面向实践的人因工程学教学研究

2011-05-28闫换新

浙江科技学院学报 2011年3期

闫换新

(浙江科技学院经济管理学院,杭州310023)

人因工程学是研究人、机器、环境及其关系和技术,以满足人的价值需要、提高工作效率为目标的一门工程技术学科[1]。人因工程学源于工业实践、服务于工业实践[2],“大处着眼、小处着手”是人因工程学课程的鲜明特点。“大处着眼”要求在分析和解决问题时,要综合考虑人、机器和环境要素[3],具有发散思维和系统思维;“小处着手”要求通过人因工程应用的大量具体实践,将科学思维逐步固化于大脑,将科学技能逐步演变为自觉习惯,将自觉习惯演变为自然行为。目前,在人因工程教学中和工程及产品设计中人因工程具体分析少,学生不能把握人因工程在工程及产品设计中的切入点和关键。为此,笔者将大量具体的工程实践和设计引入课堂。

1 人因工程学课程教学目标

结合制造、机械、电子、管理等先修知识,将工程与设计实践贯穿于课堂教学的每个章节,将理论融入工程和设计实践。为此,人因工程学课程教学目标为:

1)掌握人体运动、能量代谢等系统及器官的功能和特性,分析在工程和设计中的应用[4];

2)掌握照明、颜色等工作环境特性及设计要素、原则,分析在工程和设计中的应用;

3)掌握工作负荷、反应时、合理用力、职业适应等概念和特性,分析在工程和设计中的应用;

4)根据人体测量数据,掌握不同类型作业空间、工作台、座椅设计要素及原则,解决工程和设计中的相关问题;

5)掌握显示器和控制器设计要素及原则,分析在工程和设计中的应用[5]。

2 人因工程学课程教学研究

人因工程学实践性强,每课的内容都涉及具体的人、机器和环境,最终目标要解决工程和设计中的具体问题。因此,在课堂教学中引入实验和设计环节,从而构建以理论知识、实验、视频资料分析、设计和讨论为主体的课堂教学体系,将每节课构建为相对完整的知识单元。

2.1 理论知识

总结每章节的教学目的、概念、重点和难点,分析理论和工程实践的结合点。如在课堂上,结合Media Player、KMP等专业播放器的操作,分析视觉、色彩、显示等设计;分析车间、机床、汽车仪表盘、手机等产品的,仪表、信号灯、标志符号等设计,总结视觉、颜色、反应时等在设计中的应用;结合飞机操纵杆、汽车操控、工作台、工具、文具等,分析控制器设计如何降低疲劳、提高效率。

2.2 课堂实验

以教师和指定学生操作演示为主,结合理论教学,开展视觉、颜色、反应时、显示器、控制器等课堂实验,实验内容及其所需软硬件多源于生活,利用学生熟悉的工具和软件,开展人因工程课堂实验。如利用3DMax等专业调色板进行配色,掌握颜色理论在设计中的应用;利用模拟软件实现汽车模拟操作,掌握人机界面、显示器和控制器原理和设计;利用System Information Viewer软件,实时监控课堂用计算机CPU、主板、图形卡、网卡等状态,进行工作疲劳、人机界面等课堂实验。图1为配色实验界面,颜色特性由色调E、饱和度S、亮度L决定,亮度是颜色的明度特性,每组E 、S 、L 值和特定 R 、G、B 值对应,生成特定颜色,调色板可配置255×255×255种颜色。设定不同的E、S、L值,可生成千万个颜色,充分利用计算机无限丰富的色彩资源,帮助学生掌握颜色理论及应用。

另外,多种播放器设计的比较分析、课堂所在教室工作环境、课堂教学多媒体控制台设计评价等都是课堂实验的内容。图2是监控计算机运行状态系统监控软件(SIV)界面。通过SIV监控软件,可实时监控当前课堂教学用计算机内部硬件和软件运行状态,高效精确地管理计算机及其系统。图2中:①指示双核CPU中第1个处理器当前温度为26℃,CPU风扇转速为2 184 r/min;②指示双核CPU中第2个处理器当前温度为27℃,CPU当前温度及其风扇状态一目了然。SIV软件实时监控课堂用计算机CPU、主板、内存、传感器、网络、总线、风扇、操作系统等工作状态,实时显示机器当前运行的准确数据。该实验要求学生在课堂观察分析当前计算机各个零部件工作状态,教师介绍计算机主要部件,讲解经常出现的问题及显示设计,帮助学生熟悉工业设备内部信息采集、数据转换和显示技术,掌握显示器和控制器在工业监控设计中的具体应用。

图1 配色界面Fig.1 Interface of color matching

图2 课堂用计算机运行监控界面Fig.2 Interface of monitoring for classroom computer

2.3 视频资料分析

人因工程涉及学科和应用实践广泛,学生工程实践机会有限。因此,在课堂教学中,收集并整理工业实践视频资料,通过生动的影视帮助学生了解工业实践对人因工程的要求,了解人机工程如何解决工程实践问题,从而弥补学生到现代化企业实践机会少的欠缺。例如,为学生播放介绍汽车制造的电影,借助真实视听,展现从整卷钢板开始的冲锻→车身焊接→车身喷涂→发动机装配→电子控制系统→内饰系统→总体装配等,完整展现汽车制造四大工艺生产线的具体细节,培养学生运用观察、归纳、术语解释、比较、推理等技能,分析人因工程的具体应用;通过播放飞机飞行、数控机床加工等电影,帮助学生了解视觉、合理用力、监控面板、人机系统等设计。

2.4 设计和讨论

在课堂或课后作业中,针对每个章节的主题展开设计。例如,讲授视觉和色彩时,安排幻灯片设计,明确优秀的幻灯片设计是优秀实体产品设计的基本前提。要求学生在幻灯片设计时,综合应用视觉、色彩、显示器、控制器等知识,充分考虑人的心理、生理、反应时、认知、常规等因素,将页面合理分区,精心设计每个区域内的背景、图示、标志符号、标题、文字、开关按钮等要素。通过设计和讨论,学生受到以下实践锻炼:一是利用视觉等知识,实现显示信息合理排版布局;二是利用颜色理论相关知识,开展颜色调节和色彩设计;三是利用视觉、颜色和人机系统等知识,开展控制器设计(开关按钮等);四是接受专业水平的幻灯片制作训练。

3 课堂教学示例

以作业空间设计一章中“作业空间设计的一般要求”一节为例,该节讲述作业空间设计的内容及其一般要求,授课时间为2个学时,分析课堂教学实现“大处着眼、小处着手”,如何将工程设计等实践融合于课堂教学。

3.1 教学目的和内容

作业空间设计就是将机器、设备和工具等,根据生产任务、工艺流程特点和人的作业操作要求,合理进行空间布局,给人、物最佳流通路线和占有区域,提高工作的安全性、舒适性和效率。该节重点讲解空间分类、每类作业空间设计的要素及其原则。

3.2 课堂讨论

课前布置问题,要求学生通过观察、回忆、Internet等手段收集整理资料,结合本节知识,针对问题开展课堂讨论。例如:学生上普通理论课教室和设计类专用教室,其作业空间设计及其比较;娃哈哈等灌装生产车间和汽车装配生产车间设计及其比较;汽车总装线和飞机总装线的比较;上海地铁1号线设计中的人因工程设计特色;校园草地为何经常踏出一条小路?西湖景区供游客休憩的座椅设计缺陷。

应用作业空间及其设计要求等理论,结合学生的体会及其思考,对上述问题课堂讨论结果如下:

1)教室中每个座位及其书桌构成近身作业空间。学生在普通教室的学习动作以静态作业为主,作业姿势为坐姿,偶有站立或走动;学生在设计类教室学习动态作业成分多,作业姿势为坐立交替,立姿成分稍多,作业时需围绕书桌走动。因此,尽管人体尺寸和个体因素基本相同,但是由于作业性质不同,两类作业空间的座椅及其书桌的高度、宽度、深度、活动余隙等设计原则不同,设计尺寸差异很大。

2)车间及其生产线属于总体作业空间。总体作业空间设计与企业的生产方式和工艺流程直接相关。娃哈哈的纯净水生产属于大批量流水线生产模式,其灌装生产线要完成灌注、封口、装箱等工序,灌装工艺流程简单,工序少,生产线多采用圆形或环形生产线以减少物品流动距离,提高效率。同为大批量流水线生产模式,汽车制造需要的工序成千上万,工艺路线复杂,因此,汽车制造生产线采用多个U形线路的组合;车身按工艺流程在不同的U形线路中流动,沿U形线路部署大量的工位,每个工位完成特定零部件安装;与车身运动相比,零部件位置相对固定。飞机总装更为复杂,其生产是以产品为中心的项目车间模式,因此,其车间设计要求以飞机机身为中心,机身静止,其他所有零部件向机身流动,而大飞机和小飞机的车间设计又有很大不同。

3)上海地铁1号线由德方设计,2号线由中方设计。1号线设计时充分考虑上海的地理、气候等环境因素及人的特性。上海雨季长且雨量大、道路排水不好,1号线每个地铁站出入口都设置较高门槛,减少了行人舒适性,但是有效防止了雨季积水倒灌,保证了安全,彻底消除因雨水倒灌带来的排灌成本;每个地铁站入口到站台距离很长,且需绕很多弯,目的是阻碍冷热气的流动损失,减少散热和电力消耗;1号线站台地面瓷砖专门铺设了一条鲜艳的候车线,乘客自动在候车线以外候车,安全隐患少,减少了工作人员。总之,上海1号线在作业空间设计时,大量细节都充分考虑环境和人的因素,人、机、环境和谐统一;反之,由中方设计的2号线未吸取1号线的人机工程设计精髓,忽略了1号线看似过于复杂、过于冗余的设计细节,投入使用后花费大量人力和物力弥补不良设计的负面影响,运营成本高昂,安全隐患多,连续多年严重亏损。

4)作业空间设计不但要考虑人体尺寸、作业要求等客观条件,还必须考虑人的行为特征,否则就会带来不良后果。浙江科技学院图书馆路口是所有师生进入教学区的必经之路,从该路口到A区教学楼有一大片典型的山坡草地,草地四周是学校主干道。从该路口穿越山坡草地和教学楼周围草坪到教室最近,但是草地和草坪中间没有小路。虽然草地和草坪周围有路,但基于固有的捷径反应,在很多情况下人更乐意沿捷径,即穿过草地(草坪)来往于教学楼和图书馆之间。草地中本没有路,人走多了就形成了路,尤其是教学楼周边的草坪更明显。如果沿桥头和教学楼之间的最近路线铺设一条石子小路,既可使人来往时间最短,又可保护草地和草坪,草地中也不再出现人为踏出的路。同样,花港、花圃、鹆鹄湾等西湖景区配置了很多长条座椅,供游人休息,很多座椅足够5人以上同时就坐,这些座椅的木料能经受常年风吹日晒,木料质地好,也很珍贵,但经常是每个座椅就坐不超过3人。原因是没有考虑到游人休息时,个人心理空间要求大于物理空间,没有考虑陌生人之间需要保持一定的社会距离,即人一般不和陌生人坐在一起,从而造成很大木材和空间浪费。

3.3 课堂设计

教学过程中,安排大量课堂设计环节。以作业空间设计章节为例,要求学生结合教师讲课作业性质,结合人体参数和合理用力原则,指出当前教师用讲台作业空间(包括讲桌、媒体、操作面板等)的类型及讲台设计的优缺点,要求设计讲台及其讲桌的长、宽、高尺寸,确定讲桌多媒体操作面板的合理位置。设计之前提示学生:教师讲课过程中主要完成哪些动作?作业空间限制了哪些动作的随意性、平衡性、经济性,提高了哪些动作的等级?教师动作中有无低头、弯腰等不合理动作,这些动作扭曲人脊椎等器官自然生理曲线,长期积累,易导致血流受阻、肌肉劳损,伤害颈椎和腰椎等;适合站姿的工作台及座椅尺寸特点。

从熟悉的学习和生活实践中,凝练具有明确意义的工程设计问题,对学生熟悉的事物展开针对性讨论和定量设计,学生切身感受到人因工程应用具体、实用,从而有效激发学生的探索欲望,提高学生分析和解决问题的实践能力。