提升创新和应用能力的人机工程课程设计改革

闫换新

(浙江科技学院 经济与管理学院，杭州 310023)

以人为本是产品创新的内在动力，人机工程是讲授以人为本理论和实践的课程。该课程基于对人、机器和技术的研究，发现并利用人的行为方式、工作能力、作业限制等特点[1]，合理设计工具、机器、系统、任务和环境，以提高效率、安全性、舒适性和有效性[2]。人机工程是工业工程等专业的主干课，也是一门综合性边缘学科[3]，该课程涵盖生理、心理、色彩、视觉、体力、人体尺寸、反应时、作业空间、人机系统等理论和应用[4]。为便于叙述，下文将产品、系统和服务统称为产品。

人机工程强调产品设计从人、机器和环境等大处着眼，从安全、适用、实用、效率等细节入手，因此，实用人机工程设计能帮助学生从细节出发，分析解决细节问题，在解决问题过程中熟练掌握技术工具，提升应用能力。目前，企业产品设计已细分为需求、规划、原型、三维、仿真、详细设计、测试等阶段，产品的生产过程更复杂；无论产品设计还是制造，每个细分阶段都需要不同的技术软件，需要专业团队长期反复地讨论、比较、验证和设计；并且，产品和技术越先进，对人机工程应用的要求越多、越高。人机工程课程设计是链接人机工程理论课和企业产品实践的纽带，因此，人机工程课程设计只有注重创新和应用能力的培养，学生才可能适应企业实践要求。

1 人机工程课程设计存在的问题

与实践相比，目前人机工程课程设计存在以下主要问题：

一是偏于理论验证，设计内容偏于围绕教材案例，设计内容单调[5-6]。二是企业产品设计生命周期的每个阶段应用系列化技术软件，企业产品开发周期一般需要半年以上；但是，目前课程设计周期一般安排1周左右，课程设计时间过短。课程设计多采用Word、AutoCAD等少量工具软件，设计内容少，技术软件应用种类少、应用水平低，应用新媒体表达产品细节少，学生解决实际问题的机会少[7-8]，理论与实践结合更少[9-10]。三是课程设计组织以单个学生为单位，要求单个学生独立完成设计题目[11]，因此，团队学习与合作少；与课程设计相比，企业产品设计以产品项目组为单位，强调团队的深入学习与合作。

可见，传统人机工程课程设计与企业实践脱节大，难以提升学生创新意识和应用能力。为解决以上问题，本研究对设计内容、技术手段、组织管理等进行了改进，并应用于课程设计教学实践。

2 提升创新和应用能力的改革措施

2.1 强调细节提升的创新意识

2.1.1 从应用流程分析中发现人机工程细节问题

相对整机系统，细节问题更易解决，更易获得成就感，更易激发创新动机和兴趣，进而提升创新意识，因为创新意识包括创新动机、创新兴趣、创新情感和创造意志[12]。在产品实践中，人、机器、环境及其关系考虑得越多越细致，就越可能从司空见惯中发现细节问题，而点滴细节的改进积累到一定程度就可能发生“质变”，就可能创造出更安全、舒适、高效的新产品。为此，笔者从日常生活和学习的体验中凝炼课程设计内容，引导学生挖掘产品的人机工程设计要素，改进后的课程设计主要内容见表1。

表1 人机工程课程设计主要类型和内容Table 1 Main types and contents of curriculum design of ergonomics

以电饭煲面板优化设计主题为例，首先要求学生结合家庭煮饭体验，从产品说明中分析每个功能的操作流程，绘制清晰流程图；然后，分析流程中每个节点操作对安全性、舒适性、实用性和效率的影响，以培养学生从细节入手分析和解决问题的习惯，使其感受细节对产品创新的推动力。图1为2017年苏泊尔在京东销售的电饭煲预约功能宣传图片，促销价为499元，属国产中高档电饭煲，大多数国产电饭煲与图1预约操作相同。

假设当晚20：00预约次日早晨6：30煮熟，根据图1苏泊尔电饭煲预约说明，绘制预约操作流程图2。对多数工薪家庭而言，一般预约周一至周五工作日早晨煮饭，估算每年有230个工作日，从图2发现当前预约操作流程存在以下问题：一是每次预约必须计算当前时刻和煮熟时刻间的时长，日复一日，需要大量的重复计算；二是每次预约必须反复按动【时】和【分】键，日复一日，需要大量的重复按键。

图1 预约说明Fig.1 Reservation function description

图2 预约煮米操作流程Fig.2 Reservation process for rice cooking

2.1.2 从人机理论和实践的结合中解决细节问题

根据教材中人机功能分配和匹配理论，尽量将精确计算、简单重复的工作交给机器完成，尽量将分析、总结、归纳、推理等工作交给人完成，发挥人和机器各自所长，以达到人机系统整体最佳效能[13]。为此，在适当增加软件研发投入，基本上不增加材料、生产等成本的前提下，充分利用触摸屏等成熟技术，对电饭煲预约流程改进如下：1)将输入参数由时长改为时刻。采用预约时刻参数后，预约操作只考虑煮熟时刻，无需考虑当前时刻，无需计算煮熟时刻和当前时刻间的时长。这就大幅减少了预约操作信息处理时间，大幅减少了反应时间，预约信息输入界面可采用图3或图4方案。2)用触摸屏替换液晶屏与实体键组合面板，简化信息输入操作。采用触摸屏面板后，或按图3上下滑动手指，或按图4选择指定数字，就直接输入预约时刻06：30，减少了大量反复按键动作。3)增加存储预约时刻功能，实现一键智能预约。该功能可存储早晚2个预约时刻，能消除图2流程中时长计算、按动【时】键、按动【分】键等操作节点。以每周工作日和休息日为例，第1次按动【定时器】键，自动预约工作日早餐煮熟时刻；第2次按动【定时器】键，自动预约非工作日早餐煮熟时刻；反复按【定时器】键，两个预约时刻反复循环，实现一键预约。

在教学时，学生可以就自己感兴趣的内容进行分组实验，分享交流时也是在自己组内进行进行，不需要全班学生一起听。学生做实验的方法各有千秋，如选择探究面积关系的小组，学生有的用覆盖法，因为透明片可以上下重叠摆放；有的用方格纸作测量工具，把透明片放在方格纸上，用方格测量；有的学生居然提出要用电子秤来找图形关系，理由是这些图形片虽然颜色不一样，但是厚度相同（材料也相同），所以图形面积越大重量也会越重，图形之间的面积关系可以用重量关系来代换。事实上，学生已经在不知不觉地进行类比推理了，这正是创造性思维的重要来源。

△△时分052506300735△△定时器预约启动

图3定时预约输入界面1
Fig.3Timing reservation input interface 1

定时器06∶301234567890预约启动

图4定时预约输入界面2
Fig.4Timing reservation input interface 2

由此，学生综合运用人机系统、反应时、人机功能分配、人机界面等理论，大幅简化了电饭煲预约流程，还考虑了流程改造的经济性和技术可行性。绘制产品操作清晰流程图，从安全性、舒适性、效率等多个维度，分析流程中每节点人机操作合理性，就可能发现更多产品细节问题，然后运用人机理论和技术改进细节，将细节提升作为产品创新的起点，使学生逐渐积累“大处着眼、小处着手”的创新意识。

2.2 设计过程专业化、技术工具系列化

工欲善其事，必先利其器。产品设计、制造和销售的每个细分阶段须应用各类专业软件，理论、经验和专业软件等的熟练应用就是“器”，而且企业越来越注重产品开发过程完整性、技术融合性[14]，为此，课程设计内容要求应用各类软件，使学生通过大量地应用主流软件，初步掌握设计流程、方法、技术，达到“利器善事”的目的。

以内容为无线插卡音箱的课程设计为例，传统课程设计一般分2个阶段，先采用AutoCAD设计产品平面图，然后采用Word撰写课程设计报告。传统设计运用技术工具单一，没有表达实物的三维模型，难以精确表达产品细节，难以发现产品可用性、适用性存在的问题，对设计缺陷的改进过程繁琐，设计原型与产品最终形态差距过大。为解决以上问题，根据企业产品开发实践，将设计过程划为需求分析、原型设计、三维建模、图像处理、视频处理、网站制作等细分阶段，每阶段进行大量充分的人机交互，主要工作如下。

1)需求分析：运用Word或Axture制作产品需求文档，设计功能操作流程，根据音箱使用群体，以外观和操作界面设计为主，确定设计目标、适用和约束条件；查阅、收集整理目标人群手掌结构和尺寸，确定人机设计要素及原则；确定蓝牙、AUX音频输入、SD卡播放、收音等功能操作流程。

2)原型设计：运用Axture分析产品原型，清晰表达产品业务流程和功能实现。

3)三维建模：运用3Dmax或Pro/E实现音箱三维建模，实体模型包括箱体、界面显示、操作输入、喇叭等主要部件。

5)视频合成编辑：3DMax或Pro/E输出产品视频，运用Corel制作视频片头、片尾、字幕，合成编辑视频音频，完成展示产品外观、操作、功能等细节的小电影。

6)网站设计：运用DreamWaver设计音箱展示网站，网站集成产品图文、音视频等媒体，实现良好人机互动。

在课程设计过程中，每阶段要求学生制作规范文档，初步掌握产品设计主流技术工具，在大量反复应用中锻炼并积累基本的技术能力，通过三维实体展现获得设计成就感。

2.3 设计周期和组织实用化、设计评价多样化

改进课程设计后，设计内容更多、更具体，饱满的实践任务驱动学生进行大量自主学习，自主探索技术和应用实践。传统课程设计只安排约1周时间，相对企业产品实际开发周期过于仓促，1周左右时间内学生难以熟练应用专业软件，难以深入产品细节，很难有实践能力的收获。因此，为保证课程设计实效，对设计周期、组织及其评价改进如下。

1)分散设计和集中设计相结合。将课程设计所在的整个学期安排为分散设计期，将学期末1周时间安排为集中设计期，分散设计贯穿整个学期的课余时间，强化学生的自主学习能力。利用人机工程课程所在学期的第1次理论课，讲解并发布设计说明书，明确设计目标、题目、内容、流程、主要技术软件等。要求学生从第1周起就自主分组，从学习和应用技术软件工具开始，进入分散设计阶段。

2)自主搭建设计小组。要求学生按2～3人自主搭建小组，每个小组选择一题目，组内自主分工，团队合作开展设计，分析产品需求、技术关键和方案，随着人机工程理论课程的展开，设计内容逐步深入。

3)集中课程设计安排在期末，以交流讨论为主。通过近一学期的分散设计，近三分之一设计能达到基本目标；利用集中设计的固定场地，让学生能充分深入地讨论，切磋设计思路和技术，在大量讨论中碰撞思维火花，提升实践和创新能力[15]。

4)设计效果评价综合考虑过程表现、技术软件先进性、文档专业性、产品实用性和适用性，并且结合个人在组内的角色和作用。

表2为改进课程设计前后的实践提升部分要素的比较。

表2 改进前后的实践提升比较Table 2 Comparison of practice improvement before and after improvement

3 结 语

以内容实用化、技术专业化为原则，凝炼设计内容，规范设计过程，使学生经历较长期的自主学习和设计实践。学生从人、机器、环境及其关系思考，能发现更实用的产品细节；大量反复应用技术软件，学生会掌握更多更深入的实用技术。笔者将课程设计与理论教学相结合，将课程设计改革延伸至讲授的其他专业课，使部分学生的创新意识和实践能力明显提升，体现在近3年毕业生实习和就业质量的逐渐提升，例如进入海康威视等顶级企业的毕业生逐渐增加，入职上市公司和IPO排队期准上市公司的毕业生逐渐增加。凭借较强实践能力和严谨作风，近年毕业的校友成为企业骨干人数逐渐增多；近年毕业的校友为本企业招聘团代表，返校回本专业招聘实现零突破，并逐年增加。