Exploring Problem Decomposition in Conceptual Design

Abstract

Design embraces several disciplines dedicated to the production of artifacts and services. These disciplines are quite independent and only recently has psychological interest focused on them. Nowadays, the psychological theories of design, also called design cognition literature, describe the design process from the information processing viewpoint. These models co-exist with the normative standards of how designs should be crafted. In many places there are concrete discrepancies between these two in a way that resembles the differences between the actual and ideal decision-making. This study aimed to explore the possible difference related to problem decomposition.

Decomposition is a standard component of human problem-solving models and is also included in the normative models of design. The idea of decomposition is to focus on a single aspect of the problem at a time. Despite its significance, the nature of decomposition in conceptual design is poorly understood and has only been preliminary investigated. This study addressed the status of decomposition in conceptual design of products using protocol analysis. Previous empirical investigations have argued that there are implicit and explicit decomposition, but have not provided a theoretical basis for these two. Therefore, the current research began by reviewing the problem solving and design literature and then composing a cognitive model of the solution search of conceptual design. The result is a synthetic view which describes recognition and decomposition as the basic schemata for conceptual design.

A psychological experiment was conducted to explore decomposition. In the test, sixteen (N=16) senior students of mechanical engineering created concepts for two alternative tasks. The concurrent think-aloud method and protocol analysis were used to study decomposition. The results showed that despite the emphasis on decomposition in the formal education, only few designers (N=3) used decomposition explicitly and spontaneously in the presented tasks, although the designers in general applied a top-down control strategy. Instead, inferring from the use of structured strategies, the designers always relied on implicit decomposition. These results confirm the initial observations found in the literature, but they also suggest that decomposition should be investigated further. In the future, the benefits and possibilities of explicit decomposition should be considered along with the cognitive mechanisms behind decomposition. After that, the current results could be reinterpreted.

Tuotteita ja palveluita suunnittelevia aloja on nykyään lukuisia. Suunnittelun eri alueet ovat kehittyneet itsenäisesti, ja viime aikoina niistä on kiinnostuttu myös psykologiassa. Suunnittelukognitioksi kutsutaan tutkimussuuntaa, jossa suunnittelua tutkitaan kognitiivisen psykologian näkökulmasta. Suunnittelukognition tulokset ovat suunnittelun normatiivisten mallien ohella kiinteä osa alan tietämystä. Kaikilta osin psykologinen todellisuus ei kuitenkaan vastaa mallien olettamuksia, vaan ne eroavat toisistaan kuten optimaalinen ja tosiasiallisen päätöksenteko. Tämä tutkimus selvitti mahdollista eroavaisuutta ongelmien dekomposition suhteen.

Ongelmien dekompositio on menetelmä, joka sisältyy niin suunnittelun oppikirjoihin kuin ihmisen ongelmanratkaisun yleisiin malleihin. Dekomposition idea on helpottaa ongelmanratkaisua keskittämällä ongelmanratkaisijan huomio kerrallaan vain yhteen osaan ongelmasta. Dekomposition keskeisyydestä huolimatta dekomposition merkitys konseptisuunnittelussa on epäselvä ja niukasti tutkittu asia. Tässä työssä käytettiin protokolla-analyysia dekomposition tutkimiseksi. Aiemmissa kokeellisissa tutkimuksissa on esitetty dekomposition toimivan sekä implisiittisesti että eksplisiittisesti, mutta asiaa ei ole teoreettisesti perusteltu. Niinpä tässä tutkimuksessa käytiin ensin läpi viimeaikaisia suunnittelu- ja ongelmanratkaisuteorioita, joista koottiin kognitiivinen malli konseptisuunnittelun etsintävaiheesta. Tässä mallissa konseptisuunnittelun etsintävaihe nähdään tunnistusja dekompositio-skeemojen ohjaamana ongelmanratkaisuna.

Teoreettista vaihetta seurasi empiirinen koe dekomposition tutkimiseksi. Kokeeseen osallistuneet kuusitoista (N=16) kokenutta koneensuunnittelun opiskelijaa tuottivat konsepteja kahdesta vaihtoehtoisesta aiheesta. Yhtäaikaista ääneenajattelua ja protokolla-analyysia hyödynnettiin dekomposition tutkimiseksi. Tulokset osoittivat, että huolimatta dekomposition korostamisesta koulutuksessa, ainoastaan muutama (N=3) suunnittelija käytti menetelmää spontaanisti ja eksplisiittisesti esitetyn kaltaisissa tehtävissä, vaikka tehtävät muuten ratkaistiin järjestelmällisesti käyttäen ylhäältä-alas-ohjausstrategiaa. Eksplisiittisen dekomposition käyttäminen tutkituissa tapauksissa ei myöskään tuottanut odotettuja tuloksia Eksplisiittisen dekomposition sijaan suunnittelijat käyttivät ohjausstrategioista päätellen implisiittistä dekompositiota. Nämä tulokset tukevat aiemmin tehtyjä havaintoja, mutta myös korostavat dekomposition lisätutkimuksen tarvetta. Tulevaisuudessa pitäisi selvittää, voidaanko dekomposition käyttöä tehostaa, millainen kognitiivinen prosessi dekompositio on ja mitkä sen käytön vaikutukset työskentelylle ovat. Näiden kysymysten selvittämisen jälkeen voidaan nykyisiä tuloksia arvioida uudelleen.