具有AI技術(shù)特征的人機(jī)工效學(xué)課程教學(xué)方法

曹曉東 龐麗萍 完顏笑如

[摘 要] 人工智能（AI）技術(shù)發(fā)展迅猛，在航空航天等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。高等院校作為大學(xué)生了解前沿知識(shí)的窗口，教學(xué)方式也需要適應(yīng)時(shí)代發(fā)展現(xiàn)狀，將傳統(tǒng)的教學(xué)方法與新興的AI技術(shù)密切結(jié)合，以培養(yǎng)學(xué)生的新思維，這對(duì)高等院校的招生、培養(yǎng)和就業(yè)具有重要影響。主要對(duì)具有AI特征的人機(jī)工效實(shí)踐課程教學(xué)方法進(jìn)行研究，并在航空航天人機(jī)工效課程體系中引入先進(jìn)的AI技術(shù)，構(gòu)建航空AI特征基礎(chǔ)教學(xué)理論方法，開發(fā)航空AI實(shí)踐課程操作系統(tǒng)，形成航空AI實(shí)踐課程教學(xué)與培養(yǎng)方案，提升人機(jī)工效課程的活力和對(duì)學(xué)生的吸引力。

[關(guān)鍵詞] 人機(jī)工效學(xué);人工智能技術(shù);教學(xué)方法

[基金項(xiàng)目] 2019年度北京航空航天大學(xué)本科教學(xué)改革項(xiàng)目“具有AI特征的人機(jī)工效實(shí)踐課程教學(xué)方法研究”（201950508）

[作者簡(jiǎn)介] 曹曉東（1989—），男，河北樂亭人，工學(xué)博士，北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院副教授，主要從事人機(jī)環(huán)境控制研究;龐麗萍（1973—），女，黑龍江海林人，工學(xué)博士，北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院教授，主要從事飛行器艙室舒適性與人體效能評(píng)估研究;完顏笑如（1981—），女，河北涿州人，工學(xué)博士，北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院副教授，主要從事人機(jī)工效研究。

[中圖分類號(hào)] G642.41 ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2021）26-0121-04 ? [收稿日期] 2021-03-21

人機(jī)工效學(xué)是一門具有較強(qiáng)工程應(yīng)用性和多學(xué)科交叉性的學(xué)科，它應(yīng)用系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)，分析研究人與機(jī)器、人與環(huán)境以及機(jī)器與環(huán)境之間的相互作用[1-3]。人機(jī)工效實(shí)踐課程是人機(jī)與環(huán)境工程專業(yè)的一門專業(yè)課程。通過系統(tǒng)學(xué)習(xí)人機(jī)工效學(xué)課程理論知識(shí)，設(shè)計(jì)并完成人機(jī)工效實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠更加深入地理解知識(shí)，并汲取實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，這對(duì)于未來就業(yè)和提高解決實(shí)際問題的能力具有積極的意義。北京航空航天大學(xué)作為航空航天領(lǐng)域的專業(yè)學(xué)校，目前所涉及的人機(jī)工效學(xué)知識(shí)主要針對(duì)航空航天領(lǐng)域，人機(jī)工效實(shí)踐課程也主要針對(duì)航空航天領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)操作。

人工智能（Artificial Intelligence，AI）技術(shù)被稱為21世紀(jì)的尖端技術(shù)之一，它作為計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支，在近幾年得到了迅速發(fā)展。AI技術(shù)涉及數(shù)學(xué)、心理學(xué)、認(rèn)知科學(xué)等多個(gè)學(xué)科，在很多學(xué)科領(lǐng)域都獲得了廣泛應(yīng)用，并取得了豐碩的成果。在航空航天領(lǐng)域，許多空間站的工作涉及連續(xù)的實(shí)時(shí)過程控制，因此，AI技術(shù)被廣泛應(yīng)用于空間系統(tǒng)的監(jiān)視和診斷，為構(gòu)造和操作更有效的命令和控制系統(tǒng)提供了可能[4，5]。北京航空航天大學(xué)的人機(jī)與環(huán)境工程專業(yè)在國(guó)內(nèi)排名一直位居前列，人機(jī)工效實(shí)踐課程作為人機(jī)與環(huán)境工程的專業(yè)課程，面對(duì)科技時(shí)代的發(fā)展潮流，更需要引入如AI這樣的前沿知識(shí)和技術(shù)，與課程教學(xué)緊密結(jié)合，以激發(fā)學(xué)生的興趣，開拓學(xué)生的視野，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維能力。

一、課程現(xiàn)狀分析

（一）人機(jī)工效學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀

人機(jī)工效學(xué)課程集應(yīng)用性和實(shí)踐性于一身，是一門新興的交叉學(xué)科，與心理學(xué)、測(cè)量學(xué)、力學(xué)等學(xué)科有著廣泛的聯(lián)系，因此，人機(jī)工效學(xué)與許多專業(yè)存在著緊密的聯(lián)系。對(duì)于工業(yè)工程專業(yè)來說，人機(jī)工效學(xué)課程的側(cè)重點(diǎn)在于培養(yǎng)學(xué)生的項(xiàng)目管理能力，建立學(xué)生的職業(yè)態(tài)度和藝術(shù)賞析能力等。對(duì)于工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)來說，更加側(cè)重人機(jī)的協(xié)調(diào)性和交互感受。對(duì)于安全工程來說，人機(jī)工效學(xué)則注重于安全的設(shè)計(jì)和安全的人機(jī)交互內(nèi)容。作為北京航空航天大學(xué)人機(jī)與環(huán)境工程專業(yè)來說，開設(shè)的人機(jī)工效學(xué)更加側(cè)重在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，并且擁有自己獨(dú)特的課程教學(xué)體系，在人機(jī)與環(huán)境工程專業(yè)課程體系中占有重要地位。在目前的課程教學(xué)體系中，以講授基礎(chǔ)理論知識(shí)和實(shí)踐實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式開展。在實(shí)踐實(shí)驗(yàn)部分，以傳統(tǒng)的人機(jī)交互實(shí)驗(yàn)為主，主要通過采集生理數(shù)據(jù)、主觀數(shù)據(jù)以及績(jī)效數(shù)據(jù)，在后期做分析和處理，使學(xué)生了解人機(jī)工效學(xué)實(shí)驗(yàn)的大致流程以及基本處理方法。目前，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備不夠充足、課程時(shí)長(zhǎng)較短等客觀存在的問題，以及實(shí)驗(yàn)流程簡(jiǎn)單、單一等因素，實(shí)踐實(shí)驗(yàn)在實(shí)際的課程教學(xué)中取得的效果并不明顯，學(xué)生對(duì)于課程的熱情度以及創(chuàng)新積極性不足，因此，需要改進(jìn)課程內(nèi)容來改善目前的課程狀況。AI作為目前比較前沿的科研方向，希望可以通過引入AI特征來改變課程教學(xué)中存在的一些問題，以便在人工智能背景下培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)人機(jī)工效學(xué)課程的熱情，實(shí)現(xiàn)提高學(xué)生自主能力和創(chuàng)新能力的目標(biāo)。

（二）AI技術(shù)應(yīng)用于高等院校人機(jī)工效實(shí)踐課程教學(xué)的重要性

本科生在選擇專業(yè)時(shí)，就業(yè)前景是考慮的重要因素，所學(xué)內(nèi)容是否符合時(shí)代發(fā)展是一個(gè)關(guān)鍵問題[6]。在當(dāng)下社會(huì)，人工智能已經(jīng)成為最前沿的研究方向之一。眾多高新技術(shù)企業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)都設(shè)立了研究AI技術(shù)應(yīng)用的部門，并提供了大量的就業(yè)崗位，因此，對(duì)于具有AI背景的復(fù)合型人才的需求不斷增加。由于AI技術(shù)的前沿性和本科生專業(yè)選擇的傾向性，高等院校的不同專業(yè)在教學(xué)過程中與AI技術(shù)進(jìn)行緊密結(jié)合是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。北京航空航天大學(xué)的人機(jī)與環(huán)境工程專業(yè)主要研究人與機(jī)器和環(huán)境的相互作用機(jī)理，具有鮮明的人工智能應(yīng)用前景，將人機(jī)工效實(shí)踐課程提升為具有AI特色的專業(yè)課程，提高學(xué)生的專業(yè)能力和AI知識(shí)儲(chǔ)備，將成為吸引本科生的重要吸引點(diǎn)。因此，開展具有AI特征的人機(jī)工效實(shí)踐課程教學(xué)方法研究十分必要。

（三）AI技術(shù)應(yīng)用于航空航天人機(jī)工效技術(shù)領(lǐng)域的重要性

在目前的航空航天領(lǐng)域，人機(jī)工效設(shè)計(jì)所涉及的操作任務(wù)與指揮控制系統(tǒng)都是通過駕駛員形成閉環(huán)的人機(jī)控制系統(tǒng)。按照該傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，人機(jī)工效實(shí)踐課程主要針對(duì)如何優(yōu)化設(shè)計(jì)操作界面與控制系統(tǒng)，以最大限度地提高駕駛員的操作效率。但是在新型航空航天飛行器中將面臨愈來愈復(fù)雜的決策以及更高強(qiáng)度的人機(jī)界面操作任務(wù)，單獨(dú)依靠飛行員的個(gè)人能力可能難以完成新型飛行任務(wù)。因此，必須尋求一種有效的人機(jī)融合技術(shù)手段，構(gòu)造新型飛行員AI輔助系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于人機(jī)動(dòng)態(tài)協(xié)同機(jī)制的智能飛行與控制系統(tǒng)[4，5]。該研究能夠?qū)⑷藱C(jī)工效與AI設(shè)計(jì)技術(shù)完美結(jié)合，對(duì)于減輕飛行員任務(wù)負(fù)荷、提高人機(jī)效率以及特種戰(zhàn)場(chǎng)作業(yè)準(zhǔn)確性都具有重大的意義。因此，以人機(jī)功能分配設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)為突破口，在人機(jī)與環(huán)境工程專業(yè)的人機(jī)工效實(shí)踐課程中，結(jié)合飛行AI助手特征，建設(shè)以人機(jī)工效學(xué)和AI技術(shù)為基礎(chǔ)、應(yīng)用新型飛行器人機(jī)工效設(shè)計(jì)的課程體系，具有重要的教學(xué)改革意義。