低學(xué)齡兒童書包系統(tǒng)性設(shè)計(jì)研究

摘要：本研究旨在通過人因工程設(shè)計(jì)優(yōu)化低學(xué)齡兒童書包的背負(fù)系統(tǒng)，以達(dá)到更佳的護(hù)脊效果，從而有效解決低學(xué)齡兒童因使用人機(jī)設(shè)計(jì)不合理的書包而產(chǎn)生的各種不良體態(tài)問題。通過對(duì)重力學(xué)、生物力學(xué)、生物解剖學(xué)等兒童書包設(shè)計(jì)的相關(guān)人因工程理論分析，結(jié)合實(shí)際情況得出低學(xué)齡兒童背負(fù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要素，提出適用于低學(xué)齡兒童的創(chuàng)新型書包背負(fù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略，并基于此設(shè)計(jì)了前后雙支撐的人因工程書包，對(duì)設(shè)計(jì)展開結(jié)果驗(yàn)證。本文設(shè)計(jì)方案相比傳統(tǒng)書包在功能性、舒適性、美觀性等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，耐用性方面仍有改善空間。使用前后雙支撐背負(fù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的書包對(duì)于保護(hù)低學(xué)齡兒童肌肉骨骼健康發(fā)育以及提高兒童背負(fù)舒適性有著正向意義。

關(guān)鍵詞：人因工程；低學(xué)齡兒童；書包設(shè)計(jì)；背負(fù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；生物力學(xué)

中圖分類號(hào)：TB47文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2025）11-0042-04

引言

脊柱形態(tài)異常問題在低學(xué)齡兒童中普遍存在，該群體正處于生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)期，也是治療和干預(yù)脊柱形態(tài)異常的重要階段[1]作為小學(xué)生攜帶學(xué)習(xí)和生活用品的主要承重載物工具，其設(shè)計(jì)的人機(jī)。書包合理性與小學(xué)生體態(tài)健康密切相關(guān)[2]。盡管我國(guó)有大量學(xué)齡兒童長(zhǎng)期使用人因工程設(shè)計(jì)不合理的背包，但由此產(chǎn)生的各種背負(fù)姿態(tài)問題在近年來才逐漸受到重視[3]。長(zhǎng)期使用人因工程設(shè)計(jì)不合理的書包會(huì)導(dǎo)致兒童出現(xiàn)肌肉力量下降、脊柱發(fā)育不良、下背部疼痛等一系列肌肉骨骼疾?。∕SD，MusculoskeletalDisorders）[4]。目前，低學(xué)齡兒童體態(tài)問題已經(jīng)十分普遍，研究人員對(duì)256名上海市中小學(xué)生進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)學(xué)生高低肩、圓肩、頸部前傾的異常率均高于30%，圓肩和頸部前傾異常率甚至超過了60%[5]。因此，對(duì)兒童書包進(jìn)行人因工程設(shè)計(jì)對(duì)于低學(xué)齡兒童身心健康發(fā)展有著重要意義。

一、低學(xué)齡兒童的特征

低學(xué)齡兒童指我國(guó)小學(xué)一至三年級(jí)（7至10周歲）的學(xué)生，該階段的兒童正處于生長(zhǎng)發(fā)育關(guān)鍵時(shí)期，且往往尚未具備充足良好的體態(tài)管理意識(shí)[6]。針對(duì)該群體的書包設(shè)計(jì)可從個(gè)體維度與社會(huì)維度兩個(gè)層面進(jìn)行用戶特征分析[7]。個(gè)體維度上，查找《中國(guó)未成年人人體尺寸GB/T26158-2010》可知[8]，7至10歲男童身高平均范圍在130.2cm到133.5cm之間，體重平均范圍在27.6kg到31.4kg之間。7至10歲女童身高平均范圍在129.1cm到132.8cm之間，體重平均范圍在26.5kg到29kg之間。

可以看出，低學(xué)齡兒童所處的年齡段中，整體上男女童身高體重差異并不顯著，無需進(jìn)行分別討論。社會(huì)維度上，家庭環(huán)境是兒童成長(zhǎng)的主要環(huán)境之一，父母對(duì)子女的性格特征、行為特點(diǎn)、心理成長(zhǎng)都有不可忽視的影響[9]。邱等人（2024）的研究中提到，孩子的身體控制自我效能發(fā)展往往離不開父母對(duì)孩子的觀察與引導(dǎo)，某種意義上，父母就是孩子的“身體行為設(shè)計(jì)師”。因此，對(duì)于低學(xué)齡兒童的書包背負(fù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以考慮對(duì)父母進(jìn)行調(diào)研訪談，以進(jìn)一步完善兒童書包背負(fù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)視角。

二、兒童人因工程背包研究現(xiàn)狀

兒童背負(fù)系統(tǒng)的研究大致上可分為兩類：第一類是不合理背負(fù)系統(tǒng)與兒童生長(zhǎng)發(fā)育不良之間的相關(guān)性驗(yàn)證研究，第二類是對(duì)背負(fù)系統(tǒng)的創(chuàng)新人因工程研究，即設(shè)計(jì)實(shí)踐研究。在第一類研究中，研究人員關(guān)注人因工程設(shè)計(jì)不合理的背負(fù)系統(tǒng)會(huì)如何切實(shí)影響兒童的生長(zhǎng)發(fā)育，包括生理、心理、行為等多個(gè)層面。

其中，兒童背包與脊柱健康的關(guān)系是一個(gè)核心議題。凱德拉·A等人（2021）進(jìn)行了一項(xiàng)橫斷面研究，調(diào)查了11，423名波蘭兒童和青少年，發(fā)現(xiàn)41.5%的受訪者在過去的12個(gè)月內(nèi)經(jīng)歷過非特異性腰背痛（NLBP，Non-SpecificLowBackPain），且認(rèn)為書包過重的學(xué)生更易出現(xiàn)NLBP[10]。而巴金·M等人（2022）的研究通過光度測(cè)量法具體探討了學(xué)生背包對(duì)腰椎段的影響，研究發(fā)現(xiàn)在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下，背包重量顯著增加了腰椎角度，在L3-L4腰段角度變化最明顯，這可能導(dǎo)致腰椎綜合征[11]。SuriC等人總結(jié)了不同研究中背包對(duì)脊柱生物力學(xué)的影響，明確背包重量和位置的變化確實(shí)顯著影響了脊柱姿勢(shì)和肌肉活動(dòng)[12]。在第二類研究中，研究人員對(duì)兒童書包背負(fù)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)、技術(shù)、材料等多角度創(chuàng)新，提出更符合人因工程的背負(fù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過提高書包機(jī)構(gòu)合理性達(dá)到預(yù)防兒童MSD的目的。埃雷迪亞-希門尼斯·J等人[13]通過在書包背板上增加人因工程骨架設(shè)計(jì)了懸掛式書包，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)書包相比，被試在使用懸掛式書包時(shí)的氧氣消耗量更少，肌肉氧飽和度更高，整體性能和負(fù)重表現(xiàn)皆優(yōu)于傳統(tǒng)書包。黃·L等人則發(fā)現(xiàn)了懸掛式書包能減少動(dòng)態(tài)峰值力并降低代謝成本[14]。除此以外，盧等人還根據(jù)兒童后背肌肉的發(fā)育特征為書包背板設(shè)計(jì)了合理的護(hù)脊分區(qū)[15]。

綜上，圍繞背板展開背負(fù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究是人因工程背包研究的主流。然而，李·S·S·W等人的身前背后雙背包設(shè)計(jì)研究結(jié)果表明，背負(fù)系統(tǒng)的實(shí)際效能受到系統(tǒng)整體（背部加身前）的影響，而不僅僅是局部（背部）[16]背負(fù)系統(tǒng)的研究不及10%，這說明目前兒童書包背負(fù)系統(tǒng)的研究在。在約20篇兒童書包背負(fù)系統(tǒng)的研究中，提到身前系統(tǒng)性與整體性的研究板塊上是較為空白的。因此，本研究嘗試對(duì)系統(tǒng)的、完整的書包背負(fù)系統(tǒng)做進(jìn)一步的研究，并設(shè)計(jì)基于整體視角的低學(xué)齡兒童書包背負(fù)系統(tǒng)，驗(yàn)證由身前身后共同產(chǎn)生效用的背負(fù)系統(tǒng)對(duì)實(shí)現(xiàn)護(hù)脊功能的重要性。

三、低學(xué)齡兒童背負(fù)系統(tǒng)分析及設(shè)計(jì)策略

（一）人包尺寸分析

低學(xué)齡兒童（7至9歲）的人體測(cè)量數(shù)據(jù)是書包基本尺寸的重要參考。根據(jù)拉馬丹·M·Z等人[17]的研究及兒童書包內(nèi)容物特征（小學(xué)教材尺寸等），查找《GB/T26158-2010中國(guó)未成年人人體尺寸》獲得所需參考數(shù)值，確定包體高度取365毫米，包體寬度取265毫米。購(gòu)置一至三年級(jí)中國(guó)小學(xué)生教材及練習(xí)本進(jìn)行測(cè)量，總厚度約為100毫米?？紤]到還有文件夾、筆盒、樂器與運(yùn)動(dòng)器材等文具及教具需容納，最終確定包體厚度取180毫米。

（二）人——包系統(tǒng)重心分析

從生物力學(xué)角度出發(fā)，重心理論對(duì)于理解背負(fù)狀態(tài)下的人體運(yùn)動(dòng)與人體平衡問題具有重要意義[18]。重心不僅決定了物體的平衡狀態(tài)，還對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)和穩(wěn)定性有重要影響[19]。當(dāng)兒童背包行走時(shí)，除了需要他們的肌肉骨骼抵抗外負(fù)荷做功，還需要維持人與負(fù)重整體的平衡，因此，人體重心和負(fù)重重心之間的位置關(guān)系是關(guān)鍵。金等[20]研究者設(shè)計(jì)了一種背包，通過將其重心靠近脊柱軸線減小背包負(fù)載的力矩臂，對(duì)減小腰椎變形起到了積極作用。

據(jù)觀察，兒童在行走時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致書包肩帶松散，書包容易后傾，其重心就會(huì)遠(yuǎn)離兒童的身體，加重兒童腰椎負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致盆骨前傾等錯(cuò)誤背姿形成。同時(shí)，書包和人體的合重心會(huì)偏離兒童自身的重心，從而影響兒童的平衡感。因此，除了減少書包重心與人體重心距離以外，還應(yīng)當(dāng)充分考慮如何維持人——包背負(fù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如圖1。

2.背負(fù)狀態(tài)下的人體壓力分布

背負(fù)狀態(tài)下的人體受壓面主要分為胸前接觸面、肩部接觸面和背部接觸面三大區(qū)域。由于胸前接觸面相比另外兩個(gè)區(qū)域擁有更大的自由擴(kuò)充度，研究者嘗試對(duì)胸前接觸面（即胸前肩帶）做出一些結(jié)構(gòu)上的突破。哈迪德·A等人[22]通過對(duì)人體鎖骨、鎖骨下動(dòng)脈、胸大肌及其表面皮膚的研究，提出了一種迎合了鎖骨下動(dòng)脈的走勢(shì)的新解剖肩帶設(shè)計(jì)。研究表明，這種設(shè)計(jì)可以有效降低肩部軟組織應(yīng)力與鎖骨下動(dòng)脈壓力，改善背負(fù)舒適度。根據(jù)哈迪德·A等人的研究，胸前背負(fù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要在增大接觸面的同時(shí)避開對(duì)兒童呼吸系統(tǒng)的壓迫。在上述受身前背負(fù)系統(tǒng)壓迫的人體骨骼肌組織中，胸大肌是身前背負(fù)系統(tǒng)的主要承壓肌群。它位于氣管兩側(cè)，覆蓋鎖骨下動(dòng)脈及胸廓前壁，具有柔韌且富有彈性的肌纖維結(jié)構(gòu)[23]，這使其能夠在承擔(dān)一定壓力分布的同時(shí)不影響正常呼吸，適合作為承托身前背負(fù)系統(tǒng)軟墊的對(duì)象。胸大肌中部的肌肉纖維較厚，承壓能力比兩側(cè)強(qiáng)，可有效減少局部壓力集中（圖3），故選擇胸大肌的肌纖維中線作為引導(dǎo)線進(jìn)行解剖肩帶形態(tài)設(shè)計(jì)。

（四）低學(xué)齡兒童書包設(shè)計(jì)策略

綜上，本文基于人因工程提出以下用于改善低學(xué)齡兒童書包背負(fù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)策略。

1）提高人——包背負(fù)系統(tǒng)整體穩(wěn)定性。通過在書包胸前肩帶及書包背板添加支撐海綿，實(shí)現(xiàn)前后雙支撐的背負(fù)系統(tǒng)，提高書包與人體的整體貼合度，使人—包重心系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下保持穩(wěn)定。

2）背部背負(fù)系統(tǒng)增加背板支撐結(jié)構(gòu)。通過在書包背板上增加符合人體脊椎弧度的、不同厚度的、多分區(qū)的有機(jī)造型海綿，使書包背板與人體接觸面更加貼合，減少因書包后傾對(duì)腰椎產(chǎn)生撞擊引發(fā)的不適感；縮短書包重心與人體重心距離，減少書包負(fù)載的力矩。

3）胸前背負(fù)系統(tǒng)增加肩帶支撐海綿。選擇胸前主要大肌群胸大肌作為胸前支撐海綿的主要接觸區(qū)域，一方面，擴(kuò)大接觸面積以減少局部壓力；另一方面，通過在胸前的肩帶部分增加支撐海綿，使肩帶受力點(diǎn)前移，降低上半身力矩，減少傳統(tǒng)書包肩帶的向后拉扯感。

4）胸前背負(fù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)生物解剖形狀肩帶，增大胸前背負(fù)系統(tǒng)接觸面積，并解決呼吸不適、上肢活動(dòng)不便等問題。

通過上述設(shè)計(jì)改進(jìn)，可以有效提高兒童背負(fù)書包時(shí)的舒適度和平衡性。

四、人因工程兒童書包設(shè)計(jì)

（一）前后雙支撐背負(fù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胸前背負(fù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)：根據(jù)胸大肌纖維走向和形態(tài)特點(diǎn)對(duì)背帶進(jìn)行生物解剖形狀裁剪，使其曲度貼合人體，保證書包在使用時(shí)不易從肩膀滑脫。背帶末端收窄，減輕腋下與背帶的擠壓感。肩帶設(shè)計(jì)了三大分區(qū)，分別是貼頸區(qū)、支撐區(qū)和主帶。貼頸區(qū)采用摩擦力小的聚酯纖維布料，改善小學(xué)生背書包時(shí)肩頸區(qū)皮膚與背帶接觸區(qū)域的體感；支撐區(qū)通過反光條造型設(shè)計(jì)和表面文字說明，讓小學(xué)生準(zhǔn)確識(shí)別肩帶支撐結(jié)構(gòu)的作用范圍；主帶采用海綿填充20毫米厚度，減輕肩帶對(duì)人體的壓迫感，如圖4。

胸前支撐系統(tǒng)的核心在于肩帶支撐區(qū)的有機(jī)造型海綿墊設(shè)計(jì)。通過將符合生物解剖學(xué)造型的海綿墊置于肩帶內(nèi)側(cè)，使胸前背負(fù)系統(tǒng)與兒童更好地貼合，并帶動(dòng)書包背板緊貼背部，如圖5。

該設(shè)計(jì)有三大好處：一是便于兒童自主判斷背姿是否正確。當(dāng)背姿正確時(shí)，支撐結(jié)構(gòu)卡在胸大肌區(qū)域，人體觸感舒適；反之，背負(fù)位置錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致不適的觸感，兒童會(huì)自動(dòng)進(jìn)行背姿調(diào)整。這種簡(jiǎn)易的背負(fù)引導(dǎo)設(shè)計(jì)符合兒童友好型設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)理念。第二，背負(fù)者可通過移動(dòng)魔術(shù)彈力帶自行調(diào)整墊塊位置，靈活可調(diào)的設(shè)計(jì)可以適應(yīng)不同身高體重的兒童。第三，墊塊厚度采用中間厚，四周薄的生物解剖學(xué)造型設(shè)計(jì)，厚度最高點(diǎn)為40毫米，往靠近腋下及鎖骨端收窄，與人體胸前肌肉輪廓貼合度較高。背部背負(fù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)：本文設(shè)計(jì)了由四大分區(qū)組成的海綿護(hù)脊系統(tǒng)，分別支撐人體背部的大椎穴區(qū)、左背闊肌區(qū)、右背闊肌區(qū)和腰椎區(qū)。大椎穴區(qū)直接影響頸部和上背部的舒適感，在此區(qū)提供支撐可以有效緩解上背部壓力。左背闊肌區(qū)及與之相對(duì)應(yīng)的右背闊肌區(qū)的支撐設(shè)計(jì)旨在緩解背部中段的壓力分布。最后，腰椎作為承受身體上半部分重量的關(guān)鍵部位，該區(qū)域的支撐可以最大化地減輕腰部的負(fù)擔(dān)?？紤]到長(zhǎng)時(shí)間背負(fù)書包會(huì)導(dǎo)致悶熱感，背部背負(fù)系統(tǒng)還留出了適當(dāng)?shù)娘L(fēng)道，以保證書包在使用過程中的良好透氣性，如圖6。

用不同厚度的海綿進(jìn)行填充，可以完美包裹人體背部，為兒童脊椎提供較為良好的支撐感。每個(gè)區(qū)域的海綿厚度根據(jù)人體脊椎曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)，位于最下方的護(hù)脊海綿厚度為30毫米，其余厚度為20毫米，形成與脊椎走向吻合的曲線。腰椎區(qū)的海綿確保足夠的厚度，可以有效保護(hù)腰椎，同時(shí)防止兒童在運(yùn)動(dòng)過程中書包晃動(dòng)導(dǎo)致的底板硌腰情況發(fā)生。

（二）整體尺寸與CMF設(shè)計(jì)

本研究所設(shè)計(jì)的主包體尺寸為265毫米（長(zhǎng)）×180毫米（寬）×365毫米（高），整體外觀包括前包和提手，其完整尺寸為265毫米（長(zhǎng)）×200毫米（寬）×405毫米（高）。在配色方面，選用了明亮的藍(lán)色，旨在創(chuàng)造一種輕盈且柔和的視覺效果。這種色彩選擇不僅能夠吸引兒童的注意力，還能營(yíng)造出一種愉悅的心理感受。通過采用同色系的拼貼設(shè)計(jì)，進(jìn)一步豐富了包體的層次感，使其在視覺上更加生動(dòng)，給人以親和力和活力的印象，如圖7。

包身采用了耐磨且輕便的900D牛津布，這種材料不僅具有良好的耐用性，還能有效減輕背負(fù)時(shí)的負(fù)擔(dān)。此外，包體還采用了細(xì)紋尼龍布與牛津布的拼接裝飾，增強(qiáng)了整體設(shè)計(jì)的美觀和實(shí)用性。左右兩側(cè)各配有一枚暗扣，書包前袋的云朵造型通過絎縫工藝展現(xiàn)出立體感，這種設(shè)計(jì)不僅美觀，還能夠激發(fā)兒童的想象力。此外，為了確保兒童在使用過程中的安全，前袋還配備了兒童安全反光條，增強(qiáng)了夜間行走時(shí)的可視性。整體來說，書包不僅具備了實(shí)用性，還融入了趣味性與安全性的考量，充分體現(xiàn)了兒童友好型設(shè)計(jì)理念，如圖8。

（三）可行性驗(yàn)證

行賦分，分值為1到5，依次表示“非常不滿意”“比較不滿意”“一運(yùn)用李克特量表對(duì)現(xiàn)有兒童書包產(chǎn)品與設(shè)計(jì)方案的評(píng)估項(xiàng)目進(jìn)般”“比較滿意”“非常滿意”。為確保評(píng)價(jià)的真實(shí)性，用戶在真實(shí)使用場(chǎng)景中試用了制作的樣包，并根據(jù)功能性、舒適性、美觀性等方面進(jìn)行評(píng)分。同時(shí)，筆者進(jìn)行了訪談，記錄用戶的主觀感受和反饋。本次共收集問卷46份，其中有效問卷45份?；趩柧頂?shù)據(jù)的平均分，繪制了評(píng)估雷達(dá)圖（見圖9）。根據(jù)圖表，本文的設(shè)計(jì)方案相比于其他兒童書包產(chǎn)品在功能性、舒適性、美觀性等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，耐用性方面仍有改善空間。

結(jié)語

本研究通過對(duì)兒童書包背負(fù)系統(tǒng)的人機(jī)工學(xué)設(shè)計(jì)，旨在提高書包的護(hù)脊效果，解決低學(xué)齡兒童因背負(fù)行為產(chǎn)生的各種不良體態(tài)問題。通過結(jié)合生物力學(xué)、生物解剖學(xué)等人因工程知識(shí)理論，并根據(jù)我國(guó)低學(xué)齡兒童的實(shí)際需求，分析并提煉出背負(fù)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)要素。在此基礎(chǔ)上，提出了適用于低學(xué)齡兒童的創(chuàng)新型書包背負(fù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了前后雙支撐的人因工程書包，并對(duì)設(shè)計(jì)效果進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，采用前后雙支撐背負(fù)系統(tǒng)的書包，能夠有效減輕兒童在背負(fù)過程中的肌肉骨骼負(fù)擔(dān)，改善背負(fù)姿勢(shì)。因此，基于此設(shè)計(jì)的書包具有顯著護(hù)脊效果，對(duì)于低學(xué)齡兒童的肌肉骨骼健康發(fā)育具有積極影響。

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