閆換新

(浙江科技學院經濟管理學院,杭州310023)

人因工程學是研究人、機器、環(huán)境及其關系和技術,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學科[1]。人因工程學源于工業(yè)實踐、服務于工業(yè)實踐[2],“大處著眼、小處著手”是人因工程學課程的鮮明特點?！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用的大量具體實踐,將科學思維逐步固化于大腦,將科學技能逐步演變?yōu)樽杂X習慣,將自覺習慣演變?yōu)樽匀恍袨椤Ｄ壳?在人因工程教學中和工程及產品設計中人因工程具體分析少,學生不能把握人因工程在工程及產品設計中的切入點和關鍵。為此,筆者將大量具體的工程實踐和設計引入課堂。

1 人因工程學課程教學目標

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

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

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

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

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、座椅設計要素及原則,解決工程和設計中的相關問題;

5)掌握顯示器和控制器設計要素及原則,分析在工程和設計中的應用[5]。

2 人因工程學課程教學研究

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

2.1 理論知識

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

2.2 課堂實驗

以教師和指定學生操作演示為主,結合理論教學,開展視覺、顏色、反應時、顯示器、控制器等課堂實驗,實驗內容及其所需軟硬件多源于生活,利用學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)調色板進行配色,掌握顏色理論在設計中的應用;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,生成特定顏色,調色板可配置255×255×255種顏色。設定不同的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,幫助學生掌握顏色理論及應用。

另外,多種播放器設計的比較分析、課堂所在教室工作環(huán)境、課堂教學多媒體控制臺設計評價等都是課堂實驗的內容。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)控當前課堂教學用計算機內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風扇轉速為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、內存、傳感器、網絡、總線、風扇、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,講解經常出現(xiàn)的問題及顯示設計,幫助學生熟悉工業(yè)設備內部信息采集、數(shù)據(jù)轉換和顯示技術,掌握顯示器和控制器在工業(yè)監(jiān)控設計中的具體應用。

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

人因工程涉及學科和應用實踐廣泛,學生工程實踐機會有限。因此,在課堂教學中,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,從而彌補學生到現(xiàn)代化企業(yè)實踐機會少的欠缺。例如,為學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)→內飾系統(tǒng)→總體裝配等,完整展現(xiàn)汽車制造四大工藝生產線的具體細節(jié),培養(yǎng)學生運用觀察、歸納、術語解釋、比較、推理等技能,分析人因工程的具體應用;通過播放飛機飛行、數(shù)控機床加工等電影,幫助學生了解視覺、合理用力、監(jiān)控面板、人機系統(tǒng)等設計。

2.4 設計和討論

在課堂或課后作業(yè)中,針對每個章節(jié)的主題展開設計。例如,講授視覺和色彩時,安排幻燈片設計,明確優(yōu)秀的幻燈片設計是優(yōu)秀實體產品設計的基本前提。要求學生在幻燈片設計時,綜合應用視覺、色彩、顯示器、控制器等知識,充分考慮人的心理、生理、反應時、認知、常規(guī)等因素,將頁面合理分區(qū),精心設計每個區(qū)域內的背景、圖示、標志符號、標題、文字、開關按鈕等要素。通過設計和討論,學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知識,開展顏色調節(jié)和色彩設計;三是利用視覺、顏色和人機系統(tǒng)等知識,開展控制器設計(開關按鈕等);四是接受專業(yè)水平的幻燈片制作訓練。

3 課堂教學示例

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

3.1 教學目的和內容

作業(yè)空間設計就是將機器、設備和工具等,根據(jù)生產任務、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)空間設計的要素及其原則。

3.2 課堂討論

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

應用作業(yè)空間及其設計要求等理論,結合學生的體會及其思考,對上述問題課堂討論結果如下:

1)教室中每個座位及其書桌構成近身作業(yè)空間。學生在普通教室的學習動作以靜態(tài)作業(yè)為主,作業(yè)姿勢為坐姿,偶有站立或走動;學生在設計類教室學習動態(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、活動余隙等設計原則不同,設計尺寸差異很大。

2)車間及其生產線屬于總體作業(yè)空間?？傮w作業(yè)空間設計與企業(yè)的生產方式和工藝流程直接相關。娃哈哈的純凈水生產屬于大批量流水線生產模式,其灌裝生產線要完成灌注、封口、裝箱等工序,灌裝工藝流程簡單,工序少,生產線多采用圓形或環(huán)形生產線以減少物品流動距離,提高效率。同為大批量流水線生產模式,汽車制造需要的工序成千上萬,工藝路線復雜,因此,汽車制造生產線采用多個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。飛機總裝更為復雜,其生產是以產品為中心的項目車間模式,因此,其車間設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計又有很大不同。

3)上海地鐵1號線由德方設計,2號線由中方設計。1號線設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。總之,上海1號線在作業(yè)空間設計時,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,由中方設計的2號線未吸取1號線的人機工程設計精髓,忽略了1號線看似過于復雜、過于冗余的設計細節(jié),投入使用后花費大量人力和物力彌補不良設計的負面影響,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。浙江科技學院圖書館路口是所有師生進入教學區(qū)的必經之路,從該路口到A區(qū)教學樓有一大片典型的山坡草地,草地四周是學校主干道。從該路口穿越山坡草地和教學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,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,尤其是教學樓周邊的草坪更明顯。如果沿橋頭和教學樓之間的最近路線鋪設一條石子小路,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受常年風吹日曬,木料質地好,也很珍貴,但經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 課堂設計

教學過程中,安排大量課堂設計環(huán)節(jié)。以作業(yè)空間設計章節(jié)為例,要求學生結合教師講課作業(yè)性質,結合人體參數(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)的類型及講臺設計的優(yōu)缺點,要求設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。設計之前提示學生: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。

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

4 結 語

面向實踐的課堂教學,具有較強的實效性和實用性。它強調人因工程學在工程和設計實踐的應用,將實驗、設計等實踐活動融入課堂教學環(huán)節(jié),將理論知識融入工程和設計問題的分析解決過程中;通過大量的工程設計及其分析,使學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,受到人因工程應用實踐的鍛煉。

[1] 孫林巖.人因工程[M].北京:中國科學技術出版社,2001.

[2] 郭伏.人因工程學[M].沈陽:東北大學出版社,2006.

[3] 趙芝花,馬玉.淺議基于人因工程的產品設計[J].廣西輕工業(yè),2008,24(10):126-127.

[4] 王熙元,吳靜芳.實用設計人機工程學[M].上海:中國紡織大學出版社,2001.

[5] SANDERS M S,MCCORMICK E J.工程和設計中的人因學[M].影印版.北京:清華大學出版社,2002.