面向人因工程的虚实融合交互式教学模式改革研究

杨晓楠，薛 庆，胡耀光

（北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081）

引言

随着我国智能制造的快速发展，新一代信息技术与制造业的融合不断深入，但我国飞机、汽车等制造企业仍存在自动化程度不高、工艺装备落后、劳动强度过大等问题，对工人手工作业依赖性较强，工业领域一直存在肌肉骨骼损伤、腰椎突出等易发性职业疾病，这都与不正确的作业姿势或用力不当有关［1］。

人因工程（Human Factor Engineering,HFE）强调在工程技术设计和作业管理中考虑人的因素。人因工程作为一门综合运用多学科原理和方法的典型交叉学科，融合了心理学、生理学、生物力学、人体测量、计算机科学等内容，研究人—机—工作环境之间的关系［2］。尤其针对工业领域的体力工作负荷与职业疾病的防范，NIOSH提举方程和生物力学姿态分析发挥着重要作用［3］。与此同时，生物力学的相关研究也在不断对人体非刚性结构进行生物力学建模与算法分析，以准确评估提举或搬运作业中身体的各关节受力，保障身体关键部位（如腰椎间盘）的健康。

NIOSH手工提举方程和生物力学分析作为“人因工程”课程内容体力工作负荷章节的核心知识点，这两部分的教学模式存在以下问题：（1）当前“人因工程”课程的教学模式主要以教师讲授为主、研讨环节为辅，利用相关仿真软件来完成具体实践操作，但存在仿真建模工作量较大且人体模型不能真实准确地反映人体动态变化的问题。（2）目前在“人因工程生物力学”课程教学过程中大多采用传统教学方式，由于章节内容对立体思维要求较高，学生存在对生物力学方法的理解浮于表面，无法熟练掌握其分析原理，难以应用于解决实际问题。（3）教学方法无法直观体现教学内容，对教学结果难以起到促进作用。传统的人因工程教学的教学方法主要是使用PPT罗列公式，缺少沉浸式的体验和亲身实践的操作。在这样的教学方式下，学生难以理解晦涩的公式，短时间内难以消化吸收，学习效率明显降低。

通过以上人因工程教学模式问题可以看出，传统的教学模式已明显制约课堂教学质量与效果，缺乏理论与实践的结合，大大降低了教学效率和学生的积极性。增强现实（Augmented Reality，AR）技术能够使用虚拟的数字化信息与真实物理世界连接［4］。尤其在物理化学及相关医学培训领域交互式增强现实学习系统，可以有效帮助医学生了解人体组成结构，快速掌握临床解剖学切片图像。在人因工程教学中引入增强现实技术，如何最大限度地发挥技术优势，需要把握二者的契合点，明确具体切入角度，把增强现实技术的优势应用到实处［5］。针对人因工程中较为典型的NIOSH提举方程及生物力学问题，主要有以下几种体现形式：（1）构建支持多人协同交互式学习的平台，通过全体学生沉浸交互式的参与，提高学生学习积极性，并且主动探索学习相关知识。（2）结合动作捕捉设备，将复杂动态的三维人体运动、抽象的计算公式三维可视化，直观地呈现在教学活动中，降低学生的认知负荷与学习难度。（3）进一步推动现代信息技术与教学深度融合，使学生在沉浸式的体验中提高对公式性计算方法的学习兴趣，强化学生的思维能力，同时提高整个教学环节重点与难点的学习效率，打破传统课堂教学的空间、时间限制。

本文针对人因工程传统教学所存在的问题，介绍基于增强现实技术的NIOSH提举方程以及生物力学示教平台的设计与开发，并阐述了增强现实技术在人因工程教学改革中的突出优势。

一、研究内容

本研究以增强现实技术为基础，结合动作捕捉设备及HoloLens2，采用客户端/服务器（Client/Server）架构，支持Android、HoloLens2多设备视角共享，在Unity平台基于C#编程语言，利用软件工程的思想，设计并实现基于增强现实的NIOSH提举方程示教平台以及上肢生物力学姿态分析示教平台，如图1。

图1 示教平台框架

1.NIOSH提举方程示教平台。使用AR技术，结合动捕设备，学生可以用任意的动作进行提举动作，同时可以利用多视角对动态显示的数据、计算过程进行观察，真正参与到教学过程中，更为熟练地掌握教学知识。

2.生物力学姿态分析示教平台。利用AR技术打造虚实融合的沉浸式生物力学示教平台，将计算过程中涉及的参数、受力分析等信息三维化动态显示在数字人的相应部位，形成配合联动示教模式，降低复杂公式抽象度，采用数字人动画吸引学生学习兴趣，降低学生认知负荷，实现可以灵活运用上肢生物力学计算原理解决实际问题的目标。

二、基于增强现实的交互式示教平台

1.NIOSH提举方法与生物力学分析方法与教学内容特点介绍。NIOSH主要通过观察工人在常规空间搬运重物对工人举升重物能力或提举的风险系数进行评估，计算过程主要包括，测量水平位置H、垂直位置V、移动距离D、转动角度A。根据NIOSH的提举公式RWL=LC×HM×VM×DM×AM×FM×CM来计算RWL。LC表示最大提举负荷常数。生物力学方面，通过相关生物力学姿态分析可以得到不同姿势下腰部受力情况，并进一步找到使腰部受力的最佳姿势，从而避免在实际生产作业时，工人由于提举搬运货物过程中用力不当或采用不正确作业姿势导致的腰部受损。

人因工程在这两部分的教学中主要涉及具体动作分析，教学过程涉及多个参数、公式，内容抽象、复杂，需要一定力学、生物学等知识作为基础。现有教学模式无法将理论性强、碎片化的公式与计算方法直观地呈现给学生，因此，采用增强现实技术将生物力学计算过程以三维可视化的方式呈现，搭建虚实融合的沉浸式教学环境，帮助学生掌握生物力学分析计算基本原理。

2.基于增强现实的交互式示教平台架构及流程。基于AR的生物力学示教平台框架主要分为数字人和UI交互两部分，生物力学姿态分析模块由小臂、大臂、躯干、L5/S1四部分组成，如图2所示。设计两级面板显示操作提示、分析思路等信息，实现与面板内容、分析模块对应的数字人计算参数、受力分析等标签信息动态更新，辅以AR标注丰富示教平台表达方式，使学习过程更加立体、沉浸、丰富。

图2 上肢生物力学示教平台图

三、改革创新点

1.以智为先，开展虚实融合教学环境重构。将三维虚拟信息与真实的教学环境相结合，打造沉浸式的人因工程混合现实教学环境。通过立体全方位的课程教学设计，将课程内容与实践案例相结合，加深学生对于人因工程重点和难点的理解，实现理论知识与实践技能的融会贯通。

2.以动为要，革新以学生为主的教学模式。利用可穿戴的动作捕捉与混合现实设备，并通过数字人将操作全过程等比例呈现在混合现实环境中，解决传统人因工程软件仿真建模工作量大、人体模型运动复杂、用户感知受限等问题，同时形成支持多人多视角协作交互式混合现实平台，打造以学生为主，动态性和互动为要点的新型教学形式，提高学生的学习积极性。

3.以融为本，推进师生科教共融的更新迭代。针对混合现实环境下的教学场景与具体分析方法，结合科研项目的研究需要与学生现场操作学习的反馈，进行全方位的课程教学设计，并通过具体项目的实施，形成基本科研能力，为学生后续继续深造提供支撑。

结语

本文立足于人因工程教学过程中存在的实际问题，基于增强现实技术，讨论了人因工程教学改革的必要性以及增强现实技术在课程教学改革中的重要作用，通过阐述NIOSH提举方程和生物力学示教平台的设计与开发案例，结合实际示教系统展示了增强现实（AR）技术在NIOSH提举方程和生物力学教学模式改革过程中的突出优势。