盾矩陣。除此之外，基于對大量專利的分析，Altshuller注意到技術系統(tǒng)進化都遵循一些普遍的模式，從而提出了技術系統(tǒng)進化趨勢；Altshuller還提出一個來自不同領域科學技術界的效應和現(xiàn)象知識庫，工程師們指定一項功能，知識庫就為他們提供實現(xiàn)此功能的來自不同領域的效應和現(xiàn)象的知識。

二、文獻回顧

技術創(chuàng)新過程大致可分為需求分析、方案設計、技術設計和詳細設計等階段，由于方案設計不確定性因素多，設計的可塑性和自由度大，創(chuàng)造力要求高，從而成為技術創(chuàng)新的核心階段，如何在方案設計階段激發(fā)設計者的創(chuàng)造力已成為國內(nèi)外的研究熱點。關于該階段認知過程方面的研究，劉小瑩等指出概念設計過程包括分析、產(chǎn)生、組成、評價四個階段[2]。Dorst提出設計過程的構建設計目標、建立問題解決框架、尋找方案、方案突顯四步設計思維模型[3]。這些學者提出的方案設計過程總體上可分為分析、選擇問題解決策略和形成方案四個階段。孫兆洋等提出了設計思考過程的聚焦、分析、產(chǎn)生、交流、評價和綜合六種設計思考過程片段模式[4]，其中交流模式強調(diào)了設計者與外部設計環(huán)境的交互作用。Nigel Cross分析了創(chuàng)新團隊設計過程中頓悟出現(xiàn)的認知機制，主要包括聯(lián)合、突變、類比、第一原則等認知行為[5]。以上研究從設計者進行技術創(chuàng)新的認知過程及認知特點出發(fā)，建立了技術創(chuàng)新認知過程的進程模型，有助于計劃、預測和控制技術創(chuàng)新活動，但在建筑行業(yè)關于技術創(chuàng)新認知過程的研究還沒有見到。

目前，建筑業(yè)應用TRIZ理論的實證研究已經(jīng)展開，Cheng、丁志坤等根據(jù)TRIZ理論對建筑專利進行了系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)TRIZ理論可以應用于建筑模板技術創(chuàng)新[6-7]。Yu等基于TRIZ提出一種用于提升建筑業(yè)技術創(chuàng)新能力的系統(tǒng)性技術創(chuàng)新方法[8]，以上研究證明了TRIZ在建筑業(yè)技術創(chuàng)新中的適用性，但對TRIZ理論應用的認知機理尚未有實證研究成果。近年來，有學者提出了一套比較完整的研究創(chuàng)新思維過程的實證研究方法，比如劉小瑩等指出利用實驗方法對創(chuàng)新過程的認知行為進行探索，可以窺視設計者創(chuàng)新設計過程的內(nèi)在思維狀態(tài)，從而獲得創(chuàng)新設計的認知活動信息[2,9]。而我國在建筑業(yè)技術創(chuàng)新方面的實證研究比較匱乏，通過實驗方法可以克服以往研究中的不足。因此，本文基于實驗方法收集數(shù)據(jù)，利用扎根理論作指導分析數(shù)據(jù)，建立建筑業(yè)創(chuàng)新團隊背景下，團隊成員利用 TRIZ理論，合作進行技術創(chuàng)新的認知過程模型。

三、實驗研究方法

1.實驗方案設計

實驗方案設計主要包括實驗問題的選擇、實驗對象的選取及實驗器材的準備。本文實驗問題是從廣東省專利服務系統(tǒng)[10]建筑模板類專利中選取，并根據(jù)專利說明書提煉出對于被試難度適中且容易展開思路進行分析的專利問題。實驗對象的選取采用目的性隨機抽樣，從深圳大學在校土木工程專業(yè)大三學生中隨機抽取具有TRIZ理論基礎的被試組成團隊。用到的實驗器材主要包括一臺攝像機、一臺電腦（供被試查閱完成任務時需要的信息）、TRIZ理論中的發(fā)明原理以及矛盾矩陣表等資料。為確?？芍貜万炞C實驗結(jié)果，本研究進行了三組獨立實驗，其中每組實驗由兩名被試以團隊形式合作完成。

2.實驗實施

實驗前，主試對被試進行口語報告訓練，讓被試適應口語化的思維方式。實驗中，兩名被試利用TRIZ理論，合作完成實驗問題，該實驗問題內(nèi)容包括介紹目前施工現(xiàn)場用到的柱模板加固工具（簡單的用鋼管和對拉螺桿進行加固）即原方案，并指出該加固工具的缺陷，要求被試利用TRIZ理論在改善該工具缺陷的基礎上，提出一種新的柱模板加固工具即新方案。實驗過程中被試邊解題邊口語報告，報告內(nèi)容以及被試的行為表現(xiàn)用攝像機記錄。實驗后，對被試做一個結(jié)構化的回顧采訪，作為對實驗過程口語報告數(shù)據(jù)的補充。

3.實驗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)錄與分析

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)錄是根據(jù)攝像機記錄的內(nèi)容，完整、清晰的把被試的口語報告數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)錄成文字，導入到數(shù)據(jù)分析軟件NVIVO 8.0中，便于進行后續(xù)的實驗數(shù)據(jù)分析。

數(shù)據(jù)編碼并建立模型的過程是在扎根理論指導下，借助質(zhì)性分析軟件NVIVO 8.0對轉(zhuǎn)錄的文字進行分析。扎根理論方法是在系統(tǒng)收集資料的基礎上，尋求反映所研究現(xiàn)象的核心概念，并通過概念之間的聯(lián)系建立理論[11]。其中對資料進行逐級編碼是扎根理論的核心內(nèi)容，通過將NVIVO 8.0質(zhì)性分析流程與扎根理論方法的一般流程相結(jié)合，可以發(fā)現(xiàn)三個級別的編碼分別為：第一步，將原始資料編碼為自由節(jié)點屬于開放式編碼階段，目的在于形成初步的資料范疇；第二步，將自由節(jié)點歸類到樹節(jié)點屬于關聯(lián)式編碼階段，目的在于劃分出適當?shù)姆懂?，并建立范疇的連結(jié)[12]；第三步，核心式編碼階段，通過不斷比較節(jié)點編碼的內(nèi)容，建立節(jié)點之間的聯(lián)系，發(fā)展成熟的概念，進而建立完整的概念框架即理論模型。

四、數(shù)據(jù)分析及結(jié)果

1.開放式編碼

本階段對口語報告數(shù)據(jù)采用逐詞、逐行、逐段相結(jié)合的方法進行編碼，試圖描述技術創(chuàng)新的認知過程，編碼的自由節(jié)點盡量貼近原始數(shù)據(jù)內(nèi)容。這一輪分析中，采取的是一種完全開放的態(tài)度，不帶任何理論框架全身心地投入到原始資料之中。在編碼過程中把出現(xiàn)的新想法、新思維記錄在與原始數(shù)據(jù)相對應的備忘錄中，最后形成了面向問題背景、面向原方案、面向約束條件、面向問題目的、提取改善參數(shù)、提取惡化參數(shù)、查找發(fā)明原理、生成創(chuàng)新概念、生成創(chuàng)新概念（否，即在發(fā)明原理啟發(fā)下沒有生成創(chuàng)新概念)、評價創(chuàng)新概念、形成子目標、解決子目標、評價等自由節(jié)點。

2.關聯(lián)式編碼

通過對照原始資料內(nèi)容進行分析，從自由節(jié)點中提取出4個范疇，包括問題分析的范疇（面向問題背景、面向原方案、面向約束條件、面向問題目的、提取改善參數(shù)、提取惡化參數(shù)）；生成創(chuàng)新概念的范疇（查找發(fā)明原理、生成創(chuàng)新概念、生成創(chuàng)新概念（否）、評價創(chuàng)新概念；形成方案的范疇（形成子目標、解決子目標）；評價方案的范疇（評價）。每個范疇為父節(jié)點，自由節(jié)點分別成為相應范疇下的子節(jié)點。為了保證編碼的信度，由一位編碼員在不同的時間(相隔至少兩個星期)[13]進行編碼，并在NVIVO 8.0中進行重測信度分析，直到滿足一致性要求。最終得出每個節(jié)點編碼的一致性系數(shù)Kappa值≥0.75，如表1所示，表明已取得較滿意的一致性程度[14]。

表1 開放式和關聯(lián)式編碼

(1)問題分析.在問題分析階段，被試對問題背景、原方案、原方案存在的缺陷即約束條件及問題目的進行理解與分析，在TRIZ理論指導下提取改善和惡化參數(shù)。其中把原方案的缺陷或被試經(jīng)過問題分析認為新方案還需加強的特性，標準化為改善參數(shù)；惡化參數(shù)的提取思路主要是被試結(jié)合問題背景認為惡化某些特性對新方案的適用性不會產(chǎn)生太大影響，于是允許這些特性惡化。或者被試結(jié)合對問題背景以及改善參數(shù)的分析，把新方案可能會惡化的特性作為惡化參數(shù)。以下口語報告數(shù)據(jù)表明被試對改善和惡化參數(shù)的提取思路。首先，被試把原方案的缺陷(占用體積量大)標準化為改善參數(shù)（靜止物體體積）：

被試 A：把原方案的缺點變成改善參數(shù)。/被試B：對呀，它的缺點的話？/被試A：體積量大。/……/被試A：然后把缺點標準化，應該對應的哪個參數(shù)？/被試B：架管的所占空間較大。/被試A：是不是靜止物體的體積？/被試B：對呀。

然后，結(jié)合問題背景，被試認為惡化某些特性對新方案的適用性不會產(chǎn)生太大影響，從而允許這些特性惡化，并標準化為惡化參數(shù)：

被試 A：然后開始我們愿意犧牲什么？/被試B：犧牲什么？/被試A：對，反正可以重復使用，我們可以讓整個系統(tǒng)變復雜。/被試 B：對，可以讓它整個變復雜一點。/被試 A：犧牲的話也無所謂（讓系統(tǒng)復雜一點對新方案沒有影響）。/……/被試A：OK，得出了惡化參數(shù)—系統(tǒng)的復雜性。

(2)生成創(chuàng)新概念。在該階段，被試根據(jù)提取的改善和惡化參數(shù)，查找TRIZ矛盾矩陣表，找出對應的發(fā)明原理，之后被試在內(nèi)部知識環(huán)境基礎和外部知識環(huán)境啟發(fā)下，以改善約束條件為目的，運用創(chuàng)新思維生成創(chuàng)新概念。影響被試生成創(chuàng)新概念的因素包括圖1中的環(huán)境因素以及創(chuàng)新思維方式，其中內(nèi)部環(huán)境包括被試對問題的表征以及被試本身的知識結(jié)構。外部環(huán)境對被試主要起到一個啟發(fā)的作用，包括發(fā)明原理、團隊成員之間的提示以及原方案。在該階段主要激發(fā)的創(chuàng)新思維形式包括直覺、聯(lián)想、靈感、歸納演繹推理以及類比推理。

圖1 生成概念階段認知原理

被試查找的發(fā)明原理主要包括：①功能原理，如氣壓與液壓原理、機械系統(tǒng)的代替、中介物等。針對功能原理，被試主要利用類比思維進行創(chuàng)新；②操作指導原理，如分割、抽取、合并等。針對操作指導原理，被試一般會根據(jù)指導對原方案做出改善。生成的創(chuàng)新概念比如用一個機械系統(tǒng)代替原方案、借助一個完整的中介物來加固柱模板、分割原加固工具、抽取原加固工具中有用的部分，拋棄沒用的部分。這些創(chuàng)新概念形成了解決問題的方向，啟發(fā)被試對自身內(nèi)部知識的提取，也有利于激發(fā)被試對創(chuàng)新思維的運用。

在功能原理（中介物）啟發(fā)下，被試形成創(chuàng)新概念（用一個整體的矩形框加固柱模板）的過程如下口語報告數(shù)據(jù)所示：

被試 B：中介物原理。/被試 A：哎，如果一開始那個框就是一整個矩形的話會怎么樣？/被試B：一開始就是矩形，然后套進柱子里呀？/被試A：對，原本它是一根一根的對吧，但如果一開始是一整個框，這邊擰完之后，就可以跑到另外一邊，然后我一個人就可以做成。這是根據(jù)中介物原理做的一個改善。

針對操作指導原理（抽取原理），被試根據(jù)指導對原方案做出改善，形成創(chuàng)新概念（抽取原方案中有用的部分，拋棄沒用的部分），如下口語報告數(shù)據(jù)所示：

被試B：抽取原理你覺得可不可以？ /被試A：抽取？/被試 B：因為原方案它這個鋼管跟螺桿，有沒有其中一些是它有用的，我們要拋開其它沒有用的部分。/……/被試B：就是說我們不一定需要這兩樣東西(鋼管和對拉螺桿)，我們的最終目的只是希望把模板固定緊。比如我們可以把模板做大一點，然后直接在模板中間拉一個桿，就可以把鋼管省掉。

(3)形成方案。在形成方案階段，被試在外部環(huán)境啟發(fā)下，內(nèi)部知識環(huán)境基礎上，利用創(chuàng)新思維以及問題解決策略，以改善約束條件為目標形成方案。影響方案形成的因素如圖2所示，此階段和形成概念階段有一些不同之處，形成方案階段的認知特性主要包括：①外部環(huán)境因素中的發(fā)明原理已經(jīng)轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新概念，形成了解決問題的方向，對方案的形成有啟發(fā)作用；②外部知識環(huán)境包含專業(yè)知識，即專業(yè)知識對方案的形成過程有重要的影響；③形成方案過程用到了問題解決策略即手段—目的分析策略，即在形成方案的過程中會形成若干個子目標，然后對子目標逐個實現(xiàn)，直至形成完整的方案；④形成方案階段的創(chuàng)新思維中未激發(fā)直覺思維，因為要形成用于實際操作的方案，該階段每一步都要具有可行性，不能依靠直覺來解決形成的子目標。

圖2 形成方案階段認知原理

(4)評價方案。在評價方案階段，根據(jù)團隊成員的提示以及自身知識結(jié)構，被試對形成的方案進行可靠性、實用性、可操作性、可制造性、重復使用性、通用性以及是否滿足約束條件等方面進行評價，如下口語報告數(shù)據(jù)所示：

被試A：直接用鋼絲纜固定它(柱模板)怎么樣?/被試B：鋼絲纜本身沒有一定的形狀，而且你人工很難把鋼絲纜變成一根柱子的形狀（實用性）。/被試A：對，受力也不均勻，會在某些地方產(chǎn)生應力集中，容易拉斷（可靠性）。/被試 B：而且鋼絲纜接頭部分也沒辦法固定，拆開之后也很難重復使用（重復使用性）。

3.核心式編碼

在該階段，反復查閱編碼的節(jié)點及原始數(shù)據(jù)，并對比分析，通過探討已有類別之間的聯(lián)系來串起各個概念間的關系，最后構建技術創(chuàng)新認知過程模型。由關聯(lián)式編碼分析結(jié)果可知，技術創(chuàng)新認知過程主要分為分析問題、生成概念、形成方案、評價方案四個階段，但每個方案完成設計的過程并不是一個線性前進的過程，而是有多個認知循環(huán)回路貫穿其中，循環(huán)前進的一個過程?；谠紨?shù)據(jù)分析各范疇之間的關系，本文提出了4個有利于實現(xiàn)建筑業(yè)技術創(chuàng)新的認知循環(huán)回路，包括重新表征認知回路、醞釀認知回路、生成概念和形成方案互相交叉認知回路、操作和評價同步認知回路，表達了各階段之間循環(huán)往復的聯(lián)系機理，建立了技術創(chuàng)新認知過程模型，如圖3所示。

重新表征認知回路主要涉及以下兩個方面：(1)該回路是被試在形成方案遇到阻力時，會對原方案進行重新表征或者回到其它發(fā)明原理，尋求對新方案的啟發(fā)；(2)當對新方案的形成沒有任何思路時，被試對問題背景進行重新表征，縮小問題空間，或者回到約束條件重新搜尋問題解決的思路，如圖 3回路①所示。

醞釀認知回路是指在技術創(chuàng)新過程中，被試暫時無法利用產(chǎn)生的創(chuàng)新概念或在形成方案過程中形成的子目標暫時無法解決時會先擱置，從其它思路進行方案設計，而在之后解決問題的過程中被試會對前面的創(chuàng)新概念或者疑問突然產(chǎn)生靈感，找到如何利用創(chuàng)新概念的思路和解決子目標的想法，或者被試會突然想出新方案，如圖3回路②和③所示。這從一個方面說明了TRIZ理論的應用并沒有束縛被試的思維，對技術創(chuàng)新過程啟發(fā)的同時，被試可以自由發(fā)揮自己的創(chuàng)新思維。

生成創(chuàng)新概念和形成方案互相交叉認知回路是指，在形成方案過程中，被試還會不斷生成創(chuàng)新概念，在這些創(chuàng)新概念的啟發(fā)下解決子目標，并形成其它的子目標，即生成概念和解決子目標的操作依次交叉進行，如圖3回路④所示。

操作和評價同步認知回路是指在形成方案過程中，被試會同時對子目標的形成以及解決過程進行評價，對方案的形成過程進行控制，使達到的每一步都能滿足約束條件要求以及可靠性等要求。如圖3回路⑤所示。

圖3 技術創(chuàng)新認知過程模型

五、總結(jié)與展望

本文通過實證研究建立了TRIZ理論啟發(fā)下的建筑業(yè)技術創(chuàng)新團隊認知過程模型及各階段的思維特點，彌補了基于創(chuàng)新理論進行技術創(chuàng)新認知過程研究的不足。本文在劉小瑩對技術創(chuàng)新認知過程階段劃分的基礎上進行細化，分析了各階段的認知特點，并提出了4個認知回路。根據(jù)本研究所發(fā)現(xiàn)的思維特點，可以開發(fā)符合建筑業(yè)技術創(chuàng)新人員各階段思維特點的輔助工具，提高技術創(chuàng)新效率及質(zhì)量，比如在生成概念和形成方案階段被試多次用到了類比思維，可以據(jù)此開發(fā)類似發(fā)明實例的數(shù)據(jù)庫用于激發(fā)這兩個階段技術創(chuàng)新人員的創(chuàng)新思維。本研究所選取的實驗對象是有一定建筑業(yè)專業(yè)知識的在校大學生，專業(yè)實踐經(jīng)驗較少，與有經(jīng)驗的設計者相比存在一定的差距，因此對建筑業(yè)設計者認知模型的代表性存在一定局限。以后的研究可以針對建筑業(yè)從業(yè)人員展開實驗研究，以便更加深入的了解TRIZ理論啟發(fā)下的建筑業(yè)技術創(chuàng)新認知規(guī)律。

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