“四维一体”的《人机工程学》教学改革及实践.pdf

114 Academic and Practise 学术与实践“四维一体”的人机工程学教学改革及实践林丽（贵州大学机械工程学院，贵州贵阳550025）摘要：面对人机工程学科的实践性质及新工科对学生实践能力及创新能力的重视，本文提出了“四维一体”的人机工程学教学改革及实践，旨在培养具备较强设计实践能力的专业人才。本教改以人机工程设计实践能力的培养为目标，紧密围绕目标的有效达成开展教学及其改革，通过“理论知识优化”实现理论知识的学习，“专项案例分析”强化在案例中的理论知识再学习，“体验互动参与”达成理论知识的深入理解，“设计实践实施”完成理论知识的实践应用及创新，形成“理论知识优化”+“专项案例分析”+“体验互动参与”+“设计实践实施”四个教学维度为一体的人机工程学改革。从原有的被动、单一、旁观、枯燥、空想的人机工程学的学习模式向主动、多元、参与、有趣、实践的现代学习方式转变，保障了学以致用的高素质复合型“新工科”人才的培养。关键词：人机工程学；教学改革；设计实践；工业设计基金项目：贵州大学教改基金重点项目“面向应用型人才培养的人机工程学课程教学改革与实践研究”(JG2013012)。作者简介：林丽，女，博士，贵州大学机械工程学院教授。人机工程学作为工业设计专业的主干课程，解决了工业设计基础理论教学中非常重要的以人为中心的工程技术、理论和数据问题，在工业设计专业人才培养方面具有举足轻重的作用1。它以人的生理、心理特征为依据，以创造宜人的人-机-环境系统为目的，应用系统、科学的理论与方法，研究“人-机-环境”系统中各因林丽：“四维一体”的人机工程学教学改革及实践115素的相互关系，把人的因素作为设计的主要条件和原则，为设计易操作、安全、舒适的“机（产品）”提供理论依据和方法。通常，在工业设计专业基础教学过程中，由于均为理论知识，学生学习感到枯燥、被动，学习参与度不高2；同时，单一的人机工程学理论教学与工业设计专业的实践性及创新性衔接薄弱，无具体应用过程或详细的设计实例指导过程，教学重理论轻实践3，学生处于旁观者的角色，难以应用人机工程学知识进行设计创造和设计实践，学生处于知识实践的空想状态。因此，改革教学，加强设计实践，使教学向主动、多元、参与、有趣、实践的现代学习方式转变迫在眉睫。一、“四维一体”的教学路径面向创新性设计才能的工业设计专业人才培养，本课题组建立了“理论知识优化”“专项案例分析”“体验互动参与”“设计实践实施”四个维度为一体的教学路径，如图 1。每个教学环节都紧密围绕知识点而展开，又同时为设计实践服务，它们相互独立又彼此联系，共同形成一个整体。图 1“四维一体”的教学路径示意图二、“理论知识优化”的教学内容改革由于理论教学内容直接关系到实践的内容。因此，首先对教学内容重新组织，在必要的理论知识基础上，突出人机工程学在工业设计专业上的实用性和应用型；结合设计实践内容，适当删减原主要适合工程技术专业工科学生的纯理论研究性的教学内容，同时着力加强本学科与工业设计专业的关联。“理论知识优化”学习模块主要从以下三个方面进行教学内容的改革：（1）精炼整合教学内容；（2）案例化理论知识；（3）引入前沿知识，动态更新教学内容。116 Academic and Practise 学术与实践三、“专项案例分析”的教学方法改革课题组根据课程每个章节知识点的不同，分别进行有针对性的设计案例编排与再设计，以案例化的方式突出相关的人机工学知识点，将单调枯燥的理论知识转化为身边各种熟知的案例。不仅可以更有效地提高学生学习的主动性，减少学生学习理论知识的枯燥感，而且也能有效地提高教学效果和学习效率。同时，学生通过“专项设计案例”的学习，有助于发现实际生活中存在的人机问题，通过分析，找准问题存在的根源，并从课堂上寻找解决途径与方案，从而提高了学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。四、“体验互动参与”的教学方式改革本课程在教改的实施过程中，引入“体验互动参与”的教学方式。选择适宜且互动性强的教学内容，提前设计互动内容和方式，在讲解相应理论知识之后，利用课堂少部分时间安排学生参与到蕴含人机知识点的互动游戏之中，在互动环节结束之后，将相关知识点与互动的结果进行融合与阐释，使学生在愉悦的互动中加深对理论知识的学习和理解，加强对学习内容的记忆。比如，在学习“人的知觉特性”时，在学生参与体验互动结束后，由教师阐述互动游戏中蕴含的人的知觉特性知识，这些知觉特征在现实生活中引起的现象，以及知觉特性对设计的意义。通过“体验互动参与”形式的学习，改变人机工程学学习过程沉闷、乏味、被动学习的现状，有效地将枯燥的理论学习变得生动而有趣，增强对知识的理解，加深理解知识在现实生活中引发的现象，明显增强学生的学习积极性和学习兴趣。五、“设计实践实施”的实践改革“设计实践实施”由阶段性小课题设计实践和综合性大课题设计实践组成。阶段性小课题设计实践主要针对每一个章节的学习之后，应用所学的知识进行相关产品的设计实践。通过每一个章节学习后的阶段性小课题设计实践，能够及时对所学知识进行一次检验，及时发现学生对知识的掌握程度。同时，通过观察生活中存在的人机问题，应用所学的理论知识进行应用训练。通过实际解决自己身边问题的这种方式，让学生体会到找到设计创意点并非想象得那么困难，解决现有设计中的不足也是自己能够驾驭的，从而有助于学生林丽：“四维一体”的人机工程学教学改革及实践117建立起创意是“简单”的，设计是“快乐”的观念。综合性大课题设计实践是在一系列小课题设计实践完成基础上而进行的环节，是将前面各自分散和独立的人机知识点整合应用、全盘考虑的过程，侧重于综合应用理论知识进行创新的设计。通过这个环节，进一步梳理与消化所学的人机知识，夯实理论，强化实践能力，提升学生的创新能力。六、以座椅设计实践为例的教学示例本文以座椅设计为例，在“理论知识优化”的教学环节，一改以往直接学习座椅设计知识的模式，而是首先学习第二章“人体测量数据的应用”。同时，将“工作座椅设计主要依据”及“工作座椅设计”两个部分内容合并入第二章中，使原本孤立的人体测量数据的应用找到具体应用案例，解决了原来独立学习人体测量数据应用章节时，学生感到枯燥，也难易把握人体数据的应用问题，同时也学习了座椅设计知识。最后学习坐姿生理学及坐姿生物力学的理论知识以及应用的相关知识。学习了座椅设计的理论后，进入座椅的专项案例分析教学，在这个环节重点通过对生活中各种各样真实座椅的分析，使同学们更加深刻地体会人体测量数据是如何应用于生活物品的设计之中，也使学生更加明白进行座椅设计时如何以人的生理、心理特征为依据，在人体测量数据的选择与修正基础上，创造更加宜人的人-椅环境。接着，进入座椅“体验互动参与”环节。在这个环节中，同学们在生活中寻找各种类型的座椅，并结合自身的座椅使用体验与所学理论知识，进行座椅的人机工程设计的优劣分析，提出改进意见。师生在课堂上互动讨论，同学们相互交流学习、借鉴，达到开阔设计思路的目的。最后，紧密结合课堂所学知识，进入座椅设计的实践环节。在设计实践实施之前，制定设计实践指导书。通过指导书，使同学们了解课题设计实践的目的、基本要求、内容、要点、设计实践应掌握的知识点，分析设计实践对象存在的不足、使用人群的定位以及设计成果的形式等内容。在实践指导书的指导下，首先，对学生公寓座椅的人机工程设计相关尺寸进行测量，如表 1 所示。其次，同学们结合自身体验分析现有座椅设计存在的不足之处。最后，基于人机工程原理找到改进的依据。118 Academic and Practise 学术与实践同学们通过表中数据分析得出，从理论上来说，座椅的坐高、坐面宽以及靠背高都低于参考数值。他们自身使用后的体会是：座椅的高度偏低，与桌面的高度不匹配，学习的时候手臂容易疲惫；座面较冷、硬，久坐臀部舒适度低；座面宽度不够，坐姿稳定性较弱；椅背的高度过低，而且椅背曲度不符合人体脊柱的自然弧度，无法给背部提供舒适的依靠和支持；直平的靠背设计，使得靠背边缘施予背部较大的压力；坐面的设计无倾角，难以满足学生长时间绘图和使用电脑的需要。针对这款存在较多不符合人机学原理的座椅，同学们首先提出的设计目标是既能满足学习之用，也希望座椅舒适性有所提升，以提供短时间的休息之用。因此，在座椅设计原则的指导下，并在充分考虑使用环境本身的特点、材料的造价、制造的成本、人机工程学原理以及便于运输收纳等的问题下，结合美学、工艺、材料等因素确定最后方案。通过设计实践，使学生们应用已学理论知识，提升了知识的综合应用能力，并尝试完成了从课题调研到三维效果表现的较为完整的设计流程，加深对设计流程的认识。同时，在还未学习产品设计系列课程及三维建模软件等课程的情况下，完成产品设计的三维效果表达，促进了后续相关课程自学能力的提升。在本次座椅设计实践作业中，除了完成课程要求的座椅人机工程设计以外，同学们尝试做了其他创新。如图 2 所示，方案考虑了座椅移动的方便性，在椅子脚后端设计有滚轮，便于移动。仅一个小小的改变，却给生活带来较大方便。此外，有的同学还考虑了学生平时学习时间较长，表 1学生公寓座椅的人机工程设计相关尺寸的测量注：相关数据摘自学生作业。林丽：“四维一体”的人机工程学教学改革及实践119很少运动的问题，设计一款带有运动功能的椅子，创造一个小范围的运动场，以期在一定程度上改善大学生体质下降的问题。有的同学充分利用椅脚之间的空间，设计可以旋转于椅面以外的垃圾桶，节约了公寓本来就很有限的空间。有的同学利用扣齿结构，轻松实现从工作椅到休闲椅的转换。有的同学在椅背后部设计置物架，可以放置书包等物品等，充分激发了学生的创新意识，也使学生从自身的实践中找到创新的乐趣。图 2座椅移动时的状态（摘自学生作业）七、结语为提升学生对于人机工学理论知识在设计实践中的应用，培养具备创新能力的应用型人才，开展“理论知识优化”+“专项案例分析”+“体验互动参与”+“设计实践实施”四个教学维度为一体的人机工程学改革及实践。在教学改革中，前三个维度加深理论学习和知识的理解，最后一个维度将理论知识用于设计创新实践，实现了学以致用的教学目的。通过强化设计实践，取得如下设计实践方面的教学成效：一是学生的部分创新设计实践成果申请了发明专利（如一种拼接 桌，ZL201510309476.8）、实 用 新 型 专利（如一种具有锻炼手臂力量功能的椅子，ZL201620578758.8），并且从实施教改以来，申请并获授权专利数量逐年递增。二是部分实践课题申请了“SRT”、大学生创新创业等项目，实现对课堂内容的进一步深化，起到了增强学生科研能力的效果。今后，课题组将继续推进“四维一体”教学改革，努力把教学带出课堂，走向企业，将教学的设计实践环节与企业联合，培养创新型、应用型人才。参考文献：1.陈祥林.工业设计人机工程教学改革实践.黑龙江教育(理论与实践)J.2018(12):64-65.2.李宗民,蔡小霞.以设计实践为主导的人机工程学课程教学改革与实践 J.工业设计,2018(10):129-130.3.张勇,袁光杰,严良文.人工智能背景下工业工程专业人机工程学课程教学改革探索 J.产业与科技论坛,2019,18(23):155-156.