基于Jack的人因工程课程设计教学改革研究

吴 希

河南工学院管理学院

人因工程课程设计是人因工程课程的重要实践环节，主要面向工业工程、工业设计、机械制造、艺术设计等专业学生开设，是在理论学习的基础上，综合运用所学知识，让学生发挥主观能动性，发现实践中存在的“人-机-环境”问题，并制定解决方案，从而完成人、机和环境系统设计和改善的基本训练。

一、人因工程课程设计教学现状

人因工程课程设计的教学目的就是让学生在教师协助和指导下，通过选择适当的题目，利用人因工程的基本理论、方法、技术和工具，进行深入研究，完成完整的实践环节，力求使学生在理解和掌握理论知识的基础上，充分调动起积极性，发挥想象力，培养学生的创新能力、合作能力和独立思考解决问题的能力。

1.教学开展受到局限。

目前开设该课程设计的高校大多都采用时长为一周或两周的集中实践形式进行，具体要求学生使用相关设备采集人-机-环境数据进行分析，并根据分析结果提出优化改善方案。国内对于人因学科的研究相对于国外而言起步较晚，在应用领域积累的典型案例数量有限，学生在参考和借鉴时，方向和思路容易难以创新。学生可从事的课程设计任务包括生产环节和日常生活两方面，由于时间限制无法在生产现场实践，所以针对生产环节设计的学生较少，更多的学生选择生活或学习中发现的问题进行研究，除了设计内容重复雷同外，研究的深度和广度也受到影响。

2.确定课程设计任务困难。

按照培养计划安排，人因工程课程设计通常设置在人因工程理论课程完成后进行，该课程是一门由人体科学、环境科学、工程技术和管理工程相互交叉融合的新兴边缘学科，所以涉及的内容广泛且繁杂。于是，学生在选择课程设计题目和内容时，仅有少数平时注重日常积累的学生可以快速确定方向，并着手开始设计任务，更多的学生前期缺乏深入思考和资料储备则较为盲从，觉得掌握了知识点，有不少可以设计或改善的任务，却不知道该从哪里下手，也有学生迫于时间压力匆忙上手，做到半截才发现无法进行下去，只好再次从头做起。

3.学生实操能力一般。

通过前期教学实践和调研发现，人因工程课程教学中，教师普遍采取“课上讲授为主、少量课内实验为辅”的方式，学生在课堂上大多处于被动接受的学习状态，教师要完成授课内容就无法给学生留有充分参与的机会和足够的思考时间，学生虽然已经完成相关理论知识点的学习，但是缺少对课程的兴趣和主动性，并未从理念上树立起人因意识，很难及时发现和捕捉到身边的不合理设计。加之学生普遍缺乏实践经验，在这样的情况下开展课程设计，即使学生顺利找到合适的切入点，教师也给予一定指导，但要求其在设计研究中能够将知识点融会贯通来解决现实问题，对于部分学生来说还是面临很大困难。

二、基于Jack的人因工程课程设计

1.选用Jack软件作为课程设计实现工具的依据。

人因工程的综合型和设计型课程设计任务需要借助真实的工作场地来完成，耗时长、成本高、风险大、实验结果难以量化并且精度不高。[1]在人因分析的过程中，本质上是分析人在进行某一项工作时身体的静态与动态特性的最大能力范围，以此判断这项工作是否符合人的特性。[2]

Jack软件是西门子工业软件有限公司旗下的一款人因工程分析软件，通过创建全真的三维数字仿真并且利用权威的人因工程分析工具对仿真进行分析，可以对环境和产品进行人因评估。[3]相较于市面上其它虚拟仿真软件，Jack既涵盖大部分软件所具备的自行构建生产环境、给数字人指派工作任务等功能，更强调通过虚拟仿真数字人在“人-机-环”交互中的行为表现来分析获取人因数据，从而为评价及改善环境和作业设计提供依据。

2.基于Jack的人因工程课程设计。

课程设计中，教师负责设计指导工作，包括对Jack软件操作方法的讲解和指导学生个人操作练习；学生是设计的主体，需要发挥主动性和创造力，发现并解决现实问题。

（1）教师指导设计部分。根据教学大纲，结合Jack软件特点，最终确定通过五个教学模块（如表1所示），分步骤讲授Jack的基本操作方法和技巧，并要求学生现场完成指定操作任务，如发现问题及时解决。

表1 教师指导设计部分具体安排

模块一（创建并调整数字人）：创建数字人并命名-用鼠标调整数字人位置-调整数字人身体尺寸-设置数字人姿势-操纵各身体部位-调整常见工作姿势及状态。

模块二（器具设置）：插入并调整简单设备及工具-设置设备与工具摆放位置和粘合方式-插入大型机械设备和数字机器人-操纵设备和数字机器人完成指定作业任务。

模块三（数字人动态仿真）：数字人按指定任意曲线和方式行进-数字人伸出左手抓取放置在桌子上的小木块至胸前-数字人携带小木块身体旋转90°-数字人行走至指定位置-数字人下蹲将小木块放置在地上后站起。

模块四（工作场景仿真）：搭建生产现场场景-数字人按指定路径行进至操作台前-数字人转向电脑用左手按下数字机器人操作键-数字机器人抓取桌面上的小木块并放置在传送带上-传送带将小木块送入加工机器中。

模块五（人因分析）：设置工作场景和数字人作业任务-Arm Strength Evaluation（臂力评估）-Fatigue Analysis（疲劳分析）-ForceSolver（受力分析）-Lower Back Analysis（下背部分析）-Manual Handling Limits（手工操作极限分析）-Metabolic Energy Expenditure（新陈代谢分析）-NIOSH（搬运受力分析）-Ovako Working Posture Analysis（工作姿势分析）-Predetermined Time Standards（工作时间分析）-Rapid Upper Limb Assessment（快速上肢分析）-Static Strength Prediction（静态强度预测）。

（2）学生自主设计部分。人因工程课程设计要求学生根据自身的兴趣，自主选择某一生产现场存在的人因工程问题，使用Jack软件进行虚拟仿真，运用所学的人因工程学理论知识，对仿真结果进行可行性分析，指出不合理的地方，并给出改进优化建议。

课程设计的具体时间安排如表2所示，在整个过程中，要求学生在理解和掌握操作设计方法的基础上，勤加练习，反复尝试，充分发挥想象力，鼓励创新，如发现问题及时沟通解决。

表2 人因工程课程设计时间安排

人因工程课程设计最终要求提交设计报告书，具体包括四项内容：（1）总体描述，阐述所设计的场景、数字人、任务等；（2）具体内容，详细陈述实现步骤、展示设计成果（状态截图及设计文件）；（3）设计任务的人因分析，选择1-2种人因分析工具进行分析，并根据结果进行任务评价和改善建议；（4）总结，对完成课程设计过程中的收获和体会进行思考，并归纳形成文字。

三、部分学生课程设计成果展示

图1 部分学生课程设计成果截图（一）

图2 部分学生课程设计成果截图（二）

四、结语

将Jack软件应用于人因工程课程设计，以“通过虚拟仿真出的生产现场和数字人动作流程进行人因分析并提出改善建议”的形式进行教学改革与实践，已经经过两个学年的教学尝试和检验，教学效果良好，能调动和激发学生的创新意识，学生普遍反映“既可以掌握虚拟仿真软件使用和人因分析方法，又可以验证自己设计的生产场景和人机环互动效果”。在之后的教学中，我们会继续补充并优化教师指导内容，强化学生自主设计，自建并积累课程设计素材库，争取将人因工程课程设计打造成集专业性、实用性、创新性为一体的集中实践教学环节。