“无障碍人机交互技术”课程的项目化体验式教学方法探索

2021-03-10孙太任喻洪流

科技创新导报 2021年25期

孙太任喻洪流

摘要：“无障碍人机交互技术”课程是上海理工大学康复工程专业的一门专业必修课，该课程旨在让学生全面理解认知性人机交互和物理性人机交互技术。本文根据康复器械辅助康复的复杂性和多学科交叉的特点，基于实验室的康复设备，提出一种以学生为中心、以问题为导向、以项目为评价的体验式教学方法。该方法把人机交互技术、实践、交互体验等有机结合起来，凸显了康复工程专业的特色，有效提高了学生提出问题、分析问题、解决问题的能力，得到了学生的高度认可。

关键词：认知性人机交互物理性人机交互教学探索康复工程体验式教学

Abstract： “Barrier-Free Human-Computer Interaction technology” is one major compulsory course of Rehabilitation Engineering major of University of Shanghai for Science and Technology. The course aims at making students comprehensively understand the Human-Computer Interaction（HCI） technology. According to the complexity and multi-disciplinary cross features of rehabilitation device-assisted rehabilitation， based on the rehabilitation devices in laboratories， this paper proposes a student-centered experiential teaching method which is problem-oriented and is evaluated by projects. This method organically combines HCI technology， practice and interactive experience， highlights the characteristics of rehabilitation engineering， effectively improves students' ability to raise， analyze and solve problems， and has been highly recognized by students.

Key Words： Cognitive HCI; Physical HCI; Teaching exploration; Rehabilitation engineering; Experience teaching

0 引言

人机交互是人们通过触摸、手势、语音、视觉等与机器进行的交互，主要包括语音交互、视觉交互、触觉交互等认知性人机交互，以及人机直接接触作业的物理性人机交互[1-3]。人机交互技术早已深深地融入并扎根于人们的生活，比如人机装配、3D投影、智能手机、电子游戏、远程会诊、虚拟手术训练等[4-5]。正因为人机交互存在的巨大应用价值，引起了世界各国的重大关注并投入了大量的人力、物力和财力。在已经结束的“十三五”和刚刚启动的“十四五”中，国家重点研发计划“智能机器人”专项、“主动康复和老龄化科技应对”专项、“人工智能”专项等都大量地涉及了人机交互技术。

“人机交互技术”课程是计算机相关专业的一

门重要的核心课程，该课程要求计算机相关专业的学生需要较为全面地掌握认知性人机交互技术，包括语音、视觉、感应交互技术等[6， 7]。2006年，上海理工大学最先开始了国内康复工程专业方向本科人才的培养，并于2020年设立国内第一个康复工程本科专业。“无障碍人机交互技术”课程是康复工程专业高年级本科生的一门重要的专业必修课，旨在让学生理解面向康复的无障碍人机交互技术。

康复工程专业主要培养工程技术与康复医学医工交叉的高级专门人才，设计、研发及应用相关的现代康复器械（包括康复/外骨骼机器人、智能假肢、智能轮椅等），帮助失能老人、残疾人及伤病人等功能障碍者恢复其独立生活、学习、工作、回归和参与社会的能力[8， 9]。与传统的康复治疗师辅助康复相比，以现代康复器械进行辅助康复具有持续工作时间长、智能化水平高、趣味性强等优势，是康复手段的重要发展方向。康复器械辅助康复时存在虚拟现实、语音交互、感应交互等认知性人机交互，与人体直接接触，存在物理性人机交互。因此，面向康复工程专业的“无障碍人机交互技术”课程不仅需要讲授认知性人机交互的相关技术，更需要讲授物理性人机交互相关技术。该课程名称中的“无障碍”突出强调了该人机交互技术需要辅助的对象是存在功能性障碍的人员，通过无障碍人机交互技术使功能障碍人员恢复相应的能力。“无障碍人机交互技术”课程与计算机相关专业的“人机交互技术”课程存在明显不同。

现阶段，没有面向康复工程专业的专门的人机交互技术的教材。如何让学生充分理解面向康复的人机交互技术，并让其对该技术产生浓厚兴趣，是该课程教学的一个重点，也是难点。因此，探索“无障碍人机交互技术”课程的有效教学方法[10]，对于提高康复工程专业本科生的教学质量具有重要的意义。

1项目化体验式教学探索

上海理工大学康复工程与技术研究所（系）拥有先进的康复器械实验室。该实验室是民政部神经功能信息与康复工程重点实验室和上海康复器械工程技术研究中心，配置有100多台（套）先进的上肢、下肢、髋关节、踝关节、手康复/外骨骼机器人、智能轮椅、智能假肢等康复工程實验测试设备。在教学时，该实验室设备可以面向本科生和研究生开放，这为面向康复工程专业的“无障碍人机交互技术”课程教学的探索与改进提供了便利。

“无障碍人机交互技术”是一门实践性和应用性很强的课程。在讲授基本理论知识的同时，需要提高学生的学习兴趣、加强学生的主动参与、注重对学生实践能力的培养。为此，基于实验室的康复设备，提出一种以学生为中心、以问题为导向、以项目为评价的体验式教学方法（见图1）。在基于认知性人机交互估计人体运动意图的基础上，康复/外骨骼机器人带动人体完成某种动作，在该物理性人机交互中，交互的安全性和可靠性是关键性要求。下面以物理性人机交互为例，来说明项目化体验式教学的主要过程。

（1）以授课教师为主导，启发学生提出物理性人机交互相关的问题，包括多种康复训练模式、基于运动信号和生机电信号的感知、物理性人机交互的安全性和可靠性的要求、人机协调控制要求、机器人柔顺控制方法、阻抗（导纳）控制的内涵等。

（2）基于问题进行人机交互体验，由康复设备带动肢体完成一定的任务。在此过程中，可以充分了解运动意图识别的信号源及信号分析、保证物理人机交互安全性的措施、多康复训练模式、人机交互中柔顺控制参数的选取等。在此体验中，也可以进一步提出问题。

（3）基于前期的人机交互式体验，学生可以通查找资料、交流讨论等方式，分析所提问题并部分解决问题。

（4）在理论教学方面，系统性地介绍基于运动号的感知与控制、基于生机电信号的感知与控制、面向康复的机器人（阻抗）导纳控制以及阻抗参数的变化对人机交互的影响。

（5）通过人机交互体验进一步理论教学内容，并进一步解决提出的问题。

（6）根据运动意图估计方式、阻抗（导纳）控制设计方式、任务的不同构建多个项目。将学生按项目分组，然后让学生自主完成项目，并进行讲解、分析。在此基础上，可进一步进行人机交互体验验证方法的有效性，并加深对物理性人机交互的认识。

该教学方法以循序渐进、深入浅出地展开教学，可以将体验式教学、实践性教学与理论教学高度融合，可以大大提高学生的学习兴趣、加深学生对课程理论内容的理解。在学习视频交互时，可让学生体验康复设备的虚拟现实技术并让其领略视频交互的魅力;在学习物理性交互时，可通过康复/外骨骼机器人让学生体验运动意图识别的重要性，以及阻抗参数的变化对人机交互柔顺性的影响，从而使其更好地理解阻抗参数的意义。基于此体验式教学，可进一步向学生介绍虚拟现实、意图识别、柔顺控制背后的科学技术知识，为学生探索科技的奥秘打下良好的基础。

2 成绩评定方法

该课程成绩考核以问题总结和项目实施报告为考核依据，成绩等级分为优、良、及格、不及格。百分制评分标准如表 1 所示。

上述以学生为中心、以问题为导向、以项目为评价的体验式教学方法在小组进行试验，并且得到了学生的高度认可，认为该模式把人机交互技术、实践、交互体验等有机结合起来，凸显了康复工程专业的特色，有效提高了学生提出问题、分析问题、解决问题的能力。

3结语

“无障碍人机交互技术”课程是康复工程专业的一门专业必修课。基于康复工程专业的培养目标，本文提出一种以学生为中心、以问题为导向、以项目为评价的体验式教学方法，进行视觉人机交互、声音人机交互、感触人机交互、物理人机交互的体验与项目实施，可提高学生的学习兴趣、学习的主动性以及解决问题的能力。

参考文献

[1] 胡勇.“人机交互技术”课程教学探索与实践[J].教育教学论坛，2017，45：159-161.

[2] 瞿军.基于生物电信号的人机交互技术及其在虚拟现实中的应用研究[D].广州：华南理工大学，2019.

[3] 倪得晶.面向空间机器人要操作的环境建模与人机交互技术研究[D].南京：东南大学，2018.

[4] 孟祥旭，李学庆，杨承磊，等.人机交互基础教程（第三版）[M].北京：清华大学出版社，2016.

[5] 罗泽仁.科学技术哲学视域下的人机交互技术研究[J].科技资讯，2020，15： 9-10.

[6] 王千秋，李晶.软件工程专业中《人机交互技术》课程的教学研究[J].课程教育研究，2017（42）：232.