面向?qū)嵺`的人因工程學(xué)教學(xué)研究

閆換新

(浙江科技學(xué)院經(jīng)濟管理學(xué)院,杭州310023)

人因工程學(xué)是研究人、機器、環(huán)境及其關(guān)系和技術(shù),以滿足人的價值需要、提高工作效率為目標的一門工程技術(shù)學(xué)科[1]。人因工程學(xué)源于工業(yè)實踐、服務(wù)于工業(yè)實踐[2],“大處著眼、小處著手”是人因工程學(xué)課程的鮮明特點?！按筇幹邸币笤诜治龊徒鉀Q問題時,要綜合考慮人、機器和環(huán)境要素[3],具有發(fā)散思維和系統(tǒng)思維;“小處著手”要求通過人因工程應(yīng)用的大量具體實踐,將科學(xué)思維逐步固化于大腦,將科學(xué)技能逐步演變?yōu)樽杂X習(xí)慣,將自覺習(xí)慣演變?yōu)樽匀恍袨?。目?在人因工程教學(xué)中和工程及產(chǎn)品設(shè)計中人因工程具體分析少,學(xué)生不能把握人因工程在工程及產(chǎn)品設(shè)計中的切入點和關(guān)鍵。為此,筆者將大量具體的工程實踐和設(shè)計引入課堂。

1 人因工程學(xué)課程教學(xué)目標

結(jié)合制造、機械、電子、管理等先修知識,將工程與設(shè)計實踐貫穿于課堂教學(xué)的每個章節(jié),將理論融入工程和設(shè)計實踐。為此,人因工程學(xué)課程教學(xué)目標為:

1)掌握人體運動、能量代謝等系統(tǒng)及器官的功能和特性,分析在工程和設(shè)計中的應(yīng)用[4];

2)掌握照明、顏色等工作環(huán)境特性及設(shè)計要素、原則,分析在工程和設(shè)計中的應(yīng)用;

3)掌握工作負荷、反應(yīng)時、合理用力、職業(yè)適應(yīng)等概念和特性,分析在工程和設(shè)計中的應(yīng)用;

4)根據(jù)人體測量數(shù)據(jù),掌握不同類型作業(yè)空間、工作臺、座椅設(shè)計要素及原則,解決工程和設(shè)計中的相關(guān)問題;

5)掌握顯示器和控制器設(shè)計要素及原則,分析在工程和設(shè)計中的應(yīng)用[5]。

2 人因工程學(xué)課程教學(xué)研究

人因工程學(xué)實踐性強,每課的內(nèi)容都涉及具體的人、機器和環(huán)境,最終目標要解決工程和設(shè)計中的具體問題。因此,在課堂教學(xué)中引入實驗和設(shè)計環(huán)節(jié),從而構(gòu)建以理論知識、實驗、視頻資料分析、設(shè)計和討論為主體的課堂教學(xué)體系,將每節(jié)課構(gòu)建為相對完整的知識單元。

2.1 理論知識

總結(jié)每章節(jié)的教學(xué)目的、概念、重點和難點,分析理論和工程實踐的結(jié)合點。如在課堂上,結(jié)合Media Player、KMP等專業(yè)播放器的操作,分析視覺、色彩、顯示等設(shè)計;分析車間、機床、汽車儀表盤、手機等產(chǎn)品的,儀表、信號燈、標志符號等設(shè)計,總結(jié)視覺、顏色、反應(yīng)時等在設(shè)計中的應(yīng)用;結(jié)合飛機操縱桿、汽車操控、工作臺、工具、文具等,分析控制器設(shè)計如何降低疲勞、提高效率。

2.2 課堂實驗

以教師和指定學(xué)生操作演示為主,結(jié)合理論教學(xué),開展視覺、顏色、反應(yīng)時、顯示器、控制器等課堂實驗,實驗內(nèi)容及其所需軟硬件多源于生活,利用學(xué)生熟悉的工具和軟件,開展人因工程課堂實驗。如利用3DMax等專業(yè)調(diào)色板進行配色,掌握顏色理論在設(shè)計中的應(yīng)用;利用模擬軟件實現(xiàn)汽車模擬操作,掌握人機界面、顯示器和控制器原理和設(shè)計;利用System Information Viewer軟件,實時監(jiān)控課堂用計算機CPU、主板、圖形卡、網(wǎng)卡等狀態(tài),進行工作疲勞、人機界面等課堂實驗。圖1為配色實驗界面,顏色特性由色調(diào)E、飽和度S、亮度L決定,亮度是顏色的明度特性,每組E 、S 、L 值和特定 R 、G、B 值對應(yīng),生成特定顏色,調(diào)色板可配置255×255×255種顏色。設(shè)定不同的E、S、L值,可生成千萬個顏色,充分利用計算機無限豐富的色彩資源,幫助學(xué)生掌握顏色理論及應(yīng)用。

另外,多種播放器設(shè)計的比較分析、課堂所在教室工作環(huán)境、課堂教學(xué)多媒體控制臺設(shè)計評價等都是課堂實驗的內(nèi)容。圖2是監(jiān)控計算機運行狀態(tài)系統(tǒng)監(jiān)控軟件(SIV)界面。通過SIV監(jiān)控軟件,可實時監(jiān)控當前課堂教學(xué)用計算機內(nèi)部硬件和軟件運行狀態(tài),高效精確地管理計算機及其系統(tǒng)。圖2中:①指示雙核CPU中第1個處理器當前溫度為26℃,CPU風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為2 184 r/min;②指示雙核CPU中第2個處理器當前溫度為27℃,CPU當前溫度及其風(fēng)扇狀態(tài)一目了然。SIV軟件實時監(jiān)控課堂用計算機CPU、主板、內(nèi)存、傳感器、網(wǎng)絡(luò)、總線、風(fēng)扇、操作系統(tǒng)等工作狀態(tài),實時顯示機器當前運行的準確數(shù)據(jù)。該實驗要求學(xué)生在課堂觀察分析當前計算機各個零部件工作狀態(tài),教師介紹計算機主要部件,講解經(jīng)常出現(xiàn)的問題及顯示設(shè)計,幫助學(xué)生熟悉工業(yè)設(shè)備內(nèi)部信息采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和顯示技術(shù),掌握顯示器和控制器在工業(yè)監(jiān)控設(shè)計中的具體應(yīng)用。

圖1 配色界面Fig.1 Interface of color matching

圖2 課堂用計算機運行監(jiān)控界面Fig.2 Interface of monitoring for classroom computer

2.3 視頻資料分析

人因工程涉及學(xué)科和應(yīng)用實踐廣泛,學(xué)生工程實踐機會有限。因此,在課堂教學(xué)中,收集并整理工業(yè)實踐視頻資料,通過生動的影視幫助學(xué)生了解工業(yè)實踐對人因工程的要求,了解人機工程如何解決工程實踐問題,從而彌補學(xué)生到現(xiàn)代化企業(yè)實踐機會少的欠缺。例如,為學(xué)生播放介紹汽車制造的電影,借助真實視聽,展現(xiàn)從整卷鋼板開始的沖鍛→車身焊接→車身噴涂→發(fā)動機裝配→電子控制系統(tǒng)→內(nèi)飾系統(tǒng)→總體裝配等,完整展現(xiàn)汽車制造四大工藝生產(chǎn)線的具體細節(jié),培養(yǎng)學(xué)生運用觀察、歸納、術(shù)語解釋、比較、推理等技能,分析人因工程的具體應(yīng)用;通過播放飛機飛行、數(shù)控機床加工等電影,幫助學(xué)生了解視覺、合理用力、監(jiān)控面板、人機系統(tǒng)等設(shè)計。

2.4 設(shè)計和討論

在課堂或課后作業(yè)中,針對每個章節(jié)的主題展開設(shè)計。例如,講授視覺和色彩時,安排幻燈片設(shè)計,明確優(yōu)秀的幻燈片設(shè)計是優(yōu)秀實體產(chǎn)品設(shè)計的基本前提。要求學(xué)生在幻燈片設(shè)計時,綜合應(yīng)用視覺、色彩、顯示器、控制器等知識,充分考慮人的心理、生理、反應(yīng)時、認知、常規(guī)等因素,將頁面合理分區(qū),精心設(shè)計每個區(qū)域內(nèi)的背景、圖示、標志符號、標題、文字、開關(guān)按鈕等要素。通過設(shè)計和討論,學(xué)生受到以下實踐鍛煉:一是利用視覺等知識,實現(xiàn)顯示信息合理排版布局;二是利用顏色理論相關(guān)知識,開展顏色調(diào)節(jié)和色彩設(shè)計;三是利用視覺、顏色和人機系統(tǒng)等知識,開展控制器設(shè)計(開關(guān)按鈕等);四是接受專業(yè)水平的幻燈片制作訓(xùn)練。

3 課堂教學(xué)示例

以作業(yè)空間設(shè)計一章中“作業(yè)空間設(shè)計的一般要求”一節(jié)為例,該節(jié)講述作業(yè)空間設(shè)計的內(nèi)容及其一般要求,授課時間為2個學(xué)時,分析課堂教學(xué)實現(xiàn)“大處著眼、小處著手”,如何將工程設(shè)計等實踐融合于課堂教學(xué)。

3.1 教學(xué)目的和內(nèi)容

作業(yè)空間設(shè)計就是將機器、設(shè)備和工具等,根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)、工藝流程特點和人的作業(yè)操作要求,合理進行空間布局,給人、物最佳流通路線和占有區(qū)域,提高工作的安全性、舒適性和效率。該節(jié)重點講解空間分類、每類作業(yè)空間設(shè)計的要素及其原則。

3.2 課堂討論

課前布置問題,要求學(xué)生通過觀察、回憶、Internet等手段收集整理資料,結(jié)合本節(jié)知識,針對問題開展課堂討論。例如:學(xué)生上普通理論課教室和設(shè)計類專用教室,其作業(yè)空間設(shè)計及其比較;娃哈哈等灌裝生產(chǎn)車間和汽車裝配生產(chǎn)車間設(shè)計及其比較;汽車總裝線和飛機總裝線的比較;上海地鐵1號線設(shè)計中的人因工程設(shè)計特色;校園草地為何經(jīng)常踏出一條小路?西湖景區(qū)供游客休憩的座椅設(shè)計缺陷。

應(yīng)用作業(yè)空間及其設(shè)計要求等理論,結(jié)合學(xué)生的體會及其思考,對上述問題課堂討論結(jié)果如下:

1)教室中每個座位及其書桌構(gòu)成近身作業(yè)空間。學(xué)生在普通教室的學(xué)習(xí)動作以靜態(tài)作業(yè)為主,作業(yè)姿勢為坐姿,偶有站立或走動;學(xué)生在設(shè)計類教室學(xué)習(xí)動態(tài)作業(yè)成分多,作業(yè)姿勢為坐立交替,立姿成分稍多,作業(yè)時需圍繞書桌走動。因此,盡管人體尺寸和個體因素基本相同,但是由于作業(yè)性質(zhì)不同,兩類作業(yè)空間的座椅及其書桌的高度、寬度、深度、活動余隙等設(shè)計原則不同,設(shè)計尺寸差異很大。

2)車間及其生產(chǎn)線屬于總體作業(yè)空間。總體作業(yè)空間設(shè)計與企業(yè)的生產(chǎn)方式和工藝流程直接相關(guān)。娃哈哈的純凈水生產(chǎn)屬于大批量流水線生產(chǎn)模式,其灌裝生產(chǎn)線要完成灌注、封口、裝箱等工序,灌裝工藝流程簡單,工序少,生產(chǎn)線多采用圓形或環(huán)形生產(chǎn)線以減少物品流動距離,提高效率。同為大批量流水線生產(chǎn)模式,汽車制造需要的工序成千上萬,工藝路線復(fù)雜,因此,汽車制造生產(chǎn)線采用多個U形線路的組合;車身按工藝流程在不同的U形線路中流動,沿U形線路部署大量的工位,每個工位完成特定零部件安裝;與車身運動相比,零部件位置相對固定。飛機總裝更為復(fù)雜,其生產(chǎn)是以產(chǎn)品為中心的項目車間模式,因此,其車間設(shè)計要求以飛機機身為中心,機身靜止,其他所有零部件向機身流動,而大飛機和小飛機的車間設(shè)計又有很大不同。

3)上海地鐵1號線由德方設(shè)計,2號線由中方設(shè)計。1號線設(shè)計時充分考慮上海的地理、氣候等環(huán)境因素及人的特性。上海雨季長且雨量大、道路排水不好,1號線每個地鐵站出入口都設(shè)置較高門檻,減少了行人舒適性,但是有效防止了雨季積水倒灌,保證了安全,徹底消除因雨水倒灌帶來的排灌成本;每個地鐵站入口到站臺距離很長,且需繞很多彎,目的是阻礙冷熱氣的流動損失,減少散熱和電力消耗;1號線站臺地面瓷磚專門鋪設(shè)了一條鮮艷的候車線,乘客自動在候車線以外候車,安全隱患少,減少了工作人員?？傊?上海1號線在作業(yè)空間設(shè)計時,大量細節(jié)都充分考慮環(huán)境和人的因素,人、機、環(huán)境和諧統(tǒng)一;反之,由中方設(shè)計的2號線未吸取1號線的人機工程設(shè)計精髓,忽略了1號線看似過于復(fù)雜、過于冗余的設(shè)計細節(jié),投入使用后花費大量人力和物力彌補不良設(shè)計的負面影響,運營成本高昂,安全隱患多,連續(xù)多年嚴重虧損。

4)作業(yè)空間設(shè)計不但要考慮人體尺寸、作業(yè)要求等客觀條件,還必須考慮人的行為特征,否則就會帶來不良后果。浙江科技學(xué)院圖書館路口是所有師生進入教學(xué)區(qū)的必經(jīng)之路,從該路口到A區(qū)教學(xué)樓有一大片典型的山坡草地,草地四周是學(xué)校主干道。從該路口穿越山坡草地和教學(xué)樓周圍草坪到教室最近,但是草地和草坪中間沒有小路。雖然草地和草坪周圍有路,但基于固有的捷徑反應(yīng),在很多情況下人更樂意沿捷徑,即穿過草地(草坪)來往于教學(xué)樓和圖書館之間。草地中本沒有路,人走多了就形成了路,尤其是教學(xué)樓周邊的草坪更明顯。如果沿橋頭和教學(xué)樓之間的最近路線鋪設(shè)一條石子小路,既可使人來往時間最短,又可保護草地和草坪,草地中也不再出現(xiàn)人為踏出的路。同樣,花港、花圃、鵒鵠灣等西湖景區(qū)配置了很多長條座椅,供游人休息,很多座椅足夠5人以上同時就坐,這些座椅的木料能經(jīng)受常年風(fēng)吹日曬,木料質(zhì)地好,也很珍貴,但經(jīng)常是每個座椅就坐不超過3人。原因是沒有考慮到游人休息時,個人心理空間要求大于物理空間,沒有考慮陌生人之間需要保持一定的社會距離,即人一般不和陌生人坐在一起,從而造成很大木材和空間浪費。

3.3 課堂設(shè)計

教學(xué)過程中,安排大量課堂設(shè)計環(huán)節(jié)。以作業(yè)空間設(shè)計章節(jié)為例,要求學(xué)生結(jié)合教師講課作業(yè)性質(zhì),結(jié)合人體參數(shù)和合理用力原則,指出當前教師用講臺作業(yè)空間(包括講桌、媒體、操作面板等)的類型及講臺設(shè)計的優(yōu)缺點,要求設(shè)計講臺及其講桌的長、寬、高尺寸,確定講桌多媒體操作面板的合理位置。設(shè)計之前提示學(xué)生:教師講課過程中主要完成哪些動作?作業(yè)空間限制了哪些動作的隨意性、平衡性、經(jīng)濟性,提高了哪些動作的等級?教師動作中有無低頭、彎腰等不合理動作,這些動作扭曲人脊椎等器官自然生理曲線,長期積累,易導(dǎo)致血流受阻、肌肉勞損,傷害頸椎和腰椎等;適合站姿的工作臺及座椅尺寸特點。

從熟悉的學(xué)習(xí)和生活實踐中,凝練具有明確意義的工程設(shè)計問題,對學(xué)生熟悉的事物展開針對性討論和定量設(shè)計,學(xué)生切身感受到人因工程應(yīng)用具體、實用,從而有效激發(fā)學(xué)生的探索欲望,提高學(xué)生分析和解決問題的實踐能力。

4 結(jié) 語

面向?qū)嵺`的課堂教學(xué),具有較強的實效性和實用性。它強調(diào)人因工程學(xué)在工程和設(shè)計實踐的應(yīng)用,將實驗、設(shè)計等實踐活動融入課堂教學(xué)環(huán)節(jié),將理論知識融入工程和設(shè)計問題的分析解決過程中;通過大量的工程設(shè)計及其分析,使學(xué)生更深入地理解和掌握理論知識,提高觀察、分析和解決問題的能力,受到人因工程應(yīng)用實踐的鍛煉。

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