智能制造背景下人因工程实验教学改革探索

2018-07-14丁一操雅琴费志敏

中国教育技术装备 2018年4期

丁一操雅琴费志敏

摘要智能制造的新趋势给工业工程专业课程建设和实验安排提出新挑战。以工业工程专业人因工程实验教学为例，总结当前实验教学存在的问题和解决对策，探索企业向智能制造方向发展背景下的实验教学改革。根据智能制造背景下人才需求的变化，阐述如何结合安徽工程大学现有仪器设备进行实验安排、实验内容设计、实验目标制定以及实验结果分析总结等，对学生建立系统分析的概念，培养动手能力和创新思维，训练解决现实企业管理问题，具有积极意义。

关键词人因工程；智能制造；实验教学；教学改革；教学设备；大数据

中图分类号：G642.423 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）04-0123-03

Abstract With the advent of intelligent manufacturing epoch， it brings new challenges to the construction and experimental arrange-ment of industrial engineering. Taking the engineering experiment teaching of industrial engineering as an example， this paper summa-rizes the existing problems and solutions to the current experimental teaching of human factors engineering， and explores the experimen-tal teaching reform under the background of the development of intelligent manufacturing. This paper expounds how to combine the existing equipment and equipment of Anhui Polytechnic University to carry out the experimental arrangement， the experimental content design， the experiment goal formulation and the analysis and con-clusion of the experimental results. It is of positive significance to establish the concept of system analysis， cultivate practical ability and innovative capacity， and improve students ability to solve the problem of real enterprises.

Key words human factors engineering； intelligent manufacturing； experiment teaching； teaching reform； teaching equipment； big data

1 引言

人因工程是研究系統中人与其他要素在一定环境中的关系的学科，通过采集分析人与其他要素交互过程中的行为、生理和心理等数据，最优化系统中人与其他要素的关系，从而让人可以舒适、健康、安全、高效地工作、学习或生活[1]。人因工程是工业工程专业本科教学的核心课程之一，也是工业工程主要的研究方向之一。经过近30年的发展，人因工程的实验教学逐步完善。但是，以往人因工程实验主要是探索性实验和验证性实验，对于自主设计的综合性实验涉及较少，难以满足企业对人才素质的需求，而且和国外实验教学存在不小的差距。

当前，传统制造行业正在向智能制造升级，系统中将面临更加复杂新型的人机关系。人因工程课程在“智能制造”“工业4.0”“中国制造2025”等背景下面临前所未有的机遇，同时面临如何应对新形势下教学改革和人才培养的挑战。

2 智能制造背景下人因工程实验教学面临的问题

智能制造是“中国制造2025”战略规划的核心技术和主攻方向，在产品、生产、模式、基础四个维度上，和以往的制造业有着本质的不同[2]。在智能制造背景下，人因工程实验教学需要重新思考和设计。当前多数高校的人因工程实验教学主要以“人因工程实验”[3]为参考和指导，实验内容上主要按照教材内容进行安排，实验编排主要涉及人体尺寸、信息处理系统、工作环境等方面的内容。

以往制造业较为关注的人因问题是疲劳和工作损伤等（表1）[4-5]，而在人因工程实验教学安排中对于工作疲劳的相关实验安排不够合理，往往通过主观调查的形式让学生了解自身学习疲劳的状况，与实际企业需求有很大的差距。下面结合智能制造自身特点和对工业工程人才需求的变化，指出当前人因工程实验教学存在的问题。

实验内容设计与企业实际需求偏差较大智能制造背景下，当前企业处于升级转型期，企业以往的主要活动都在发生改变：用户数据采集分析由传统的调查访谈转变为涵盖行为、心理以及生理等多模式的大数据形式；产品设计转变为大数据驱动的智能设计；生产制造环节转变为数字化车间的形式；等等[6]。新的制造系统中涉及大量的人因问题，如数字化界面的普及使得人机交互更加广泛，人们面临更多的信息界面，作业形式由以往的生产现场操作转为屏幕前控制，等等。智能制造背景下，不仅对人因工程方向的人才需求发生变化，而且对人才需求更加迫切。在这一形势下，作业者脑力负荷需求更高，体力负荷要求逐渐降低，而且更加倚重各种智能交互设备。

人因工程实验教学安排不够合理据研究者统计，目前共有48所高校开办相关课程和实验室建设。课程总学分一般设置为2～4个，课时一般为32～48个[6]。人因工程涉及心理学、工程学、人体测量学、生理学等学科内容，是一个交叉性很强的新兴学科[7]，学生需要在有限的学时内掌握人—机—环境有关的知识非常困难。如安徽省开办人因工程相关课程和实验的高校一般学时为10个左右，高校一般选择表1中的内容进行教学。学生很难在八个学时内完成课题性质的实验，动手能力和自主解决问题的能力很难得到锻炼和提升。实验内容对于复杂情景下人的认知、注意、信息加工、工作疲劳、数字化界面的人机交互等没有涉及，因此，人因工程实验教学安排必须进行优化和创新，来适应智能制造背景下的人才需求。

人因工程实验教学环节对学生的考核不到位目前开设相关课程的高校一般采取对实验过程的综合考核，如学生实验预习效果、实验过程中的操作规范、实验课堂的纪律性、实验报告的撰写等[8]。任课教师根据学生在实验环节的综合表现给出实验成绩，再进行比例换算，计入期末成绩中，实验环节的表现在期末成绩中并未详细标明。此外，由于工业工程专业学生较多，实验室设备难以在有限的学时内让学生独立完成某些实验，高校普遍采用小组3～4人的形式进行。任课教师很难对每个学生进行准确评分，并且占总成绩比重过低，造成学生对相关实验环节不够重视，而且普遍反映实验过于简单，并且和实际过程存在脱节现象。

学生缺乏实验设计的主体能动性人因工程实验教学的目的是提升学生的创新能力和实践能力，从而提高学生在就业中的成功率[9]。当前人因工程实验教学改革缺乏以学生为中心的理念，高校人因工程实验一般分为基本实验、应用实验和综合实验三种[10]。在实验教学过程中，教师教学形式单一，内容过于简单和脱离智能制造背景下的实践需求，学生仅仅按照实验指导书进行仪器的操作。整个实验教学环节过于死板，缺乏创新性、设计性、综合性且贴合实践的实验内容，不利于学生动手能力和独立思维的培养，培养学生实践能力和创新能力的初衷难以实现。

实验教学设备与师资匮乏由于国内开展人因工程相关研究的工作相比国外起步较晚，造成很多高校相关实验教学设备过于陈旧，缺乏完备的实验仪器[11-12]。在智能制造背景下，员工工作性质转向脑力负荷较高、体力负荷需求低的特点，信息复杂多样，更多的操作以交互界面的形式呈现，高校现有实验室很少有相关设备仪器能进行相关实验教学安排。

此外，高校人因工程实验教师资源匮乏。高校实验室教学往往由实验教师负责，其待遇低于正式代课教师，实验教师积极性不高，学历程度不够，即使有相关高级设备也难以运作和操作；实验教师对于实验内容的把握难以与任课教师保持一致。

因此，高校人因工程实验教学过程中设备不足、师资匮乏都是阻碍人才培养的因素。

3 智能制造背景下人因工程实验教学改革对策

在智能制造大背景下，提升学生在新形势下的竞争力，提高实验教学的质量，提高学生的创新能力和独立自主能力，必须加强对现有实践教学环节进行改革。以下就从五个方面阐述改进高校人因工程实验教学的建议。

优化人因工程实验教学内容设计，完善实验教学体系完善的实验教学体系要自足于提升学生综合素质、创新能力和实践能力，其中实验教学内容设计占据主要地位。在实验教学内容设计上要结合企业实际需求，可以请企业专业人员参与实验教学内容的设计过程。人因工程学科本身涉及知识量庞大，存在学科交叉性强的特点，因此必须改变传统的单一问题为导向的验证性实验教学，实验内容设计需要转向以任务为导向。

安徽工程大学工业工程专业在专业课教授过程中聘请高级工业工程师进行专题讲座，围绕毕业生在企业的主要工作开展专题讲座，帮助学生深入学习专业知识，实现理论和实踐的完美结合。针对安徽工程大学工业工程专业CDIO教学模式，未来将在人因工程实验内容的构思和设计阶段，聘请来自奇瑞汽车股份有限公司、芜湖埃夫特智能装备有限公司以及芜湖造船厂等合作单位的相关工业工程负责人共同参与，从而使得实验内容更加贴近企业需求，同时也能激发学生参与实验的积极性。

科学合理地编制实验教学计划，增强实验教学过程的灵活性实验教学安排不仅仅是在人因工程基础知识教学完成之后开始，可以开展课堂过程中的基本实验与基础知识学习相结合的形式，针对学习时间段设定相应的实验内容。针对人因工程实验课时有限，基本实验内容难以有效提升学生创新能力和实践能力的不足，在实验教学过程中采取课堂内容穿插基本实验讲解的方式，把基本实验搬到课堂进行讲解；针对授课教师研究课题，布置设计性实验、课题型实验，让学生参与学术研究过程；课余构建交流平

台，针对学生问题实时进行交流，并带领学生进行相关实验设计和操作；对人因工程研究方向感兴趣的学生，课程结束后继续带领他们开展课题研究，也可鼓励他们将人因工程知识用于创新创业项目竞赛中，或者引导学生完成毕业设计。

改进实验教学环节的学生考核，完善学生实验成绩考核机制分析指出，当前人因工程实验教学对于学生的考核较为单一，限于设备资源等约束，学生很难单独一人完成相关实验，有些组内成员会偷懒，不完成相关实验操作，直接抄写同组人员的实验过程和数据。这也给教师的考核带来一定的难题。针对考核方式单一，难以准确评价学生的实践效果等问题，可以采取移动端教学平台的方式，在移动平台上开展实验设计、实验基本知识问答、实验方案预设计等。在实验操作过程中，完善签到制度，同组小组实验任务设定上要做到有所差别。在实验结束后的总结和分析上，可以鼓励学生以小论文的形式提交，鼓励学生将自主设计性实验、创新性实验、应用性实验参与各种竞赛，对于获奖的学生可以在考核环节给予加分待遇。

强化实验的开放性和学生的自主性目前，翻转课堂教学模式不断得到推广，目的就是促进学生的积极性和自主性。实验教学同样需要考虑学生角色的转变，充分发挥学生实验的主体性，让其自主选择问题、制订实验方案、进行实验分析等。基本实验可以在基本知识讲授过程中随堂进行，尽可能给学生留一定的时间进行实践锻炼，鼓励他们将身边的问题提炼出来，用人因实验的方式去给出实验方案和解决办法，并分析结果。

目前，安徽工程大学人因工程任课教师采取带领学生通过课题型实验的方式开展相关研究，鼓励他们将相关研究成果参与其他形式的竞赛。如在APP设计开发过程中，教师带领学生采用眼动技术研究信息系统界面设计、色彩、布局等，网站交互过程中的生理变化以及主观评价，产品造型设计对消费者眼动的影响，等等。这些实验项目的开展极大地调动了学生的积极性，同时给他们带来一定的名誉，最主要的是提升了他们独立分析解决问题的能力。

提升实验教师教学水平和实验设备利用率实验教师的教学水平直接影响实验教学的效果，必须完善实验教师的评审、考核和培养机制。针对实验教师水平参差不齐的问题，可以采取让实验教师参与任课教师的教学计划制订、学术课题研究的方式，与任课教师、企业人员共同进行实验内容的构思和设计。

另外，一些实验室价格高昂的设备存在利用率较低的问题，如对多导生理仪、眼动和脑电设备，学院会使用的教师有限，能够带领学生进行相关实验的教师更少。这些设备只是个别教师在开展课题研究时使用，学生很难有机会进行操作。因此，可以请有关教师进行与设备相关的培训和课题讲座，提升设备的利用率。在基本知识授课过程中，可以有意引导学生使用这些高端设备，鼓励他们从视觉注意、脑认知的角度探索进行相关课题研究。

4 结语

当前处于“互联网+”、工业4.0以及大数据时代，智能制造是企业升级转型的核心技术。企业的变革势必引起人才需求的变化，而作为培养学生实践能力的实验教学环节，对于提升学生的创新能力和实践能力起着关键作用。人因工程实验教学必须从企业实际需求出发，对实验教学内容、实验教学安排与考核、学生实验自主性以及实验资源等方面进行改革，以不断提高人才培养质量，满足企业需求。

参考文献

[1]Definition and Domains of Ergonomics[DB/OL].http：//www.iea.cc/whats/index.html.

[2]周济.智能制造：“中国制造2025”的主攻方向[J].中国机械工程，2015，26（17）：2273-2284.

[3]吴慧兰.人因工程实验[M].上海：华东理工大学出版社，2014.

[4]Niu S. Ergonomics and occupational safety and health： An ILO perspective[J].Applied Ergonomics，2010，41（6）：744-753.

[5]陈成明，张丽珍，曹守启，等.人因工程综合性实验教学改革和实践[J].中国教育技术装备，2015（24）：148-150.

[6]张曙.工业4.0和智能制造[J].机械设计与制造工程，2014，43（8）：1-5.

[7]董雅文，赵小惠，张宝锋.对人因工程课程实验教学的几点思考[J].实验科学与技术，2011，9（6）：110-112.

[8]兰爽.人因工程实验的设计与开发[J].实验室研究与探索，2009，28（4）：163-165.

[9]贾利梅.人因工程实验教学的现状分析及对策探讨[J].科技创业月刊，2009，22（9）：315-316.

[10]严京滨，林亨，张伟.人因工程实验室的建設[J].实验技术与管理，2005，22（6）：13-15.

[11]潘骁.人因工程实验设计与探索：高强度工作环境下的疲劳恢复实验[J].实验技术与管理，2017，34（6）：195-200.