農(nóng)業(yè)院校機(jī)械專業(yè)的《人機(jī)工程學(xué)》課程的教學(xué)改革

曾榮 徐紅梅 王洪昌 涂鳴

【摘 要】人機(jī)工程學(xué)課程在農(nóng)林院校機(jī)械專業(yè)的開展日益廣泛，但由于缺少合適的教學(xué)資源且不具備實(shí)驗(yàn)條件，目前該課程開展的教學(xué)效果并不理想。本文針對(duì)上述問題，結(jié)合農(nóng)業(yè)院校機(jī)械專業(yè)的建設(shè)目標(biāo)，培養(yǎng)實(shí)踐應(yīng)用型人才，對(duì)人機(jī)工程學(xué)課程的教學(xué)提出了改進(jìn)與優(yōu)化方法，優(yōu)化整合了理論與實(shí)際相結(jié)合的教學(xué)內(nèi)容，并提出了“理論+仿真+案例”的教學(xué)模式，以及合理運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)和啟發(fā)與互動(dòng)式教學(xué)的教學(xué)方法。

【關(guān)鍵詞】農(nóng)業(yè)院校；人機(jī)工程學(xué)；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)模式；教學(xué)方法

【中圖分類號(hào)】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】2095-3089（2018）15-0009-02

人機(jī)工程學(xué)是20世紀(jì)50年代初發(fā)展起來(lái)的一門涉及多學(xué)科知識(shí)領(lǐng)域的邊緣學(xué)科[1]。人機(jī)工程學(xué)是以人為主體，研究如何使人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)的設(shè)計(jì)符合人的生理結(jié)構(gòu)和心理特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、環(huán)境之間的最佳匹配，使處在不同條件下的人能安全、高效和舒適地進(jìn)行工作和生活[2]。該課程是機(jī)械設(shè)計(jì)與工業(yè)設(shè)計(jì)類專業(yè)的專業(yè)核心課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的人機(jī)工程問題的能力，并學(xué)會(huì)運(yùn)用人機(jī)工程理論解決機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的人機(jī)工程問題。

一、教學(xué)現(xiàn)狀

近年來(lái)我國(guó)農(nóng)業(yè)裝備高速發(fā)展，農(nóng)業(yè)裝配產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高，性能不斷完善，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也日趨激烈。隨著農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)水平的提升，其舒適性與人性化設(shè)計(jì)問題也越來(lái)越受到制造商及用戶的重視。解決農(nóng)業(yè)裝備舒適性及人性化問題，需要運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)理論將操作者—裝備—操作環(huán)境三者作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)出人機(jī)系統(tǒng)的最優(yōu)組合方案。目前國(guó)內(nèi)已有多位研究者應(yīng)用人機(jī)工程學(xué)理論對(duì)農(nóng)業(yè)裝備的舒適性問題進(jìn)行了研究，多集中在對(duì)拖拉機(jī)和聯(lián)合收獲機(jī)械的駕駛室座椅的優(yōu)化設(shè)計(jì)、減振降噪優(yōu)化設(shè)計(jì)等。我國(guó)《十二五農(nóng)機(jī)工業(yè)發(fā)展規(guī)劃》也將農(nóng)機(jī)裝備的舒適性問題列入重點(diǎn)建設(shè)計(jì)劃。因此，在農(nóng)業(yè)院校機(jī)械專業(yè)開設(shè)人機(jī)工程學(xué)課程有其必要性。

我校于2016年開始開設(shè)《人機(jī)工程學(xué)》課程，旨在通過(guò)人機(jī)工程學(xué)理論的講授使得學(xué)生理解農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計(jì)過(guò)程中的人機(jī)工程學(xué)問題，并能運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)相關(guān)理論設(shè)計(jì)相關(guān)的農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備。然而，縱觀現(xiàn)有的理論教材以及網(wǎng)絡(luò)課程資源，多針對(duì)的是工業(yè)設(shè)計(jì)、汽車工程等專業(yè)，盡管可以作為農(nóng)業(yè)院校機(jī)械專業(yè)該課程的教材和參考資料，但其中涉及的案例、數(shù)據(jù)也多以工業(yè)設(shè)計(jì)和汽車工程專業(yè)為主，使得教學(xué)中出現(xiàn)專業(yè)針對(duì)性不強(qiáng)、無(wú)法引起學(xué)生的興趣的情況，教學(xué)效果不理想。其次，本課程尚未開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以課堂講授為主，使得理論與實(shí)際結(jié)合不緊密，難以培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，無(wú)法實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

在尚未有合適的農(nóng)業(yè)院校機(jī)械專業(yè)人機(jī)工程學(xué)課程的教材與課程資源、且不具備開展實(shí)驗(yàn)課程的背景下，如何通過(guò)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法的改進(jìn)來(lái)提高教學(xué)效果，是目前值得探討的話題。因此，本文從農(nóng)業(yè)院校機(jī)械專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)出發(fā)，結(jié)合農(nóng)業(yè)裝備發(fā)展趨勢(shì)與需求，對(duì)人機(jī)工程學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合與改進(jìn)，將農(nóng)業(yè)裝備的人機(jī)工程學(xué)問題的理論與實(shí)踐相結(jié)合，以此為基礎(chǔ)，探討人機(jī)工程學(xué)課程的改革，以有效地促成教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

二、課程教學(xué)內(nèi)容的整合與創(chuàng)新

本課程目前使用的教材為電子工業(yè)出版社出版、李達(dá)主編的《人機(jī)工程學(xué)》，該教材為高等院校工業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)劃教材。授課內(nèi)容主要依托該教材的內(nèi)容，包括人機(jī)工程學(xué)概述、人機(jī)系統(tǒng)中人的因素、不同裝置的設(shè)計(jì)要點(diǎn)以及人機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)全面地講解了人機(jī)工程學(xué)理論。然而，教材內(nèi)容過(guò)于偏重理論，與機(jī)械專業(yè)實(shí)踐結(jié)合較少；此外理論講解中的舉例多針對(duì)工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，對(duì)于農(nóng)業(yè)院校機(jī)械專業(yè)而言，專業(yè)針對(duì)性不強(qiáng)，難以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。因此，需針對(duì)機(jī)械專業(yè)特點(diǎn)及培養(yǎng)目標(biāo)，對(duì)內(nèi)容進(jìn)行重新整合與改進(jìn)。

首先，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新組織。適當(dāng)刪減人機(jī)工程學(xué)中偏重理論的知識(shí)點(diǎn)，如系統(tǒng)中人的因素（第二章）過(guò)大篇幅講解人的感知覺特性、人的感知覺的形成原理，知識(shí)點(diǎn)偏重生理學(xué)和心理學(xué)，對(duì)該部分內(nèi)容應(yīng)作適當(dāng)?shù)膭h減，關(guān)注人的感知覺與各類裝置的人機(jī)工程學(xué)因素的內(nèi)在聯(lián)系。此外，課程總學(xué)時(shí)為24理論學(xué)時(shí)，為凸顯教學(xué)目標(biāo)，應(yīng)重在理論的實(shí)踐應(yīng)用。因此，在對(duì)理論內(nèi)容進(jìn)行刪減的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加與實(shí)際聯(lián)系緊密的教學(xué)內(nèi)容。在講解各類裝置的設(shè)計(jì)要點(diǎn)時(shí)，有針對(duì)性地融入與農(nóng)業(yè)裝備相關(guān)的實(shí)例，例如講解顯示裝置的設(shè)計(jì)時(shí)，可以農(nóng)業(yè)裝備中的各項(xiàng)顯示裝置作為實(shí)例講解設(shè)計(jì)理論，在講解操縱裝置的設(shè)計(jì)時(shí)，可以拖拉機(jī)、聯(lián)合收割機(jī)的駕駛室內(nèi)的操縱裝置作為實(shí)例講解設(shè)計(jì)要點(diǎn)。有專業(yè)針對(duì)性地融入的教學(xué)實(shí)例，做到理論與實(shí)踐相結(jié)合，將能有效地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高教學(xué)質(zhì)量。

三、課程教學(xué)模式的探索

為滿足機(jī)械專業(yè)對(duì)本課程教學(xué)的實(shí)際需要，本課程教學(xué)應(yīng)重視加強(qiáng)與實(shí)踐相結(jié)合，做到理論與實(shí)踐并重，在課程教學(xué)中始終貫穿與突出農(nóng)機(jī)裝備設(shè)計(jì)主線。由于課程學(xué)時(shí)數(shù)少，且不具備進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)的條件，因此，本文提出了在理論教學(xué)過(guò)程中結(jié)合虛擬仿真以及案例教學(xué)的新的教學(xué)模式。

1.虛擬仿真應(yīng)用于理論教學(xué)。

人機(jī)工程學(xué)課程的建設(shè)目標(biāo)是使學(xué)生能夠掌握各類機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)中的人機(jī)工程學(xué)要點(diǎn)，能運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)理論進(jìn)行機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)，最終能夠進(jìn)行人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)。人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程，需結(jié)合機(jī)械設(shè)備的使用需求、使用者的生理和心理因素以及設(shè)備與使用者所處的環(huán)境特征進(jìn)行綜合地設(shè)計(jì)。理論教學(xué)難以系統(tǒng)、全方位地講解人機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，此外，對(duì)人機(jī)系統(tǒng)中人的各項(xiàng)因素很難做到直觀地讓學(xué)生們?nèi)ダ斫狻Ｒ虼?，本文提出在理論教學(xué)的基礎(chǔ)上結(jié)合虛擬仿真的教學(xué)模式。

在教學(xué)過(guò)程中，教師可借助虛擬仿真軟件，如Jack軟件構(gòu)建各類虛擬工作空間，并添加人體模型，創(chuàng)建虛擬的人機(jī)系統(tǒng)。以虛擬的人機(jī)系統(tǒng)為例，為學(xué)生演示人在系統(tǒng)中與機(jī)器設(shè)備之間的交互、與工作桌椅之間的交互，并模擬人在不同工作姿態(tài)下的活動(dòng)空間、視角、視野、肢體受力等各類生理學(xué)參數(shù)。運(yùn)用虛擬的人機(jī)系統(tǒng)，能夠從三維立體的角度演示人體的各項(xiàng)生理參數(shù)，更加直觀易懂。另外，虛擬的人機(jī)系統(tǒng)中人可以實(shí)現(xiàn)各類工作過(guò)程，如抓取物體、行走、坐下等，不同的工作過(guò)程可以展示各自的人體活動(dòng)空間、工作姿態(tài)，并能模擬不同位置姿態(tài)下的人的生理參數(shù)，從而檢驗(yàn)工作空間設(shè)計(jì)的合理性。由于可將設(shè)計(jì)的機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)導(dǎo)入軟件中，運(yùn)用軟件構(gòu)建使用機(jī)械的人體模型，因而能夠檢驗(yàn)機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)的人體功效。通過(guò)虛擬仿真模擬，學(xué)生能夠直觀地、全方位地理解人機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，在教師的引導(dǎo)下能夠更加深刻地理解人機(jī)工程學(xué)理論知識(shí)，并能做到理論與實(shí)際相結(jié)合。

2.案例教學(xué)與理論教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)模式。

由于現(xiàn)有的理論教材以及網(wǎng)絡(luò)課程資源，主要針對(duì)的是工業(yè)設(shè)計(jì)和汽車工程等專業(yè)，尚未形成適用于農(nóng)業(yè)院校機(jī)械專業(yè)本課程的完整教學(xué)資料，因此，在此前的授課過(guò)程中，所使用的教材以及舉例仍針對(duì)的是工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中產(chǎn)生了對(duì)課程開設(shè)的必要性的思索，缺乏學(xué)習(xí)的積極性，教學(xué)效果不理想。因此，本文提出在理論教學(xué)過(guò)程中融入實(shí)踐案例，并更新現(xiàn)有的實(shí)踐案例，以學(xué)生們所熟知的農(nóng)業(yè)機(jī)械為例，有針對(duì)性地將人機(jī)工程學(xué)理論與農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)相結(jié)合，使學(xué)生更好地理解農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的人機(jī)工程學(xué)問題。

例如，在講解人體測(cè)量尺寸數(shù)據(jù)的使用時(shí)，以農(nóng)業(yè)機(jī)械中的手扶式機(jī)械為例，要求學(xué)生設(shè)計(jì)滿足我國(guó)99%的成年人可以使用的手扶高度。通過(guò)該案例的講解，學(xué)生能夠充分理解人體測(cè)量尺寸數(shù)據(jù)的平均性運(yùn)用準(zhǔn)則，以及如何確定產(chǎn)品功能尺寸，同時(shí)又能清楚在今后遇到類似的設(shè)計(jì)要求時(shí)該如何合適地選擇人體尺寸數(shù)據(jù)。此外，為獲取更多的教學(xué)案例，將科研服務(wù)于課堂教學(xué)具有其必要性。目前有較多的人機(jī)工程學(xué)理論應(yīng)用的科研成果，如農(nóng)機(jī)駕駛室人機(jī)工程學(xué)分析及仿真[3]，水田除草機(jī)人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)[4]等。通過(guò)對(duì)這些科研成果進(jìn)行提煉總結(jié)，轉(zhuǎn)化成適用于課堂教學(xué)的實(shí)例，講解如何運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)理論去分析、評(píng)價(jià)與設(shè)計(jì)農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備，將能更好地使學(xué)習(xí)理論人機(jī)工程學(xué)理論與實(shí)踐的相關(guān)性。

有針對(duì)性地選取與本專業(yè)密切相關(guān)的教學(xué)案例并講解人機(jī)工程學(xué)理論如何指導(dǎo)其設(shè)計(jì)，學(xué)生既能理解課本中的理論知識(shí)，又能理解理論知識(shí)在本專業(yè)領(lǐng)域中如何使用，為學(xué)生在今后的工作與學(xué)習(xí)提供良好的理論基礎(chǔ)。

四、課程教學(xué)方法的改進(jìn)

課堂教學(xué)是目前本課程采用的最主要的教學(xué)方法。在對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新整合、對(duì)教學(xué)模式進(jìn)行創(chuàng)新之后，為充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)地主動(dòng)性，并達(dá)到最佳的教學(xué)效果，對(duì)教學(xué)方法進(jìn)行改進(jìn)尤其必要性。

1.多媒體教學(xué)法。

充分現(xiàn)代信息技術(shù)，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)模式，制作一套針對(duì)農(nóng)業(yè)院校機(jī)械專業(yè)人機(jī)工程學(xué)課程的適用教學(xué)課件。綜合運(yùn)用多媒體技術(shù)與各類動(dòng)畫軟件，集圖、文、聲、動(dòng)畫于一體，將課程中抽象的理論知識(shí)具體化、形象化，加深學(xué)生的理解，如人體測(cè)量數(shù)據(jù)章節(jié)，通過(guò)三維動(dòng)畫的形式展示人體模型及各類數(shù)據(jù)的測(cè)試方法；充分利用各項(xiàng)軟件技術(shù)，將教學(xué)案例融入課件中，使授課變得更加生動(dòng)形象；利用人機(jī)工程學(xué)理論中的視覺感知理論等知識(shí)對(duì)教學(xué)課件進(jìn)行美化，如課件背景與字體顏色的選擇應(yīng)使目標(biāo)更為突出，目標(biāo)的出現(xiàn)可以動(dòng)畫的形式，增添教學(xué)課件的可觀性。完善的教學(xué)課件，能激發(fā)學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)的興趣和熱情，增添教師與學(xué)生之間的交互，充分發(fā)揮學(xué)生的主體意識(shí)，提高教學(xué)質(zhì)量。

2.啟發(fā)與互動(dòng)式教學(xué)法。

在教學(xué)過(guò)程中需注重學(xué)生主動(dòng)與教師引導(dǎo)相結(jié)合，即采用啟發(fā)式與互動(dòng)式教學(xué)方法。由于課堂講授型授課方式的限制，學(xué)生的主動(dòng)性被忽略，重視“教”而忽視“學(xué)”。為引導(dǎo)學(xué)生積極主動(dòng)地參與各項(xiàng)教學(xué)活動(dòng)，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，激發(fā)學(xué)生的參與熱情，在課程改革的實(shí)踐中，啟發(fā)式與互動(dòng)式的教學(xué)方法的運(yùn)用有其必要性。以提問的形式引入知識(shí)點(diǎn)，如課程開始以“為什么要學(xué)習(xí)人機(jī)工程學(xué)課程”設(shè)問，引導(dǎo)學(xué)生去思考，通過(guò)列舉不符合人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)要求的例子來(lái)回答人機(jī)工程學(xué)課程開設(shè)的必要性，采用提出問題、分析問題、回答問題來(lái)組織教學(xué)。此外，為充分調(diào)動(dòng)學(xué)生在教學(xué)過(guò)程中的主動(dòng)性，在教學(xué)環(huán)節(jié)中設(shè)置各類與實(shí)踐相關(guān)的問題，讓學(xué)生進(jìn)行分組討論與分組設(shè)計(jì)，如以農(nóng)業(yè)機(jī)械駕駛室座椅作為實(shí)踐題目，結(jié)合課堂上講解的座椅設(shè)計(jì)要點(diǎn)與要求，要求學(xué)生指出駕駛室座椅設(shè)計(jì)中的人機(jī)工程學(xué)問題，以小組為單位課后設(shè)計(jì)出符合人機(jī)工程要求的座椅，之后在課堂上進(jìn)行展示，組長(zhǎng)進(jìn)行講解，教師進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。通過(guò)互動(dòng)式的課堂教學(xué)，以學(xué)生為主導(dǎo)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，培養(yǎng)其分析問題與解決問題的能力。

五、結(jié)束語(yǔ)

為適應(yīng)農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的實(shí)際需求，人機(jī)工程學(xué)課程在農(nóng)業(yè)院校機(jī)械專業(yè)的開設(shè)具有其必要性。要開展好農(nóng)業(yè)院校機(jī)械專業(yè)“人機(jī)工程學(xué)”課程的教學(xué)工作，應(yīng)在機(jī)械專業(yè)總的培養(yǎng)目標(biāo)的指導(dǎo)下，明確該課程的教學(xué)目標(biāo)。結(jié)合目前的課程建設(shè)背景，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新組織與整合，注重與專業(yè)背景知識(shí)的融合，重視理論與實(shí)踐的結(jié)合；對(duì)教學(xué)模式進(jìn)行探索，提出虛擬仿真、案例與理論教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)模式，并指出以“科研促教學(xué)”來(lái)提煉教學(xué)案例，培養(yǎng)學(xué)生人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)思想以及對(duì)課程理論知識(shí)與基本技能的掌握；進(jìn)一步深化教學(xué)方法改革的力度，從課件的制作到授課方法上，各個(gè)擊破，以達(dá)到最優(yōu)的教學(xué)效果，提高教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：曾榮，1988年02月生，講師，從事人機(jī)工程學(xué)教學(xué)與科研工作；

通訊作者：涂鳴，1985年07月生，講師。

基金項(xiàng)目：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)研究與改革項(xiàng)目（P2017018）