孫太任 喻洪流

摘 要：“無障礙人機交互技術(shù)”課程是上海理工大學(xué)康復(fù)工程專業(yè)的一門專業(yè)必修課，該課程旨在讓學(xué)生全面理解認知性人機交互和物理性人機交互技術(shù)。本文根據(jù)康復(fù)器械輔助康復(fù)的復(fù)雜性和多學(xué)科交叉的特點，基于實驗室的康復(fù)設(shè)備，提出一種以學(xué)生為中心、以問題為導(dǎo)向、以項目為評價的體驗式教學(xué)方法。該方法把人機交互技術(shù)、實踐、交互體驗等有機結(jié)合起來，凸顯了康復(fù)工程專業(yè)的特色，有效提高了學(xué)生提出問題、分析問題、解決問題的能力，得到了學(xué)生的高度認可。

關(guān)鍵詞：認知性人機交互 物理性人機交互 教學(xué)探索 康復(fù)工程 體驗式教學(xué)

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

人機交互是人們通過觸摸、手勢、語音、視覺等與機器進行的交互，主要包括語音交互、視覺交互、觸覺交互等認知性人機交互，以及人機直接接觸作業(yè)的物理性人機交互[1-3]。人機交互技術(shù)早已深深地融入并扎根于人們的生活，比如人機裝配、3D投影、智能手機、電子游戲、遠程會診、虛擬手術(shù)訓(xùn)練等[4-5]。正因為人機交互存在的巨大應(yīng)用價值，引起了世界各國的重大關(guān)注并投入了大量的人力、物力和財力。在已經(jīng)結(jié)束的“十三五”和剛剛啟動的“十四五”中，國家重點研發(fā)計劃“智能機器人”專項、“主動康復(fù)和老齡化科技應(yīng)對”專項、“人工智能”專項等都大量地涉及了人機交互技術(shù)。

“人機交互技術(shù)”課程是計算機相關(guān)專業(yè)的一

門重要的核心課程，該課程要求計算機相關(guān)專業(yè)的學(xué)生需要較為全面地掌握認知性人機交互技術(shù)，包括語音、視覺、感應(yīng)交互技術(shù)等[6， 7]。2006年，上海理工大學(xué)最先開始了國內(nèi)康復(fù)工程專業(yè)方向本科人才的培養(yǎng)，并于2020年設(shè)立國內(nèi)第一個康復(fù)工程本科專業(yè)?！盁o障礙人機交互技術(shù)”課程是康復(fù)工程專業(yè)高年級本科生的一門重要的專業(yè)必修課，旨在讓學(xué)生理解面向康復(fù)的無障礙人機交互技術(shù)。

康復(fù)工程專業(yè)主要培養(yǎng)工程技術(shù)與康復(fù)醫(yī)學(xué)醫(yī)工交叉的高級專門人才，設(shè)計、研發(fā)及應(yīng)用相關(guān)的現(xiàn)代康復(fù)器械（包括康復(fù)/外骨骼機器人、智能假肢、智能輪椅等），幫助失能老人、殘疾人及傷病人等功能障礙者恢復(fù)其獨立生活、學(xué)習(xí)、工作、回歸和參與社會的能力[8， 9]。與傳統(tǒng)的康復(fù)治療師輔助康復(fù)相比，以現(xiàn)代康復(fù)器械進行輔助康復(fù)具有持續(xù)工作時間長、智能化水平高、趣味性強等優(yōu)勢，是康復(fù)手段的重要發(fā)展方向?？祻?fù)器械輔助康復(fù)時存在虛擬現(xiàn)實、語音交互、感應(yīng)交互等認知性人機交互，與人體直接接觸，存在物理性人機交互。因此，面向康復(fù)工程專業(yè)的“無障礙人機交互技術(shù)”課程不僅需要講授認知性人機交互的相關(guān)技術(shù)，更需要講授物理性人機交互相關(guān)技術(shù)。該課程名稱中的“無障礙”突出強調(diào)了該人機交互技術(shù)需要輔助的對象是存在功能性障礙的人員，通過無障礙人機交互技術(shù)使功能障礙人員恢復(fù)相應(yīng)的能力?！盁o障礙人機交互技術(shù)”課程與計算機相關(guān)專業(yè)的“人機交互技術(shù)”課程存在明顯不同。

現(xiàn)階段，沒有面向康復(fù)工程專業(yè)的專門的人機交互技術(shù)的教材。如何讓學(xué)生充分理解面向康復(fù)的人機交互技術(shù)，并讓其對該技術(shù)產(chǎn)生濃厚興趣，是該課程教學(xué)的一個重點，也是難點。因此，探索“無障礙人機交互技術(shù)”課程的有效教學(xué)方法[10]，對于提高康復(fù)工程專業(yè)本科生的教學(xué)質(zhì)量具有重要的意義。

1項目化體驗式教學(xué)探索

上海理工大學(xué)康復(fù)工程與技術(shù)研究所（系）擁有先進的康復(fù)器械實驗室。該實驗室是民政部神經(jīng)功能信息與康復(fù)工程重點實驗室和上海康復(fù)器械工程技術(shù)研究中心，配置有100多臺（套）先進的上肢、下肢、髖關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、手康復(fù)/外骨骼機器人、智能輪椅、智能假肢等康復(fù)工程實驗測試設(shè)備。在教學(xué)時，該實驗室設(shè)備可以面向本科生和研究生開放，這為面向康復(fù)工程專業(yè)的“無障礙人機交互技術(shù)”課程教學(xué)的探索與改進提供了便利。

“無障礙人機交互技術(shù)”是一門實踐性和應(yīng)用性很強的課程。在講授基本理論知識的同時，需要提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、加強學(xué)生的主動參與、注重對學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)。為此，基于實驗室的康復(fù)設(shè)備，提出一種以學(xué)生為中心、以問題為導(dǎo)向、以項目為評價的體驗式教學(xué)方法（見圖1）。在基于認知性人機交互估計人體運動意圖的基礎(chǔ)上，康復(fù)/外骨骼機器人帶動人體完成某種動作，在該物理性人機交互中，交互的安全性和可靠性是關(guān)鍵性要求。下面以物理性人機交互為例，來說明項目化體驗式教學(xué)的主要過程。

（1）以授課教師為主導(dǎo)，啟發(fā)學(xué)生提出物理性人機交互相關(guān)的問題，包括多種康復(fù)訓(xùn)練模式、基于運動信號和生機電信號的感知、物理性人機交互的安全性和可靠性的要求、人機協(xié)調(diào)控制要求、機器人柔順控制方法、阻抗（導(dǎo)納）控制的內(nèi)涵等。

（2）基于問題進行人機交互體驗，由康復(fù)設(shè)備帶動肢體完成一定的任務(wù)。在此過程中，可以充分了解運動意圖識別的信號源及信號分析、保證物理人機交互安全性的措施、多康復(fù)訓(xùn)練模式、人機交互中柔順控制參數(shù)的選取等。在此體驗中，也可以進一步提出問題。

（3）基于前期的人機交互式體驗，學(xué)生可以通查找資料、交流討論等方式，分析所提問題并部分解決問題。

（4）在理論教學(xué)方面，系統(tǒng)性地介紹基于運動號的感知與控制、基于生機電信號的感知與控制、面向康復(fù)的機器人（阻抗）導(dǎo)納控制以及阻抗參數(shù)的變化對人機交互的影響。

（5）通過人機交互體驗進一步理論教學(xué)內(nèi)容，并進一步解決提出的問題。

（6）根據(jù)運動意圖估計方式、阻抗（導(dǎo)納）控制設(shè)計方式、任務(wù)的不同構(gòu)建多個項目。將學(xué)生按項目分組，然后讓學(xué)生自主完成項目，并進行講解、分析。在此基礎(chǔ)上，可進一步進行人機交互體驗驗證方法的有效性，并加深對物理性人機交互的認識。

該教學(xué)方法以循序漸進、深入淺出地展開教學(xué)，可以將體驗式教學(xué)、實踐性教學(xué)與理論教學(xué)高度融合，可以大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、加深學(xué)生對課程理論內(nèi)容的理解。在學(xué)習(xí)視頻交互時，可讓學(xué)生體驗康復(fù)設(shè)備的虛擬現(xiàn)實技術(shù)并讓其領(lǐng)略視頻交互的魅力;在學(xué)習(xí)物理性交互時，可通過康復(fù)/外骨骼機器人讓學(xué)生體驗運動意圖識別的重要性，以及阻抗參數(shù)的變化對人機交互柔順性的影響，從而使其更好地理解阻抗參數(shù)的意義?；诖梭w驗式教學(xué)，可進一步向?qū)W生介紹虛擬現(xiàn)實、意圖識別、柔順控制背后的科學(xué)技術(shù)知識，為學(xué)生探索科技的奧秘打下良好的基礎(chǔ)。

2? 成績評定方法

該課程成績考核以問題總結(jié)和項目實施報告為考核依據(jù)，成績等級分為優(yōu)、良、及格、不及格。百分制評分標(biāo)準(zhǔn)如表 1 所示。

上述以學(xué)生為中心、以問題為導(dǎo)向、以項目為評價的體驗式教學(xué)方法在小組進行試驗，并且得到了學(xué)生的高度認可，認為該模式把人機交互技術(shù)、實踐、交互體驗等有機結(jié)合起來，凸顯了康復(fù)工程專業(yè)的特色，有效提高了學(xué)生提出問題、分析問題、解決問題的能力。

3結(jié)語

“無障礙人機交互技術(shù)”課程是康復(fù)工程專業(yè)的一門專業(yè)必修課?；诳祻?fù)工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，本文提出一種以學(xué)生為中心、以問題為導(dǎo)向、以項目為評價的體驗式教學(xué)方法，進行視覺人機交互、聲音人機交互、感觸人機交互、物理人機交互的體驗與項目實施，可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)的主動性以及解決問題的能力。

參考文獻

[1] 胡勇.“人機交互技術(shù)”課程教學(xué)探索與實踐[J].教育教學(xué)論壇，2017，45：159-161.

[2] 瞿軍.基于生物電信號的人機交互技術(shù)及其在虛擬現(xiàn)實中的應(yīng)用研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2019.

[3] 倪得晶.面向空間機器人要操作的環(huán)境建模與人機交互技術(shù)研究[D].南京：東南大學(xué)，2018.

[4] 孟祥旭，李學(xué)慶，楊承磊，等.人機交互基礎(chǔ)教程（第三版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2016.

[5] 羅澤仁.科學(xué)技術(shù)哲學(xué)視域下的人機交互技術(shù)研究[J].科技資訊，2020，15： 9-10.

[6] 王千秋，李晶.軟件工程專業(yè)中《人機交互技術(shù)》課程的教學(xué)研究[J].課程教育研究，2017（42）：232.

[7] 張西廣，樊銀亭.軟件工程專業(yè)人機交互課程體系設(shè)計探討[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2018，26：213-215.

[8] 侯增廣，趙新剛，程龍，等.康復(fù)機器人與智能輔助系統(tǒng)的研究進展[J].自動化學(xué)報，2016，42（12）：1765-1779.

[9] 李素姣，喻洪流.針對研究生的《康復(fù)工程概論》創(chuàng)新性教學(xué)方法探索[J].醫(yī)學(xué)教育研究與實踐，2018，26（2）：254-257.

[10] 李寧，劉峙.基于信息化背景下《數(shù)控車工》課程教學(xué)模式改革的探索[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2020，20：222-224.

3623500589281