计算机辅助机械产品设计0901-22

1、2.1 机械产品及设计过程的思维概论计算机内部表征数据及其处理方法客观世界的人、事、物、产品、环境等等人的感觉器官、信息融合-信息输入人的心理表征语言、文字、图形、影像、特征、模板等感觉与心理表征的内部处理、类比、关联、评价、转换等 - 信息加工以事实知识为基础的体系结构及其心理表征。语言、文字、图形、影像、特征、模板等及其关联大脑处理的客观世界的脑外表征语言、文字、符号、图形（工具制约）心理表征的内部转换(图形、语言生成等)-语言或行为-信息输出大脑输出的传统的形式与符号等（键盘鼠标等制约） - 信息输入数据的内部处理、类比、关联、评价、转换等 - 信息加工计算机（电脑）表征的转换-语言、文

2、字、图形、表格、特征等等显示器、硬拷贝等的文字、图形- 信息输出图2-2 基于信息加工观的机械产品形成过程作为思维产物的机械产品，其设计过程就是大脑的思维过程，是思维对象的连续演变过程，是信息的加工过程。思维是基于思维资源的，信息加工及其方法是基于信息的表征目的、形式和信息载体特质的。思维资源是经过人的认知、理解而获得的，认知有其特有的感官与通道。信息的表征是由信息载体特质和认知的目的性、信息表征内容的特点决定的。人的认知、理解受到认知目的性、感觉的性能与方式、事物属性的特点与表现形式、各个学科体系对内容的表征习惯等的制约。因此，应对其存在形式进行分析，也就是对机械产品的客观存在形式及其生成过

3、程中的表现形式、涉及到的学科的表达方式等的内涵进行分析，以便了解感觉方式与认知过程对设计的作用。机械产品整个的演变过程可以用下面的逻辑图来表明，图2-2所示（比较图2-1）。由图可以看出各个阶段需要适当的表征形式，而表征形式与表达的目的、载体密切相关，也就限制了处理方式。简单分类为抽象思维或形象思维，文字处理或图形处理。1. 自然界中的机械产品客观存在形式与历史演变人类自诞生以来，在自然界中的活动，触及到形形色色的事物，由此积累了丰富的知识记忆。机械产品若作为劳动工具来考察，其形态、功能、组成形式、表达方式等都在发生变化，就此也影响着人的认知、记忆与信息处理方式。传统的说法（这里不涉及严格定义

4、）是，机械是利用力学原理组成的各种装置（杠杆、滑轮、机器、枪炮等）。机器是由零件装成、能运转、能变换能量或产生有用功的装置（工程机械、冶金机械、动力机械、）。现代机械由动力源、传动系、工作机构、控制系统等组成。通常人们将以上的装置与机器都习惯性的统称为机械。其实，对于机械产品可以有许多种说法。机械产品是劳动工具，用于减轻人的劳动强度、提高生产效率。机械产品是人造物是人类智慧的结晶，是人大脑思维的产物，是人们思想意识的物质实现。机械产品是三维实体，是人们思想意识之物质实现的表征方式。这是从人们对自然世界的理解与表现形式、表达方式方面指出机械产品的属性。基于思维的观点，机械产品是思维的产物，是人的

5、思维结果在现实世界中的物质实现。应通过五个方面理解机械产品的设计问题。1.作为思维对象的机械产品的自身特点、形成过程、逻辑规律、阶段划分及相应的表征；2.适合机械产品形成特点和阶段性的大脑的思维方式与思维过程；3.思维过程中不同阶段的相应表征、处理与操作；4.各种表征的表达目的、方式、方法、工具、关联及其变换。5.各种表征与人的认知方式、感觉与理解方式、事物存在的本质形式的关系及其系统描述架构等。通过分析机械产品的客观存在形式、人的认知方式与过程，在大脑中生成时的思维方式、心理表征与操作等。就可以依据人的心理表征与相应的脑外表征的特质，探讨机械产品创新设计。用思维科学、信息科学、人工智能的成果

6、作设计方法的理论基础和技术基础，可大大提高创新能力和设计过程的现代化水平。对于机械产品，出于不同的目的会有不同的表述，也体现了机械产品的不同属性。出于对机械产品形成过程期间不同属性表达和大脑理解的需要，出于对不同阶段对机械产品本质的表述，人们用图像、图形、模型、符号、言语、文字、三维实体及其组合等来表达。这些表达体现了机械产品在思维时的心理表征方式，体现了人们对机械产品在不同阶段的本质属性与形态等理解。也就是说，采取这些表达方式，体现了人对机械产品的感觉、认知方式与思考过程。这种感知与理解是由机械产品自身的客观存在形式决定的，也是由人的感觉器官、大脑构造与工作原理决定的。人们对图像及其环境的心

7、理表征，由于信息载体的特点和思维处理的特点，采取用连续变化过程中典型断面特征来表示。机械产品的客观存在形式是人认知的前提，除过现场实践以外，其最佳认知方式是利用摄影术所表现的环境、工作过程、机器行为、操纵控制及其整机的分解与组合等。在没有摄影术的时代，就用言语、文字和绘画来表达。而用语言和绘画来表达时，人们需要简化其存在形式，只提取其主要的本质的特征。当然，这种表征也与人的语言的便利性（发音器官、口语）相关。而这些表达是经过了思维的处理，经过了语言转换、情景转换、语言生成、语言文字结构等的长期训练。而这些训练，经过了感觉、认知、理解、转化等，是人的心理表征通过信息载体、承载工具与技术、表达目的

8、与方法等的条件许可的表现形式。由于各种信息载体于表现形式的制约，人们不得不用各种形式进行互补，以达到信息的充分、可理解、无歧义等。如借代、比拟、类比、绘声绘色，形态逼真等。图2-3 机械产品在自然界中的客观存在形式机械产品在自然界中的客观存在形式可参见图2-3的摄影术表达方式。这些表达方式对于不同的人，其理解也是不一样的。如果看见的人是设计者、制造者、使用者、修理者等，结果会大不一样。客观存在形式会影响认知与思维，而认知与思维结果又会影响机械产品创新。材料科学、功能需求的复杂性、制造方法与技术、设计工具与表现形式等都会影响思维方式与创新。2. 人对机械产品的感知、理解与记忆-心理表征及历史演变

9、劳动创造了人，人在劳动中创造了人造物。这些创造首先来源于人对各关世界的认知与理解。在那些创造性活动中，作为人造物之一的机械产品，人的要素的本质体现为大脑对自然物、人造物、机械产品的认知、思维、创造等智慧属性所起的作用。从简单劳动工具发展演变而来的机械产品，都要经过大脑思考而制定一个规划，然后，再按照预先制定的规划，在大脑之外制作而得到这个机械产品。人们通过自己的感官，经过认知理解获得了对人类自身以外的客观世界的存在形式的把握。这种把握是人们进行发明创造的前提。在人及其自身以外的环境与事物的中，自然物是不经人力干预而天然生成之物，是在地球上原本就有的或经过自然作用而产生的。人们通过观察而获得它的

10、本质及其演变规律。人造物则是渗透了人的处理和参与而成之物。机械产品作为人造物是思维的产物。而思维是需要思维资源的。那些资源是通过人对自身以外的环境与事物的客观存在形式的认知、理解而获得。事物的存在形式是不同的，人通过认知，会以各种适当的表达形式将其结果存储于大脑的记忆之中，或称之为得到相应的心理表征。从人发明简单的劳动工具到设计制造复杂多样的现代机械产品等都是如此。人的认知始于对信息的收集，就是感觉，其次是理解。感觉的形式不同，人会采取相应的认知形式，以便进行有效理解、记忆与知识积累。大脑的短时记忆容量与能力是有限的，对事物的感觉、认知就会有个过程。感觉是感官对外界信息的获取，其获取方式与内容

11、受到感官特性的制约。感觉是对机械产品属性、特征的感知，是一个选择的过程，具有动态属性。大脑之外的客观世界存在形式的多样性，认知所使用的感觉的多样性，大脑会以相应的适当的表达形式将其存储于大脑的记忆之中，或称之为得到相应的心理表征。表征是个结果，具有静态属性，它可以用抽象的概念及其逻辑关联，也可以用形象的结构及其类比同化进行表征。人对机械产品的认知可用车辆为例来加以说明。最初的认知可从孩童说起，一般说来，孩童在父母的指导下，首先获得的是各种车辆的同一指称：车或者汽车，然后是车辆的乘坐感知，并由此对车辆形成一个感念。随着乘车类型的增多、年龄增长等对各种车辆细节的了解，可以区分公共车、卡车、小轿车、

12、电车、马车、手推车、工程车等等，关于车的概念发生了变化。如果是一位汽车制造者或是一位设计与制造者，并进行了长时间的车辆驾驶作业，则它对车辆的概念会有极大的不同。这就是说，人们对事物的理解是随着事物的复杂性、深入了解而发生变化的。而对事物的表述也出现变化，最简洁和抽象的表述是文字，如：车。而要说到公共车则需要一句话，一个陈述，并非一个词可以解决问题。也就是一个词不足以使听话者获得足够的信息来还原说话者所要表达的对象。当然，把车用图形表达就比把公共车用图形来表达要困难得多。对一位设计师来说，要把大脑所想的车用语言来表达，则要经过语言生成的过程，就是将所想的车的基本特征、主要细节及其关联、特性及其载

13、体等等说清楚，既不是一页两页文字可以表述清楚的。文字表达的不确定性显而易见，图形表达自然成为必要。但是图形表达往往是该图形连续变化或说工作状态的某个横断面，某个瞬间状态的静态形式而已。理解(原知识、基础性的事实性知识及其组合，推理、构造、抽象等是知识深化的基础)就是对感知的处理，也就是对脑内表征的处理及其同化。理解是建立在对事物的事实所指的前提之上的，客观世界中具体事物在大脑中的存储形式将大大影响后续的理解。因此说，理解是一个推理、比较、评价、构造、同化的过程。理解受到人们对感觉到的信息与大脑内已有信息的对照与评价能力、结果等的影响。也就是理解受到个人感觉、认知及其成长环境和经历的制约。感觉的

14、多样性、局限性及其理解能力可以使不同的人对相同的机械产品产生各自的结论，盲人摸象是一个恰当的例子。人的认知与理解从片面到全面，从局部到整体性，从具体到抽象就反映了这个过程。人对机械产品的形态、运动、行为、声响、对环境的作用及产生的变化与影响等就是如此。只有通过多属性的感知、理解、组合、融合、抽象，才能适合大脑理解的特性与能力，才能获得对产品的整体把握。师傅带徒弟的过程就很好的体现了这个特性。在没有相应的表达方式、工具、方法的时代（文字、摄影术、摄像术、恰当的表意符号等），只有通过徒弟与师傅的长期相处中，观察、体会、模仿师傅处理问题的行为与思想，直到掌握师傅处理问题的整体思想、步骤、各个环节的措

15、施、技术、方法等等。理解的本质是对感觉器官输入信息的特征提取与事物属性构造结果的事实性确认。也就是说，当感觉器官获得外界事物的特征以后，要将特征及其关联的所得到的新特点与脑内存储的同类、近类、相似类（构造、个别或成组属性、功能等）的特征及其关联与已有的进行比较。对于不同的特征及其关联需要寻找不同层级、不同尺度下的特征及其关联所依据的事实知识进行确认。一直到各层级的特征及其关联都获得其基于的事实性知识的确认为止。这个过程与个人的知识构成、知识分类、系统化构造、思考习惯、思考用形式（抽象、形象、语言、图形、图像、模型等）密不可分。尤其是思考习惯、思考用形式受到学科知识及其学习训练过程的影响。人对所

16、需的机械产品的认知及其知识的积累和运用需要一个过程，它是由感觉的处理、心理表征的处理、知识的整合等构成的。从感觉到达知觉，经过意识而进入记忆，通过大脑内部再处理思维而成为知识。其后存储的这些知识就成为思维的资源。思维资源的积累通常趋于同化，以便思维运用时提高搜索、理解、对照、评价、决策等的效率和水平。对感觉与知觉进行处理时，往往会进行特征提取、归类抽象、关联指证，或说利用所指与链接而将情景、图像、图形、文字、符号、言语等各种形式等价看待，将各种形式按层次、类属存放记忆，以便按照最佳的方式理解、处理。机械产品的感觉与认知可参考图1-3、图1-4、图1-7、图1-8、图1-13等来说明。机械产品的

17、客观存在形式影响感知、理解与记忆，影响心理表征和思维操作方式，也就影响创新。计算机虚拟设计、动态仿真、虚拟制造等对理解的影响就是实例。3. 理解、表征与记忆理解与表征的关系是论述表征问题的基础关系。只有可理解的表征才可以生存，而这种理解是社会性的。理解与记忆的关系是大家熟知的，科学合理的记忆才会有创新。关于记忆，可简单的用人们的脑外表述来说明，也可以依据信息加工的观点来表述。记忆分为形象记忆、情景记忆、语义记忆、情绪记忆、运动记忆、图像记忆、声像记忆等等。记忆和感知系统及感觉方式有关，与需要记忆的对象、目的、内容等有关。记忆包含识记和回忆两个方面，也就是存与取两个方面。存的形式还受制与取的方式

18、，这两者之间的转换对于创新非常重要。人所感觉到的事物具有立体、综合、影像、环境、情景、过程等多样性特点。大脑对思维资源的心理表征与存储也采用的是这种方式，这是由思维效率（直接理解而不经过推理或论证）决定的。对机械产品的感觉，有视觉下的三维形态、外表、色彩及其外部构造，它的工作方式、行为和环境等，同时它的声响也被知觉，工作过程、表象与本质等等一并体现在大脑中。如果是设计者，还会将设计过程及其细节统统呈现在脑海中等等。这就是说阅历、实践过程会被不同的人用自己的方式记忆下来，最终成为思维资源。个人的感知方式不同，理解程度不同，则心理表征不同，即以不同。在知识使用期间，会有不同的处理方式，从而造成信息

19、不同形式的记忆，为后续的理解储存下不同的表征形式而又影响理解与创新。人通过感官以多种方式（声、光、味、神、图像、图形、文字、符号等）感受外界信息，在大脑内按照各自的适当形式认知、思维、处理与记忆。要与外界的交换，首先需要将脑内信息心理表征进行输出，而这种输出却是方式单一。最主要的方式是语言，即以口头语言、书面语为主，辅以行为语言（写字、绘图或用肢体语言）。语言是以不同的声响及其组合表现出来的（当然，也可以使用文字代表语言要表述的内容）。这些语言可以表达大脑中的心理表征及其关联，也就是人的大脑区分事物的属性及其组合。而事物的本质描述要抽象的多，具体描述则要复杂得多，详细的多，麻烦的多，这便需要模

20、型等。有些还只能意会不能言传。人们没找到合适的符号表达，无法用来交流，只能通过师傅带徒弟，通过亲身体验、感觉或说悟出其中的奥妙。人们对简单工具的思考、创造与制作是单人脑力与手脚可及，问题简单，大脑短时记忆可以容纳，借助脑外辅助，边想边做边改便可以。也就是说，人经过自身的反馈作用，可以调整心理表征与现实表达之间的不一致性。即设计和加工混合而无需文档脑外辅助形式。所有的重用问题一颗大脑即行，因此有徒弟从师的形式。随着人造工具及其机器的复杂化，首先遇到的问题是大脑一次性处理困难；另一方面是设计所涉及因素多样化，关系复杂，且制造过程趋于冗长，设计与制造同时并融的方式逐渐分离。随着复杂性的增加和漫长的演

21、变过程，设计与制造分离而各自独立进行。随着工业化的进程和人们对机械产品设计本质的理解，复杂的设计过程又逐步被多方分割，出现了众多人员参与的设计过程。随之而来的是多个大脑的理解与思维方式的差异，各自的知识与专业训练背景、各个学科的知识的表达方式等等造成的沟通问题等。对于复杂的、带有重复性的过程或说具有一般性和指导意义的过程，通常可以事先给出一个规划，这个规划或计划可以用一个体系认知科学认知方式大脑理解心理表征脑外表征辅助反馈学科表征交流传承机械产品人的认知知识体系架构机械产品创新图2-4 机械产品的认知、理解架构、表征及运用结构模型来表达，以便评价、控制、循环、反馈、交流和重用。这个规划也先通过

22、大脑思维获得一个想法，并将想法用适当的方式在脑外表达出来，经过交流、信息反馈和进一步思维处理而再表达出来，最终得到合理的结果。参见图2-4。这里要特别强调一点，最初的劳动工具制作主要是技术问题，也就是如何将所选中的材料，经过采集，经过细考，使其由自然形态变成为主观所需要的形状。所需形状的形成过程就需要技艺，所获得的工具的基本特点都是静态工具，类似于现代的雕塑、工艺品、雕刻物等。而现代的机械产品，都是复杂运动的组合体，零部件的复杂性、组合方式的多样性、零部件形态与运动的关系的多样性、相互关系与影响等等，已经不单是技术可以解决的形状问题，不是大脑一次思维过程可以解决的简单问题。问题的复杂性和大脑思

23、维能力的局限性，引发了人对事物的分类、分层、抽象、模型化等，以达到可理解性，从而被长期记忆而待重用。4. 机械产品的大脑内、外表征大脑内的表征（心理表征）只有通过输出（语言输出言语、文字、行为输出图形、模型与实体等方式）才能被其它人感知与理解。简单劳动工具的制作可以通过一个人来完成，其过程是边做边想，也就是说设计与加工是一体化的，大脑内部思考与脑外加工行为相互协调。对于一个称之为机械产品的人造物来说，是单人所不能完成的。随着劳动工具、机械产品、成套设备的复杂化，设计与制造产生了分离，也就是说设计或制造都不是一颗大脑、一个人的行为可以独立完成的，由此产生了信息交换与协同作业。那就是说，要将参与者

24、每个人的大脑所思表达出来，互相理解交流。除过人与人的信息交流以外，还要将人们的经验、知识传承下去，这也需要将大脑所思表达出来。什么是大脑所思?又怎么表达呢？前面说到，大脑所思包含思维过程及其结果，而思维过程就是对思维资源的处理和运用，是对心理表征的操作。而哪些思维资源是通过人的认知系统获得的，有相应的、与可理解相关的心理表征。而哪些心理表征与客观存在是相当接近的，也就是说可以按照影像的形式等存储在大脑中。到目前为止，人类对大脑所思的表达，由于便利性，首先通过言语、行为和图画，后来发展到实物模型（雕塑等）。再进一步发明了文字（象形文字、拼音文字等）、摄影术、摄像术、电脑虚拟技术、直至多媒体技术等

25、。脑外表达手段的多样性，使得脑内心理表征的更多信息得以显见，大大促进了信息的交流。但是，脑外表达的静态特性一直难以改观。实物模型就成为了最佳选择，而虚拟样机技术的出现，为此带来了更加合适的表现手法。通过对大脑所思的表达方式的研究，脑科学、神经学、心理学等得以发展，并反过来从大脑内部机制来研究人对自然界的认识、理解和心理表征，研究从心理表征到脑外表征的转换。如语言生成、图形构造、特征提取、概念聚缩、表意手法等。大脑内部的表征可以用记忆的形式来说明。也就是说，心理表征能够尽量地反映认知时的形式与结果。实际上，心理表征一般说来都是通过感知系统提供的大脑外部直接表现的形式，只是在感知问题的复杂性时，才

26、进行各种处理（分类、分层、聚缩、抽象、指证、关联等），以便进行有效的记忆和快速的检索、类比、评价等。对于感觉器官无法感知的特性（如强度、韧性等）尤其如此。例如机械产品的力学性能、构造的瞬间运动细节、零部件装配中的干涉问题等等，这些就需要模型来表达。图2-5 脑外的工程学科语言及其符号DLEs = Mn / Wn由于理解特性，机械产品的脑外表征充满着多样性，这是事物的存在与表现特点密不可分。比如：机械产品的功能，它只有通过产品的行为表现出来，而行为是一系列动作的组合。零部件的强度问题与该零件的构造、材料、荷载特性等参数有关，它只有通过数字计算或实验分析才能表现出来。因此，机械产品所涉及到的脑外表

27、征就包括了与产品相关的各个学科的表达方式。文字、数字、图形、图像、符号、模型等等。或者说成是自然语言、工程语言、专业语言等。也可以说成是语文、数学、物理、化学、生物等等学科语言及其符号系统。参见图2-5、图1-1，图1-3，图1-8。总而言之，脑内表达与感知、理解、记忆及心理操作方式有关，脑外表达与表达目的、内容、信息载体特性、交互对象的可理解力等有关。脑外表征以文字符号（语音输出）和图形（行为输出）最为基础。5. 机械产品设计中思维的阶段性设计过程的表征由于感知方式、理解与表征、记忆的多样性，带来思维（信息处理方式）与设计过程的阶段性。阶段性的连续变换构成设计过程。各阶段有自身的目的性及其特

28、点（或说分工）。但总的来说，机械产品的生成过程或说产生过程，需从两个方面来探讨。一是大脑之外的客观世界中的过程，一是大脑之内的主观世界及其对客观世界的理解中的过程。两个过程相辅相成，交互进行。参见图1-3、图1-4、图1-5、图2-2、图2-4。将人的短时记忆容量（72信息块）及利用短时记忆进行信息处理的能力看作计算机的内存与处理器的共同作用效果。则对机械产品设计时的思维与创新、机械设计过程的思维与规划等的分析有重要价值。人的认知、理解、思维除受制于短时记忆对信息容量的限制外，还受制于处理信息时信息内容及相应的表征形式类属（信息的感知器官）的限制。面对机械设计的复杂性（信息数量、信息质量、信息

29、类属、多样的信息形式、信息冗余和缺失等等），需要将信息处理分层、分段，并采用相应的表征方法和形式。通常可用图2-2所示的形式来表明其层次、阶段、内容等 。对于机械产品来说，最终的客观存在是三维实体，而体现出的内在功能实现是通过结构与抽象概念来完成。因此，思维要有相应的表征，而相应的表征为对应的思维方式打好基础。形象思维与抽象思维及其转换是必然的、经常的。抽象思维处理以逻辑推理为主的设计问题，形象思维处理以构造为主的图形图像问题（图式结构等）。而且这两种思维是在各个层次与阶段同时发生、交互进行的，是在思维需要的时候瞬间通过所指与关联实现转换的。人通过感觉以多种方式（声、光、味、神、图像、图形、文

30、字、符号等）感受外界信息，在大脑内按照各自的适当的形式认知、思维、处理与记忆，其目的就是为了能够等价快速的进行信息交换，这是大脑的天性，也是后天的训练的结果（如文学家对形象问题的文字表征、艺术家对抽象问题的形象表征等）。虽然人们对大脑生理、心理与生物层面的了解不尽详细具体，但可以从大脑的外在表现形式和内部行为来研究其认知、思维、处理和记忆。也就是说，大脑内部行为总的是按照多种方式，尤其是以最佳方式感觉、简化、归纳、抽象以及以关联等形式进行综合处理。然而，由于短时记忆的局限性，使得大脑的思维、处理方式及过程需接受外界的辅助，而外界的辅助也是以近乎相同的形式来表征，以达到理解的合理、高效、有效和减

31、少歧义。大脑与外界的信息交换（或说人与人的信息交换），首先需要将脑内信息心理表征进行输出，而这种输出方式通常是比较单一的。最主要的方式是言语或说语言，即以口头语、书面语为主，辅以行为语言（书写、绘图或用肢体语言）。尤其是言语输出，有其便利性。而机械产品的设计过程，由于其最终的表达方式三维实体，使得这个设计过程中经常使用行为方式来表达的图形进行表征。言语是以不同的声响及其组合表现出来的，它有其自然性和非常方便的特点。当然，也可以使用文字等代表言语要表述的内容。这些语言应可以表达大脑中的心理表征及其关联，而表达构造性的问题，就显得冗长与歧义。人的大脑区分事物的属性及其组合是整体性的，这些属性可以是

32、事物的抽象和一般化描述，也可以是事物的具体细节表达。为了能从构架、整体性、关联性等方面表达机械产品，人们往往采用图式表征，用结构来表达整体性、关联性、系统性等等。机械产品的最终表达是具体的和唯一的，为了高效理解和减少歧义性，这便需要模型、工程图和必要的符号、文字等等对本质问题进行表征。有些还只能意会不能言传，这就是对图纸的理解与解读问题。有些表达问题是人们没找到合适的符号表达，为此而无法用来交流，只能通过师傅带徒弟，通过亲身体验、感觉或说悟出其中的奥妙。这些奥妙就是机械产品的心理表征的不可输出属性，比如产品的美感、产品装配时的最佳配合、运转的平稳性等。需求规划过程标准化、专业化转换需求演化过程

33、与表达方式转换方案演化、细化与表征转换产品性能X需求物质产品最终的产品定义最终的产品蓝图最终的产品方案图2-7 产品演变的三维创新设计过程模型图2-6 思维关注点概念及产品表达模型机械产品的复杂性和大脑思维时利用短时记忆进行信息处理的局限性，使得机械产品的思维或说设计，为了不同阶段表达内容（整体的、局部的、构造的、表象的、本质的等等），需要大脑对相应的信息进行变换或说层间转换，以便通过抽象思维或形象思维进行有效的信息处理。特别复杂时，或说抽象层与具体层间隔较多时，就需要模型或脑外表达来协同。由此可以提出一个在不同阶段用于表达相应阶段关键信息及其结构的思维资源模型。这就是思维关注点模型，将机械产

34、品的整机心理表征构造在抽象层。思维关注点概念模型，采用概念的内涵与外延，即属性或某个概念作为思维关注点。也就是在机械产品的创造中，将人最关心的事情作为集合并构造成一个结构整体来表达机械产品相应阶段的整体性态。参见图2-6。这个概念模型在机械产品设计过程中，为了便于思维处理，根据产品设计时各个阶段思维的内在规律，运用语言文字表达和逻辑思维的便利性，给出机械产品各个相应阶段的一个相关的体系结构。利用思维关注点概念便可以建立机械产品各个阶段的表达模型。如图2-7所示。参见图1-5、图1-10、图2-1等。人们在思考问题时，以短时记忆为依托，由于这个特点，通常会关注最有价值、信息量最大、最熟悉、已经证

35、明是成功的东西，就是通常说的，为了能使问题的解决抓住本质，分级建立模型是必要的。首先应该建立机械产品从雏形到实体的全局模型，也就是机械产品设计过程模型。作为对人造实体形成过程的全局拟定一个设计计划，以便弄清楚人造实体如何在脑内产生？如何从抽象到具体，也就是如何获得雏形，再从雏形到实现。从人的认知与思维方式的角度，并结合机械产品的复杂程度，这个模型需要通过对人的认知过程与思维方式的了解，应用思维关注点的概念获得一个系统结构，通过按思维特点将系统结构按纵向与横向分层获得该体系结构的设计过程模型，各层按照思维关注点的特点进行关联的产品表达模型。经过对各层进行纵向和横向变换，获得对于机械产品创新设计的

36、解决。图2-7中X坐标表达了机械产品从抽象到具体的演进过程；Y坐标表达了机械产品从抽象到具体的演进过程中各个阶段所发生的理解的变化、思维的变更与创新及其反馈等；Z坐标表达了机械产品从抽象到具体的演进过程中，各种表征的关联、等价变换或映射。X-Y平面表达了机械产品演进过程中各个阶段的变更、反馈与关联；X-Z平面表达了机械产品演进过程中各个阶段的抽象表征与形象表征或模型表征、具体表征的所指、关联与变换；Y-Z平面表达了机械产品从抽象到具体的演进过程中阶段性的变更、关联、等价变换与评价。各个层（Y-Z断面）的产品模型是整个机械产品在演变过程中关键阶段的整机特性的表征。这样做的目的是可以将整机特性作为

37、整体表达，以便评价和决策。创新便发生在思维过程中，发生在思维时大脑对思维资源的操作、变换中，也表现在各层、各坐标等的操作中。按照信息加工的观点，结合思维关注点所表达的概念的属性个数，或说信息量，则可以用图2-1来表示机械产品形成过程中这些量值的变化。结合图2-7，图2-1可见，按照信息加工的观点，思维关注点模型表达了机械产品在形成的过程中，思维在信息的连续处理过程及其演变中的某个断面，或叫切面。这个切面可以是横切面，也可以是纵切面，也可以是斜切面。在这些切面（断面）上，用思维关注模型表达信息点的关联及其由此表达的整体概念。也就是将概念的大小、类型、层次，信息所表达的事物属性或说概念的内涵与外延

38、表达出来。由图2-1可见，机械产品的形成是大脑思维的连续过程，由于大脑短时记忆对信息块数量的限制及其造成的思维的阶段性、由于人们对事物的认知使用的感觉器官的特点与约束造成的心理表征的多样性、机械产品在形成过程中诸多属性涉及到的学科及其表征的多样性、人们对机械产品设计的复杂过程的控制与评价的必要性等，将这个连续过程进行分段、分层或说截取若干个断面，以便进行评价控制，避免将初期的错误带向后续的工作，造成更大的浪费和徒劳。在这个断面的截取中，很显然，产品概念与方案这个断面是一个关键断面，它表明需求的专业性、具体特性和形象化，表明产品功能的实现构造和行为表达方式。6. 机械产品在思维过程中的处理方式-

39、心理表征的操作以大脑为基准工具，将机械产品及其形成过程视为信息加工过程，而大脑、电脑（计算机）、纸、笔、手工计算工具、照相机、摄影机、实体模型、样机模型等都是机械产品的信息载体。可以按照大脑内外来区分信息载体的工具特性。不同的信息载体会有与其特性相适应的表达方式，也就有了与其相适应的处理加工方法。而脑外工具主要是作为辅助手段使用的。以机械产品整体特性的表述为基准，按抽象思维和形象思维方式、逻辑推理和结构的构造方法作为产品形成过程的信息处理方式和表达方式，以信息加工作为机械产品设计描述基础，人对机械产品的认知、理解、记忆过程及其表达方式；大脑内部对机械地产品设计的信息处理形式与心理表征的创新性操

40、作方法；大脑外部的信息处理形式、信息承载体及其相应的表达方式及其转换，多个大脑间的信息交换形式、方法、工具、平台；计算机作为产品设计信息承载与处理辅助工具的特点与作用，人机交互方法等都会影响设计过程与结果。依据产品形成的特点和人对其思维的过程，按照产品概念的逻辑架构和约束处理与冲突消解两个阶段确定产品的设计方法、技术等。依此确定机械产品原始创新的思想、环节、方法及其具体操作，并为机械产品设计全程的计算机化自动处理奠定理论和技术基础。可以将大脑与电脑的信息加工过程关联在一起，将大脑与电脑的信息表征方式统一在一起，充分发挥各自的优势，交互进行机械产品原始创新设计。机械产品的创新，发生在思维及其过程

41、中，在于思维处理时对表征形式的操作，也就是大脑对思维资源的创造性处理过程。这个问题的关键在于思维期间，大脑对同类型的心理表征的操作与变换能力，在于对不同类型的心理表征的联想、关联、同化、异构等能力。实际上，若按照思维的连续性和思维内容来说，两个阶段可以更说明问题，参见图1-5、图2-1、。那就是，机械产品概念的形成和由此产生的产品方案，也叫概念产品。而其后的技术设计和施工设计，只是在确定方案的基础上，所进行的细节完善而已。就是要解决产品方案中所涉及到的细化中的材料性能的约束限制，运动过程中每个环节的性能限制，材料性能与几何形状的匹配等的冲突消解，零部件的协同合作与冲突消解等等。这就是说，后一个

42、阶段，难于从根本上改变机械产品的本质特征。也就是说，概念设计是关键和决定性阶段。由于该阶段的形成，最主要的在于思维过程，也就使得该阶段成为神秘与创新的环节。当然，该阶段是最创造性的阶段，根本在于大脑对思维资源的创造性操作、变换、变形、匹配等等。其实。从信息的观点来看，从需求到产品概念是信息聚缩过程，从概念产品到蓝图及文档表达（施工设计的结果）是信息释放的过程。聚缩难在诸多属性的归类、取舍与抽象（新概念的产生），信息释放难在由抽象层带来的下层还原。如一个概念的内涵及其外延中的某个成份（属性），又对应着另一个下层概念，而这个概念又有许多属性（成份），取舍成为困境，也就是取舍成为创新性思维的关键点思

43、维创新的火花。所谓的专家对此有自己特有的方式与方法，这就是与师傅交流中的意会，也就是在解决问题中千思不得一解，而偶然因素得以撞开新发现（某个关键属性或属性关联）的秘籍。就与此相关的几个要点简述如下。1) 心理表征的关联（所指）由于思维资源在大脑中的存在形式，思维有多种方式。这些表征是感觉与认知形式的心理体现，也受到人对各个学科本质理解及其相应的表达方式、人的训练方式的制约和影响。为了能适合机械产品的设计过程与过程中各个阶段的表达目标，大脑思维会在内部进行快速转换，这种转换的目的是便于大脑理解与处理，转换的依据是思维资源的各种形式的关联。参考图2-1、图2-2、图2-5可见，只有将各种表征方式所表示的同一概念或目的物连接起来，方可快速转换来达到理解与操作的目的。这种关联是双向的，一个方向是求同，也就是归纳、抽象、层升级。另一方面是求异，也就是按照属性特点，通过外延属性变内涵属性或相反，来达到关联。当然，所指（人们对事物规定的社会属性）是最基本的关联方式。创新发生在关联中。用传统的、习惯的、特异的、别样的关联方式，可以得到创新结果。在心理表征的关联方面，可以通过一个事物或现象（表面属性）在空间或时间上的与之接近的另一个事物相关联。可以由一个事物或现象与形状、构造、功能、性质等方面与之有类似特征的其它事物