基于工程教育专业认证OBE理念的安全人机工程实验室建设研究与实施

岳丽宏 王玉华 马池香 张楠 韩芸英

摘  要 在工程教育专业认证背景下，高校实验室是开展科学研究、进行学生培养的重要场所。以青岛理工大学安全人机工程实验室建设为例，以学生为主体，对标面向专业认证的安全人机工程课程的知识目标、能力目标、素质目标进行实验体系建设，分享运行管理实践经验，让专业实验室在培养学生综合能力和保障学生身心健康方面发挥应有的作用。

关键词 安全工程；安全人机工程实验室；实验教学；OBE；工程教育

中图分类号：G647.6    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）14-0001-06

Abstract The laboratory of university is an important place where we carry on scientific research and cultivate students in the back-ground of Professional Certification for Engineering Education. In this paper we take Man-Machine Engineering Laboratory construc-tion of Qingdao University of Technology as an example. We take student-oriented ideology as the concept and aim at the targets of knowledge， ability and quality of Man-Machine Engineering as the course of Education of Professional Certification for Engineering Education. We share the practices of operation and administration about the Man-Machine Engineering Laboratory. What we have done can make the professional laboratory playing a due role in ensuring overall quality and physical and psychological health of the students.

Key words safety engineering; man-machine engineering laboratory; experimental teaching; OBE; engineering education

0  引言

我国的安全工程经历了从初期的基本安全政策和劳动保护工作发展到一系列安全标准、法规的出台，再到现在安全工程技术、安全科学逐渐完善的过程[1]。安全工程学科是隶属于一级学科安全科学与工程（学科代码：0837）的一个二级学科。中国教育在线高考志愿填报平台的统计资料显示：截至2019年5月，全国共有150所高校开设该本科专业，其中普通本科院校及附属学院有138所；截至2020年1月，全国共计有包括中国矿业大学（北京）、中国地质大学（北京）、东北大学、辽宁工程技术大学等在内的47所高校的安全工程专业通过工程教育专业认证[2-3]。工程教育专业认证的核心内涵是建构“以学生为中心、产出为导向”的人才培养体系，并突出持续改进的特点[4]。OBE是产出导向教育的简称，其核心理念是以学生为中心，聚焦于学生受教育后能产出什么[5]。

根据上述OBE教育核心理念可知，安全人机工程课程实验教学的关键在于定义学生的学习产出，即学生通过实验课程的学习后能做什么。这就需要基于OBE工程教育认证的毕业能力要求及毕业生就业后反馈的技能需求来分析，结合实际对安全人机工程实验室进行合适定位。

1  基于OBE理念的安全人机工程实验室体系架构

高等学校安全工程学科教学指导委员会制定的《安全工程专业本科教育认证标准》及《全国工程教育认证安全工程专业补充标准》中涉及的培养目标、毕业要求有七大项、若干子项，包括知识目标、能力目标和素质目标。

安全人机工程的主要作用是通过人—机—环境相互关系的研究，为作业人员创造最佳的作业条件和环境，保障作业人员安全，减少失误、减少疲劳，从而提高作业效率，保证系统安全，同时为事故的系统分析、事故的预防以及安全决策提供理论依据[6]。安全人机工程的研究对象是人、机、人机界面。实验室为研究者提供研究平台，为学生提供实验实训场所，实验教学环节对帮助学生理解和掌握课程的理论和方法以及对学生工程实践能力的培养起着至关重要的作用[7]。实验室是学生学习应用理论知识并進行实践的主要场地，是连通理论与实践的桥梁，对学生综合素质的养成具有积极意义[8]，主要对标毕业要求中的能力目标和素质目标。因此，安全人机工程实验教学的学习产出分为能力目标和素质目标，即通过实验准备锻炼学生的自主学习能力，通过实验操作锻炼学生的动手操作能力，通过数据分析锻炼学生的研究创新能力，通过合作锻炼学生的团队协作能力。通过实验课程的学习，学生在学会学习、学会相处、学会做事等方面都有所收获。安全人机工程实验主要针对人和人机匹配两个方面。为对标上述能力和素质要求，安全人机工程实验室可以设置基础实验平台、科学研究平台和对外服务平台三个模块，各平台的构成情况如表1所示。

2  基于OBE理念的青岛理工大学安全人机工程实验室建设

青岛理工大学的安全工程专业主要培养适应国家经济和社会发展需要，掌握安全科学与工程的基本理论、基本知识及基本技能，具有土木建筑安全专长，具备到土木建筑、机械、化工等相关行业领域从事安全工程的设计、研究、评估与咨询、安全监察、技术管理、应急救援、安全教育与培训等方面工作的能力，具有一定的国际视野和创新意识，具备良好的沟通、团队协作和终身学习能力，德智体美全面发展的应用型专业人才。青岛理工大学在2019年完成中国工程教育专业认证协会组织开展的学校自评、专业类认证委员会审核、专家组现场考察、结论审议等程序，通过工程教育认证。安全人机工程是青岛理工大学安全工程专业的专业核心课程，以建筑施工行业人机界面为主要研究对象，分析、研究由于作业导致劳动者健康损害或伤亡等因素的作用机理、预防措施等，从而评价作业及作业环境是否满足安全、高效、舒适和健康要求，支撑“设计/开发解决方案”“研究”“个人和团队”三个毕业要求，其中对“设计/开发解决方案”的支撑是强支撑，对“研究”的支撑是中等支撑，对“个人和团队”的支撑是弱支撑。

青岛理工大学安全人机工程实验室归属于安全科学与工程实验中心，承担安全工程专业安全人机工程课程实验教学、毕业设计、创新活动等任务，旨在提升学生的实验动手能力、工程实践能力和创新思维能力。实验室由人机交互实验平台系统、人的心理及反应测定平台和人的生理学参数测定平台组成，能同时满足教学和科研的要求，其体系架构如图1所示。此外，实验室对全校师生开放，进行相关体质和心理健康监测，关注师生身心健康。

2.1  人机交互实验平台系统及其建设

人机交互实验平台主要为科研和全校师生的心理健康监测服务，还可以用于大学生创新活动、本科生的课程设计和毕业设计。人机交互实验平台系统包括人—机—环境同步平台和人因综合实验操作台两个实验平台。

人—机—环境同步平台如图2所示，由PC实验主机、无线传感装置、生理及行为记录软件系统组成，通过不同的刺激场景，记录PPG（光电容积脉搏）、ECG（心电）、SKT（体温）、EDA（皮电）、EMG（肌电）、RESP（呼吸频率）等生理参数，研究人类在不同物理环境中或进行各种活动时的人体生理状况及行为反应，并通过无线传感技术、行为编码分析技术同步记录用户的心理、生理和行为变化情况，同步分析操作人的行为表现、认知负荷、疲劳状态等，实现在同一时间或同一时间段内人—机—环境数据的实时同步记录、跟踪和分析。人—机—环境同步平台主要用于科研、研究生培养、大学生创新活动以及本科生的毕业设计和课程设计等，在培养学生独立研究能力方面有着重要作用。

人因综合实验操作台如图3所示，由PC实验主机、实验操作台、心理实验、测试及训练软件系统组成，可以研究各种心理学现象，也可以进行心理学测试或应用于心理行为功能训练。人因综合实验操作台主要为科研、研究生培养、大学生创新活动以及本科生的毕业设计和课程设计等服务，心理测试系统还为全校师生提供心理健康监测服务，在关注师生心理健康方面发挥重要作用。

1）心理学现象研究实验，涵盖实验心理学、认知心理学、普通心理学、发展心理学、教育心理学、工程心理学等多个领域，超过100个心理学实验，可开展以下十个实验项目。

①心理学现象演示实验。

②反应时实验：简单反应时、选择反应时、辨别反应时、STOOP效应等。

③心理物理学实验：最小变化法、恒定刺激法、平均差误法、对偶比较法、等级排列法、信号检测论（有无法、迫选法、评价法）等。

④注意实验：注意广度、注意分配、注意转移、双耳分听、注意稳定性、划消测验、注意集中、注意抗干扰性等。

⑤感知觉实验：速度知觉、螺旋后效、时间知觉、似动现象、表象的心理旋转、系列扫描与平行扫描、整体加工与局部加工等。

⑥记忆和学习的实验：瞬时记忆、系列位置效应、短时记忆广度、记忆中信息提取的再度激活、工作记忆广度、有凭借再现与无凭借再现、空间位置记忆广度、词的具体性对FOK现象的影响、图形信息的有意遗忘、错误再认等。

⑦思维实验：问题解决的定势效应、河内塔、句子理解速度、推理的气氛效应等。

⑧情绪实验：面部表情的辨认、颜色的情绪色彩、面孔識别等。

⑨认知实验：短时记忆的信息提取、镶嵌图形、内隐记忆、字词的优势效应、短时记忆的视觉编码等。

⑩儿童心理学实验：儿童思维策略、儿童推理能力、儿童认知方式、儿童道德判断、儿童天平实验、儿童警觉水平等。

2）心理学测试实验。心理测试系统含有105个国内常用心理测试量表，且量表内容可自定义添加，可应用于个体或大规模的心理测试或普查。

3）心理行为功能训练实验，可开展九个实验项目：视听简单反应时的测验；视听选择反应时的测验；视、听注意分配的测验；动作频率的测验；记忆测验与训练；数字符号的测验（或译码测验）；连线测验（或视觉品质注意分配）；稳定性的测验与训练（或手臂稳定度测验目）；鉴别反应实验。

2.2  人的心理及反应测定平台及其建设

在作业过程中，人的感知、反应都会影响操作的准确性、人机匹配的合理性，人的心理及反应测定平台通过测定人的心理及反应特性，了解作业疲劳的判定指标和缓解措施。人的心理及反应测定平台主要用于实验教学、课程设计，通过测定人的感知特性、反应特性、作业疲劳指标以及人机系统功能等相关参数，反映人的基础心理特性、视听反应快慢、作业疲劳程度、人机匹配效果等人的心理规律和行为规律。人的心理及反应测定平台在培养学生动手操作能力、实验结果分析能力、理论结合实践能力等方面会发挥重要作用。人的心理及反应测定平台部分实验仪器如图4所示。

2.3  人的生理学参数测定平台及其建设

借助人—机—环境操作测量装置可以测定人的生理学参数，进行人体体质监测，了解学生的身体发育情况。人的生理学参数测定平台借助人—机—环境操作测量装置用于人的体质健康监测，可开展人体结构尺寸测定、皮阻皮温测定、痛阈测定、血压测定、肺活量测定、腰背部肌肉力量测定、静态躯干及腰髋关节的活动幅度测定等七个实验项目。人的生理学参数测定平台主要服务于实验教学和课程设计，同时为全校师生提供人体体质监测服务，在培养学生动手操作、数据分析等实验能力方面发挥重要作用，在保障学生身体健康方面具有不可替代的地位。人的生理学参数测定平台部分实验仪器如图5所示。

2.3.1  人体结构尺寸测定  使用身高坐高计测量人体的坐高和身高，用于成年人体质测定和少年儿童体态测量、健康检查。

2.3.2  皮阻皮温测定  使用数字式皮阻皮温计测量人体皮肤温度和皮肤电阻，用于研究人体心理的放松和紧张程度、情绪波动、性格特征等。

2.3.3  痛阈测定  使用痛阈测试仪测定人的痛阈和耐痛阈，用于人体疼痛研究，有助于职业性疾病的早期发现、早期诊断和早期治疗。

2.3.4  血压测定  使用全自动腕式血压计测量人体血压，用于研究身体健康状况，有助于职业性疾病的早期发现、早期诊断和早期治疗。

2.3.5  肺活量测定  使用电动肺活量计测定呼吸时的最大通气量，用于测定肺部的呼吸功能，评价人体机能。

2.3.6  腰背部肌肉力量测定  使用电子背力计测量人体腰背部力量，用于测试人体运动能力。

2.3.7  静态躯干及腰髋关节的活动幅度测定  使用坐位体前屈测试仪测量人体静止形态下躯干及腰髋等关节可能达到的活动幅度，用于评价躯干及腰髋等部位关节、韧带和肌肉的伸展性和弹性。

3  基于OBE理念的青岛理工大学安全人机工程实验室的实施

3.1  实验教学的组织

为调动学生学习的主动性，激发学习兴趣，可以赋予学生一定的选择权。在充分考虑实际条件的情况下，安全人机工程实验室采用半开放型实验教学，即学生可以自主选择一定数目的实验项目，在提前预习并准备好实验报告的情况下，以两个学生为一个小组，进入实验室进行实验课。实验进行前，学生需学习《青岛理工大学机械与汽车工程学院安全工程专业实验室安全教育手册》和《青岛理工大学机械与汽车工程学院安全工程实验室安全注意事项告知书》两个文件，或在虚拟实验室进行实验室突发情况应急处置学习，学习完成后在告知书上签字；实验过程中，以学生独立操作为主，实验指导教师只进行必要的操作辅导和仪器维护；实验结束，每位学生需要将记录有效数据的现场记录纸交给指导教师审阅签字后方可离开实验室。课下自主完成实验报告，无故不参加实验课的学生不得参加课程的期末理论考核。

3.2  实验课考核

安全人机工程实验不单独设课，实验成绩采用百分制，占课程总成绩的10%，实验准备、实验操作和实验报告的分值占比及考核标准如表2所示，最终实验成绩取规定提交份数（一般为5份）的实验报告的平均成绩，额外提交实验报告者成绩核算如表2所示。

3.3  实施效果与持续改进

根据《安全人机工程课程分析报告》中间接分析法进行课程目标达成度分析以及对学生进行访谈显示，学生在安全人机工程实验课中表现出较高的兴趣和积极性，所有学生均动手操作。通过实验，绝大多数学生认为自己在自主学习能力、动手操作能力、团队协作能力方面有较大提高，具备基本的创新和科研意识，在学会学习、学会相处、学会做事方面有了初步的认识，也会在平时的学习生活中更加关注自己的身心健康。实验教学课程目标达成度间接分析法统计结果如表3所示。

虽然实验课程的达成度分析和学生访谈均顯示基于OBE理念的安全人机工程实验教学取得较好的效果，达到了预期的能力目标和素质目标，但是仍然存在有待改进的地方，比如开放时间，会给学生更多的选择权，也会与课程的项目教学、课程设计、大学生创新结合得更加密切，在培养学生创新研究能力方面发挥更大的作用。

4  结论

青岛理工大学的办学定位是建设特色鲜明的高水平应用研究型大学，培养应用基础型人才。基于OBE理念的安全人机工程实验室将在安全工程专业学生的知识、能力、素质培养方面发挥应有的作用，成为安全人机工程方向教学、科研和技术服务的重要基地，在教学和学校服务中发挥重要作用。

参考文献

[1]景国勋，李辉.安全人机工程实验室建设的研究与实施[J].实验技术与管理，2006（11）：18-20.

[2]教育部高等教育司关于转发《教育部高等教育教学评估中心 中国工程教育专业认证协会关于发布已通过工程教育认证专业名单的通告》的通知[A/OL].（2020-07-15）[2020-10-12].http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/tongzhi/202007/t20200721_474084.html.

[3]关于公布北京交通大学机械工程等402个专业认证结论的通知[EB/OL].（2020-06-19）[2020-10-12].https：//www.ceeaa.org.cn/gcjyzyrzxh/xwdt/tzgg56/620516/index.html.

[4]马丽苹，焦昆鹏，于慧春，等.工程教育专业认证背景下“食品工艺学”实验教学改革探讨[J].农产品加工，2019（7）：104-106.

[5]邱旋，黄晶，王伟，等.基于OBE理念的《电气控制与PLC》项目式教学改革的探索与实践[J].中外企业家，2020（19）：211-212.

[6]廖海江.安全人机功效实验室规划研究[J].中国安全生产科学技术，2010（6）：86-88.

[7]兰爽，于贵文，李丹婷，等.“产学合作协同育人”背景下的实验课程改革研究：以人因工程为例[J].黑龙江科技，2019（5）：18-20.

[8]王在俊，王吉豪，宁伟.以实验室为平台加强学生综合素质培养[J].实验技术与管理，2020（3）：25-27.