APP技術(shù)在人機(jī)工程學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究

匡紹龍

摘? 要 提出設(shè)計一款基于人機(jī)工程學(xué)評估方法的APP軟件并將其應(yīng)用于課堂教學(xué)，以提高學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識解決實際問題的能力。實踐表明，基于APP的教學(xué)不僅能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與創(chuàng)造力，而且可以加深他們對于知識的理解與掌握，同時解答因教學(xué)學(xué)時不足導(dǎo)致的學(xué)生對應(yīng)用的困惑。

關(guān)鍵詞 人機(jī)工程學(xué);APP;快速全身評估

Abstract The study proposes to design an APP software based on ergonomic evaluation methods， which can be applied to classroom teaching to develop students ability to solve practical problems based on learning knowledge. Practice shows that APP-based tea-ching can not only improve students' enthusiasm and creativity， but also deepen their understanding and mastery of knowledge. Besides， their confusion about application of knowledge caused by limited teaching time is removed.

Key words ergonomics; APP; rapid entire body assessment

1 引言

人機(jī)工程學(xué)是一門多學(xué)科交叉的綜合性學(xué)科[1]，涉及解剖學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)、工程學(xué)等多個學(xué)科，主要研究人—機(jī)—環(huán)境之間的相互作用，為提高設(shè)計產(chǎn)品的使用功效、適度以及安全性提供理論和方法的指導(dǎo)[2]，表1所示為其基礎(chǔ)課程體系。該課程教學(xué)的目的是使設(shè)計類專業(yè)的學(xué)生在產(chǎn)品設(shè)計中合理地考慮人的因素，從而實現(xiàn)人機(jī)協(xié)調(diào)[3]。作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，人機(jī)工程學(xué)在課程體系中具有較為重要的地位。

傳統(tǒng)的授課形式基于長期以來的經(jīng)驗沉淀[4]，以教師的課堂講授為主，缺乏鮮活的案例支撐以及新穎的呈現(xiàn)方法[5]。人機(jī)工程學(xué)如此繁雜的教學(xué)內(nèi)容和體系，對于大多數(shù)學(xué)生而言，單憑課本知識和教學(xué)授課，無法理解如何應(yīng)用這些知識進(jìn)行人機(jī)工程的設(shè)計和評估。此外，在整個教學(xué)過程中，學(xué)生處于被動接受知識的位置，很難激發(fā)學(xué)習(xí)興趣[6]，學(xué)習(xí)的積極性以及主觀能動性都無法被調(diào)動，無法做到將所學(xué)知識與自身專業(yè)進(jìn)行結(jié)合，發(fā)揮創(chuàng)新能力。最終，在實際產(chǎn)品設(shè)計中往往無法有效利用相關(guān)設(shè)計理論與原則。人機(jī)工程學(xué)學(xué)習(xí)的最終目標(biāo)是應(yīng)用于設(shè)計實踐，而傳統(tǒng)的教育方式已經(jīng)違背了此目的[1]。當(dāng)前，為提升教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)學(xué)生對于知識的內(nèi)化吸收及應(yīng)用，對于教學(xué)方式的改革刻不容緩 [7]。

實際上，移動智能終端和互聯(lián)網(wǎng)的高覆蓋普及極大地影響著教學(xué)方式與手段的變更，如在地質(zhì)教學(xué)和教育技術(shù)學(xué)課程教學(xué)中便較早地應(yīng)用了APP軟件，取得良好的教學(xué)效果。手機(jī)APP引入教學(xué)，一方面，學(xué)生能夠接收和采納新的媒體技術(shù)以及新的學(xué)習(xí)方式，對數(shù)字化學(xué)習(xí)形式認(rèn)可并積極采用;另一方面，以APP為代表的高等教育移動教育資源日趨豐富，能夠在各個方面滿足當(dāng)代大學(xué)生的多元化需求[8-9]。

本文以現(xiàn)有教學(xué)改革經(jīng)驗為指導(dǎo)，提出一種借助APP授課的教學(xué)模式，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)相關(guān)理論與原則設(shè)計一款手機(jī)APP軟件，并將其用于課堂教學(xué)。在課堂上利用APP將人機(jī)工程理論以更加生動鮮活的方式展示出來，避免了傳統(tǒng)教學(xué)方式的枯燥，有利于調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性以及主觀能動性。同時，基于APP界面本身設(shè)計的講解有助于加強(qiáng)學(xué)生對人機(jī)交互設(shè)計中界面顯示布局等專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的理解。

2 人機(jī)工程學(xué)常用評估方法及基本原理

人機(jī)工程學(xué)常用評估方法? 體力工作負(fù)荷評估是人機(jī)工程學(xué)關(guān)于體能工效學(xué)教學(xué)的一個重要內(nèi)容，主要用于評估工人體力作業(yè)負(fù)荷，量化肌肉骨骼風(fēng)險敏感度，最終計算得到作業(yè)強(qiáng)度等級，并用于工作改善。在人機(jī)工程學(xué)中，有多項指標(biāo)用于評估整個作業(yè)過程的合理性，主要從人體能量消耗、能量代謝率、勞動強(qiáng)度指數(shù)、生理疲勞度、作業(yè)時間以及作業(yè)姿勢等角度進(jìn)行評估。鑒于客觀評價需要昂貴的設(shè)備，并且無法真正用于實際生產(chǎn)過程中的評估，因而半量化的主觀評估方法是直接的并且容易實現(xiàn)的手段，比如常見的人體作業(yè)評估方法有WMSDs、OWS、RULA、REB等[10]。而這些評估方法主要基于現(xiàn)場作業(yè)姿勢以及作業(yè)的負(fù)荷進(jìn)行量化評分，手工操作過程復(fù)雜且計算煩瑣。如果開發(fā)成APP，即可經(jīng)過一系列簡單的操作完成評估，還能在各種場合進(jìn)行應(yīng)用，極大提高學(xué)生興趣，加深對人機(jī)工程學(xué)的理解。

這里以快速全身評估（Rapid Entire Body Assess-ment，REBA）技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用為例，進(jìn)行介紹。本APP的開發(fā)，一方面可以對APP界面開發(fā)過程中具體涉及的人機(jī)工程知識進(jìn)行理解;另一方面可以利用APP具體評估結(jié)果進(jìn)行相關(guān)人體工程學(xué)理論講解，通過將課本中的理論知識與實際設(shè)計相結(jié)合，幫助學(xué)生進(jìn)一步鞏固所學(xué)知識。整個教學(xué)實踐流程如圖1所示。

REBA評估法原理? REBA是通過主觀觀察人身體所有部位（手腕、上臂、下臂、頸部、軀干和腿部）的姿勢，而確定工作對人體損害程度的一種評估方法，其評估流程如圖2所示。

REBA方法將人體分成兩組。其中，軀干、頸、腿分成一組，根據(jù)三個部位的角度以及負(fù)荷情況分別打分，并將打分結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計;上臂、下臂和腕部為另外一組，根據(jù)手臂和腕部的擺動角度結(jié)合與手部耦合結(jié)果分別打分統(tǒng)計。兩部分的評分標(biāo)準(zhǔn)如圖3所示，最后根據(jù)A、B兩部分分值得出總分。

隨后，根據(jù)體能工效學(xué)原理，考慮肌肉骨骼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能和生物力學(xué)模型，得出不同的工作狀態(tài)下活動得分情況，進(jìn)而將總得分與活動得分綜合得出最終的REBA評分結(jié)果，根據(jù)結(jié)果分值情況判定出操作者所處的風(fēng)險等級，如圖4所示。

3 REBA評估方法的APP設(shè)計

APP設(shè)計與實現(xiàn)? 本文設(shè)計的REBA評估軟件，基于Android Studio軟件，采用Java 1.8.0_162進(jìn)行開發(fā)。在APP圖標(biāo)及交互界面設(shè)計中，根據(jù)人因工程設(shè)計原理，仍然需要考慮視覺顯示器設(shè)計、控制器及數(shù)據(jù)輸入等因素。另外，為了設(shè)計出更和諧美觀的界面，需要考慮的主要因素包括：靜態(tài)顯示器、動態(tài)顯示器設(shè)計的基本原理;顯示與運動兼容性的要求;顯示器與控制器綜合布局下的基本原則等。最終，軟件以簡潔形象的手繪工人的卡通圖像為圖標(biāo)，針對六個不同部位分別設(shè)計多種姿勢角度圖標(biāo)，用戶只需根據(jù)自身的姿勢情況按照步驟手動選擇對應(yīng)的圖標(biāo)，即可準(zhǔn)確地測出動作分值和測評結(jié)果并直接獲得反饋。

APP采用Bottom Navigation Activity底部導(dǎo)航，主要包含使用方法、開始測試、歷史記錄三個模塊。測試功能是核心的內(nèi)容，點擊“開始測試”按鈕進(jìn)入REBA測試模塊;然后只需根據(jù)測試者實際姿態(tài)完成對A、B兩部分選擇勾畫即可，點擊確認(rèn)按鈕，軟件開始進(jìn)行自動評分;REBA的最終得分可以通過點擊下方的“歷史記錄”選項進(jìn)行查看，方便用戶進(jìn)行動作改善與評估。測試過程及結(jié)果如圖5所示。

人機(jī)工程學(xué)APP課堂實驗? 人機(jī)工程學(xué)評估APP設(shè)計完成后，將其拿到教學(xué)課堂上用于教學(xué)。首先結(jié)合此軟件設(shè)計流程與工作原理對相關(guān)理論知識進(jìn)行講解，使學(xué)生通過實際案例學(xué)習(xí)人機(jī)工程學(xué)設(shè)計理論;之后讓學(xué)生在課堂上模擬一種車間工作時重復(fù)較多的姿勢，通過相機(jī)拍取并進(jìn)行實際測評，利用深度學(xué)習(xí)圖像標(biāo)注工具VIA（VGG ImageAnnotator）軟件標(biāo)注人體關(guān)鍵關(guān)節(jié)點位置，便于角度信息的準(zhǔn)確獲取;然后利用REBA軟件進(jìn)行測評，結(jié)果如圖6所示，與人工計算具有一致性，由此可以證明此APP的有效性;最后，根據(jù)APP評估結(jié)果回顧軟件分析過程中所用人機(jī)工程學(xué)的理論知識，以此加深學(xué)生對于人機(jī)工程學(xué)評估理論的認(rèn)知。

4 總結(jié)與展望

針對傳統(tǒng)人機(jī)工程學(xué)教學(xué)過程中內(nèi)容多且無法照顧到實際應(yīng)用能力培養(yǎng)的問題，本文提出將龐雜的人機(jī)工程學(xué)理論以軟件APP的形式展現(xiàn)，從而進(jìn)行教學(xué)的方式。通過這種將實例引入課堂的方式，使原本抽象乏味的書本知識變得形象具體，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動了其學(xué)習(xí)的積極性。同時，利用開發(fā)的人機(jī)工程學(xué)APP通過實驗講解的方式，加深學(xué)生對人機(jī)工程學(xué)原理以及人機(jī)界面設(shè)計的理解。

利用APP方式對人機(jī)工程學(xué)課程教改只進(jìn)行了初步嘗試，從教學(xué)結(jié)果看，學(xué)生反應(yīng)積極，能很快學(xué)會使用軟件，并掌握如何開展相應(yīng)作業(yè)場所的評估。未來，結(jié)合講解過程中發(fā)現(xiàn)以及學(xué)生提出的意見，用人機(jī)界面設(shè)計的諸多方法對APP加以改進(jìn)，同時提升學(xué)生對人機(jī)界面設(shè)計的理解和知識的應(yīng)用能力。還可以讓學(xué)生一起參與軟件開發(fā)，這樣可以充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造力，鍛煉他們的動手能力，并且可以通過參與提升學(xué)習(xí)主動性。

參考文獻(xiàn)

[1]李宗民，蔡小霞.以設(shè)計實踐為主導(dǎo)的《人機(jī)工程學(xué)》課程教學(xué)改革與實踐[J].工業(yè)設(shè)計，2018（10）：129-130.

[2]張宇紅.人機(jī)工程與工業(yè)設(shè)計[M].北京：中國水利水電出版社，2011.

[3]陳祥林.工業(yè)設(shè)計人機(jī)工程教學(xué)改革實踐[J].黑龍江教育：理論與實踐，2018（12）：64-65.

[4]趙維生，梁維.CDIO模式下安全人機(jī)工程學(xué)的教學(xué)方法探索[J].貴州農(nóng)機(jī)化，2019（3）：35-37.

[5]岳涵，徐靖涵.基于CDIO模式的工業(yè)設(shè)計人機(jī)工程學(xué)課程教學(xué)改革[J].中國冶金教育，2018（1）：27-28，31.

[6]薛玉梅.淺析傳統(tǒng)教育的弊端及改進(jìn)策略[M]//中國教育學(xué)術(shù)論壇（第二卷）：中國教育教學(xué)叢書編委會專題資料匯編.2006.

[7]劉剛田，陳卓.《人機(jī)工程學(xué)》研究生教育優(yōu)質(zhì)課程建設(shè)研究[J].輕工科技，2019，35（8）：172-173.

[8]樓仁興，李竑逵，沈闊，等.移動互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下“地學(xué)導(dǎo)航”手機(jī)APP教學(xué)應(yīng)用的思考[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2016，15（7）：170-171.

[9]李玲.教育APP在高校課程教學(xué)中的應(yīng)用研究[D].遼寧：渤海大學(xué)，2017.

[10]李博.基于人機(jī)工程學(xué)的割灌機(jī)作業(yè)人體疲勞評估及實驗研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2018.