概念设计 1.设计概述 设计是创新的手段。在明确了需求后，就需要通过设计来制定合适的方案， 来创造可以满足需求的人工事物。 这里首先介绍一下设计的概念，让大家了解什么是设计。 1.1无处不在的设计 大家经常生活中碰到的很多事物都是设计的结果。传统上对于设计的理解常 常偏向于艺术的，例如广告设计，室内装潢设计。另外，电影创作、小说创作其 实也都是属于设计。可以说，只要我们生活中接触到的事物（物质的或者精神的） 是非自然的，那么可能都是设计的结果。 在今后的大学学习过程中，大家会越来越多的涉及到各种非艺术的设计。例 如机械产品设计、电子线路设计、软件设计、市政规划设计。大家工作后，还会 碰到其它的设计问题，组织结构的设计，业务流程的设计，等等。在广告设计中， 设计师常常通过一组有某种关系的图片的组合来传达某种内在的意义（如下图）： 电影是就是导演把各种情节按照一定的顺序组合起来。 大家进大学后，首先就会碰到一个专业课程的设置，这也是一种设计，是老 师们根据自己的经验和知识来确定某个专业的学生将来很可能会碰到什么领域 的知识，来针对性的设置了一系列课程，使得学生在完成学业后可以掌握合适的 知识。 我们每天都在设计。从早上起床开始，我们就需要对一天的生活进行设计。 我们需要根据实际情况，对一系列的生活过程进行设计，以寻求满足约束的一组 过程。我们一天的生活包括：洗脸、刷牙、吃早饭、上课、自修，锻炼等等，先 做哪一件、后做哪一件，哪些事情可以并行做，这些都需要设计。我们从宿舍到 教室，也需要进行规划（设计）：选择什么路线，何种交通工具。例如，我们既 可以走路去教室，还可以骑车去教室，还可以坐巴士去教室，我们还可以选择这
概念设计 1． 设计概述 设计是创新的手段。在明确了需求后，就需要通过设计来制定合适的方案， 来创造可以满足需求的人工事物。 这里首先介绍一下设计的概念，让大家了解什么是设计。 1.1 无处不在的设计 大家经常生活中碰到的很多事物都是设计的结果。传统上对于设计的理解常 常偏向于艺术的，例如广告设计，室内装潢设计。另外，电影创作、小说创作其 实也都是属于设计。可以说，只要我们生活中接触到的事物（物质的或者精神的） 是非自然的，那么可能都是设计的结果。 在今后的大学学习过程中，大家会越来越多的涉及到各种非艺术的设计。例 如机械产品设计、电子线路设计、软件设计、市政规划设计。大家工作后，还会 碰到其它的设计问题，组织结构的设计，业务流程的设计，等等。在广告设计中， 设计师常常通过一组有某种关系的图片的组合来传达某种内在的意义（如下图）； 电影是就是导演把各种情节按照一定的顺序组合起来。 大家进大学后，首先就会碰到一个专业课程的设置，这也是一种设计，是老 师们根据自己的经验和知识来确定某个专业的学生将来很可能会碰到什么领域 的知识，来针对性的设置了一系列课程，使得学生在完成学业后可以掌握合适的 知识。 我们每天都在设计。从早上起床开始，我们就需要对一天的生活进行设计。 我们需要根据实际情况，对一系列的生活过程进行设计，以寻求满足约束的一组 过程。我们一天的生活包括：洗脸、刷牙、吃早饭、上课、自修，锻炼等等，先 做哪一件、后做哪一件，哪些事情可以并行做，这些都需要设计。我们从宿舍到 教室，也需要进行规划（设计）：选择什么路线，何种交通工具。例如，我们既 可以走路去教室，还可以骑车去教室，还可以坐巴士去教室，我们还可以选择这
几种方式的组合去教室，例如，走路去巴士站，然后搭巴士去。 1.2什么是设计 设计是人类的有目的的创造性活动，是人类利用知识创造出符合人的某种需 求的人工品(Artefact)的过程。之所以说人工品，是因为它不仅限于大家常见 到的工业产品，还包括艺术品，还有一些满足精神需求的产品，如小说、音乐。 设计的本质过程是对一些设计元素进行有目的的组合，使得组合后的人工体 能实现预定的行为，以满足人类的某种需求。取决于不同的设计对象，设计元素 常常有很大的区别。 对机械产品而言，设计元素是那些机械零部件。以自行车为例，包括轮胎、 钢圈、笼头、链条、脚踏、轮轴、钢丝，等等。对于汽车而言，设计的元素包含 了发动机、车身、轮胎等等，而发动机、车身的设计有包含了更细化的零部件， 如汽缸、活塞、车门等等。 对于电子线路设计而言，设计元素是指各种电子元件，例如导线、电阻、电 容、二级管、三级管、存储器，等等。对于一些高级的电子控制系统，设计元素 甚至还包括PLC(可编程控制器)、微型计算机等 软件设计中的设计元素主要是各种设计语言（如C语言，Basic语言，Pascal 语言，等)所规定的各种基本元素，包括各种变量（整型、，程序逻辑控制标志 (if,then,else,case,for,while等)。 市政规划设计中，涉及的元素包括各种绿化，自来水管道、排污水管道、购 物广场、交通路线，等。 在组织结构设计中，设计的对象包括各种部门，例如金融部门，人力资源部 门、物流部门、仓库、生产部门、销售部门，等等。 在业务流程设计中，需要考虑不同的业务信息在各个不同部门中合理、顺畅 地流动，以满足各种不同的管理需要。 在艺术创作中，美术家为了表现出美，常常采用各种颜料画成的线条、图形 来表现我们生活中的各种元素。 在电影创作中，设计的元素包括人物、事件、场景，等。 在广告设计中，设计师会把多种事物（元素）组合在一起，来表现某种想要
几种方式的组合去教室，例如，走路去巴士站，然后搭巴士去。 1.2 什么是设计 设计是人类的有目的的创造性活动，是人类利用知识创造出符合人的某种需 求的人工品（Artefact）的过程。之所以说人工品，是因为它不仅限于大家常见 到的工业产品，还包括艺术品，还有一些满足精神需求的产品，如小说、音乐。 设计的本质过程是对一些设计元素进行有目的的组合，使得组合后的人工体 能实现预定的行为，以满足人类的某种需求。取决于不同的设计对象，设计元素 常常有很大的区别。 对机械产品而言，设计元素是那些机械零部件。以自行车为例，包括轮胎、 钢圈、笼头、链条、脚踏、轮轴、钢丝，等等。对于汽车而言，设计的元素包含 了发动机、车身、轮胎等等，而发动机、车身的设计有包含了更细化的零部件， 如汽缸、活塞、车门等等。 对于电子线路设计而言，设计元素是指各种电子元件，例如导线、电阻、电 容、二级管、三级管、存储器，等等。对于一些高级的电子控制系统，设计元素 甚至还包括 PLC（可编程控制器）、微型计算机等 软件设计中的设计元素主要是各种设计语言（如 C 语言，Basic 语言，Pascal 语言，等）所规定的各种基本元素，包括各种变量（整型、，程序逻辑控制标志 （if, then, else, case, for, while 等）。 市政规划设计中，涉及的元素包括各种绿化，自来水管道、排污水管道、购 物广场、交通路线，等。 在组织结构设计中，设计的对象包括各种部门，例如金融部门，人力资源部 门、物流部门、仓库、生产部门、销售部门，等等。 在业务流程设计中，需要考虑不同的业务信息在各个不同部门中合理、顺畅 地流动，以满足各种不同的管理需要。 在艺术创作中，美术家为了表现出美，常常采用各种颜料画成的线条、图形 来表现我们生活中的各种元素。 在电影创作中，设计的元素包括人物、事件、场景，等。 在广告设计中，设计师会把多种事物（元素）组合在一起，来表现某种想要
表达的意义。例如，在下图中，设计师为了表示出森林资源的重要性，选择了乱 砍乱伐所逐步造成的后果：从“森”到“林”再到“木”，最后到“十字架”。 森林木七 …g 1.3艺术设计与工程设计 设计可以分为两大类：一类是艺术设计，另一类是工程设计。尽管同属于设 计，艺术设计和工程设计有很大的不同。 首先，从思维方法学的角度来说，艺术设计中非常提倡灵感，因为珍稀艺术 品的创作还难以用逻辑的思维来描述：工程设计则更强调逻辑化，原因在于工程 设计的产品需要更高的可靠性、稳定性，而只有逻辑化的、系统化的方法才能保 证工程设计的产品的质量和可靠性。因此，艺术设计更多被看作是一种人类的神 秘(mysterious)活动，而工程设计则被看作是比较理性的逻辑过程。 其次，从设计的过程来说，艺术设计的过程往往不能再现。例如，人类无法 再现贝多芬的乐曲创作过程，创作时完全是凭着感觉的：同样，人类也无法再现 达芬奇的巨作一一蒙娜丽莎的微笑，即便有一些高度相似的赝品，但赝品终究是 延聘。相反，工程设计的过程则可以再现，而且为了保证设计结果的准确、合理， 工程设计的过程还经常需要被再现，以进行校验。 再次，从设计的结果来说，艺术设计的结果往往不可复制。即便可以复制艺 术品，其复制品也不会具有与原作品相同的价值。人们虽然可以把“蒙娜丽莎的 微笑”变成照片而到处兜售，但原作和照片之间的价值显然不可同日而语。工程 设计通常则是为了满足规模生产的需要而创造的可以复制的工业类产品，原作和 复制品之间的价格一般没有大的差别。 另外，艺术设计的结果（艺术品）往往不需要长期、准确的运转。工程设计
表达的意义。例如，在下图中，设计师为了表示出森林资源的重要性，选择了乱 砍乱伐所逐步造成的后果：从“森”到“林”再到“木”，最后到“十字架”。 1.3 艺术设计与工程设计 设计可以分为两大类：一类是艺术设计，另一类是工程设计。尽管同属于设 计，艺术设计和工程设计有很大的不同。 首先，从思维方法学的角度来说，艺术设计中非常提倡灵感，因为珍稀艺术 品的创作还难以用逻辑的思维来描述；工程设计则更强调逻辑化，原因在于工程 设计的产品需要更高的可靠性、稳定性，而只有逻辑化的、系统化的方法才能保 证工程设计的产品的质量和可靠性。因此，艺术设计更多被看作是一种人类的神 秘(mysterious)活动，而工程设计则被看作是比较理性的逻辑过程。 其次，从设计的过程来说，艺术设计的过程往往不能再现。例如，人类无法 再现贝多芬的乐曲创作过程，创作时完全是凭着感觉的；同样，人类也无法再现 达芬奇的巨作——蒙娜丽莎的微笑，即便有一些高度相似的赝品，但赝品终究是 延聘。相反，工程设计的过程则可以再现，而且为了保证设计结果的准确、合理， 工程设计的过程还经常需要被再现，以进行校验。 再次，从设计的结果来说，艺术设计的结果往往不可复制。即便可以复制艺 术品，其复制品也不会具有与原作品相同的价值。人们虽然可以把“蒙娜丽莎的 微笑”变成照片而到处兜售，但原作和照片之间的价值显然不可同日而语。工程 设计通常则是为了满足规模生产的需要而创造的可以复制的工业类产品，原作和 复制品之间的价格一般没有大的差别。 另外，艺术设计的结果（艺术品）往往不需要长期、准确的运转。工程设计
的结果则不同，一些大型装备（如核电站）常常要求长期、准确的运转。因此， 对于工程设计而言，不仅要考虑其创新性，还要考虑很多其它的因素，如可靠性， 可维护性等。 1.4设计科学与自然科学 一直以来，大家接触的都是自然科学(Natural Science)。设计科学与自然科 学有很大的不同。 自然科学以发现自然界中的新事物、新现象以及新规律为中心。这里的“新” 不是说自然界中不存在这些东西，而是指这些东西以前还没有被人类所认识到。 在英语里，自然科学的成就常常以discover(发现)来阐述。例如，居里夫人的 一个杰出贡献在于发现了一种新的化学元素一一镭，爱因斯坦的一大贡献是发现 了光电效应这一新的物理现象，牛顿的一大贡献在于发现了自由落体运动背后隐 藏的普遍规律一一万有引力，麦克斯韦的一大贡献在于预言了电磁波的存在，等 等。因此，从马克思主义的角度来看，自然科学研究其实是人类的认识自然的活 动。 设计科学是一种人工科学(Artificial Science),它不同于上述大家比较了解 的自然科学(Natural Science)。设计科学以对人类的已有知识进行综合利用为中 心。例如，设计火箭的人只需要以人类已知到的牛顿三大定律为基础进行一些力 学性能的设计，他不需要再重新去探索牛顿三大定律。利用电子元件，设计师可 以设计出各种电子产品，如电脑，手机等，设计师并不需要去探索电子元件本身 所隐含的物理规律。从马克思主义的角度来说，设计科学其实体现的是人的改造 自然的活动。 当然，设计科学和自然科学之间并不互相排斥。一方面，设计科学的知识来 源于自然科学，设计师必须依靠自然科学的发现才能进行设计。例如，正是依靠 物理学家们发现的原子物理学，人们才将原子弹制造出来（但是，造原子弹的那 批人并不一定是最先发现原子放射衰变规律的科学家，例如中国造原子弹的科学 家并不是首次发现原子衰变规律的科学家)。有的时候，自然科学家们当然也可 以是设计师（设计是人类的一种与生俱来的能力，这也是人类作为高级生物的一 种体现)，他们也常常能将最新发现的自然知识用于产品的创新
的结果则不同，一些大型装备（如核电站）常常要求长期、准确的运转。因此， 对于工程设计而言，不仅要考虑其创新性，还要考虑很多其它的因素，如可靠性， 可维护性等。 1.4 设计科学与自然科学 一直以来，大家接触的都是自然科学（Natural Science）。设计科学与自然科 学有很大的不同。 自然科学以发现自然界中的新事物、新现象以及新规律为中心。这里的“新” 不是说自然界中不存在这些东西，而是指这些东西以前还没有被人类所认识到。 在英语里，自然科学的成就常常以 discover（发现）来阐述。例如，居里夫人的 一个杰出贡献在于发现了一种新的化学元素——镭，爱因斯坦的一大贡献是发现 了光电效应这一新的物理现象，牛顿的一大贡献在于发现了自由落体运动背后隐 藏的普遍规律——万有引力，麦克斯韦的一大贡献在于预言了电磁波的存在，等 等。因此，从马克思主义的角度来看，自然科学研究其实是人类的认识自然的活 动。 设计科学是一种人工科学（Artificial Science），它不同于上述大家比较了解 的自然科学（Natural Science）。设计科学以对人类的已有知识进行综合利用为中 心。例如，设计火箭的人只需要以人类已知到的牛顿三大定律为基础进行一些力 学性能的设计，他不需要再重新去探索牛顿三大定律。利用电子元件，设计师可 以设计出各种电子产品，如电脑，手机等，设计师并不需要去探索电子元件本身 所隐含的物理规律。从马克思主义的角度来说，设计科学其实体现的是人的改造 自然的活动。 当然，设计科学和自然科学之间并不互相排斥。一方面，设计科学的知识来 源于自然科学，设计师必须依靠自然科学的发现才能进行设计。例如，正是依靠 物理学家们发现的原子物理学，人们才将原子弹制造出来（但是，造原子弹的那 批人并不一定是最先发现原子放射衰变规律的科学家，例如中国造原子弹的科学 家并不是首次发现原子衰变规律的科学家）。有的时候，自然科学家们当然也可 以是设计师（设计是人类的一种与生俱来的能力，这也是人类作为高级生物的一 种体现），他们也常常能将最新发现的自然知识用于产品的创新
另一方面，设计科学也可以有力的促进自然科学。人们在设计人工品的过程 中，常常会由于对自然界认识的不够，会导致设计出的人工品不能按照预期的行 为工作，这样才会使得人们发现新的问题，从而诱发新的自然科学的出现。这样 的例子屡见不鲜。例如，爱迪生在发明电灯的过程中，发现灯丝很容易融断，因 此产生了寻找高熔点灯丝的需要。最终，他通过无数次的实验，发现了高熔点的 竹灯丝。这种寻找高熔点物质的过程其实就属于自然科学活动，虽然它最终是要 服务于电灯设计这一设计科学活动。 再如，二十世纪，造船业蓬勃发展，但是，在大型船舶完成后，常常会出现 船舶突然从中间断为两截的灾难性事故。这最终导致了固体力学的一个重要分支 一一断裂力学（一种基于裂纹扩展的固体断裂机制的科学）的产生。 因此，自然科学和设计科学一起，体现了人类认识自然和改造自然的统一。 认识自然科学和设计科学之间的差别对大家今后的工作有很大的帮助。有的 人将来搞的工作是自然科学，那就要按自然科学的规律来办事，要用搞自然科学 的方法去工作。有的人将来搞的工作是设计科学，那就要用设计科学的方法来工 作。 2设计的基本概念 在讲概念设计之前，需要澄清设计中的几个重要概念：结构(Structure)、功 能(Function)、作用对象、和约束(Constraint)。 2.1结构 直觉上，结构是指人工品(Artifact)的呈现。 对于技术产品(Product)而言，结构包含了品的物理组成，即由哪些零部件
另一方面，设计科学也可以有力的促进自然科学。人们在设计人工品的过程 中，常常会由于对自然界认识的不够，会导致设计出的人工品不能按照预期的行 为工作，这样才会使得人们发现新的问题，从而诱发新的自然科学的出现。这样 的例子屡见不鲜。例如，爱迪生在发明电灯的过程中，发现灯丝很容易融断，因 此产生了寻找高熔点灯丝的需要。最终，他通过无数次的实验，发现了高熔点的 竹灯丝。这种寻找高熔点物质的过程其实就属于自然科学活动，虽然它最终是要 服务于电灯设计这一设计科学活动。 再如，二十世纪，造船业蓬勃发展，但是，在大型船舶完成后，常常会出现 船舶突然从中间断为两截的灾难性事故。这最终导致了固体力学的一个重要分支 ——断裂力学（一种基于裂纹扩展的固体断裂机制的科学）的产生。 因此，自然科学和设计科学一起，体现了人类认识自然和改造自然的统一。 认识自然科学和设计科学之间的差别对大家今后的工作有很大的帮助。有的 人将来搞的工作是自然科学，那就要按自然科学的规律来办事，要用搞自然科学 的方法去工作。有的人将来搞的工作是设计科学，那就要用设计科学的方法来工 作。 2 设计的基本概念 在讲概念设计之前，需要澄清设计中的几个重要概念：结构（Structure）、功 能（Function）、作用对象、和约束（Constraint）。 2.1 结构 直觉上，结构是指人工品（Artifact）的呈现。 对于技术产品（Product）而言，结构包含了品的物理组成，即由哪些零部件