吳 希

河南工學(xué)院管理學(xué)院

人因工程課程設(shè)計是人因工程課程的重要實踐環(huán)節(jié)，主要面向工業(yè)工程、工業(yè)設(shè)計、機械制造、藝術(shù)設(shè)計等專業(yè)學(xué)生開設(shè)，是在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，綜合運用所學(xué)知識，讓學(xué)生發(fā)揮主觀能動性，發(fā)現(xiàn)實踐中存在的“人-機-環(huán)境”問題，并制定解決方案，從而完成人、機和環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計和改善的基本訓(xùn)練。

一、人因工程課程設(shè)計教學(xué)現(xiàn)狀

人因工程課程設(shè)計的教學(xué)目的就是讓學(xué)生在教師協(xié)助和指導(dǎo)下，通過選擇適當(dāng)?shù)念}目，利用人因工程的基本理論、方法、技術(shù)和工具，進行深入研究，完成完整的實踐環(huán)節(jié)，力求使學(xué)生在理解和掌握理論知識的基礎(chǔ)上，充分調(diào)動起積極性，發(fā)揮想象力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、合作能力和獨立思考解決問題的能力。

1.教學(xué)開展受到局限。

目前開設(shè)該課程設(shè)計的高校大多都采用時長為一周或兩周的集中實踐形式進行，具體要求學(xué)生使用相關(guān)設(shè)備采集人-機-環(huán)境數(shù)據(jù)進行分析，并根據(jù)分析結(jié)果提出優(yōu)化改善方案。國內(nèi)對于人因?qū)W科的研究相對于國外而言起步較晚，在應(yīng)用領(lǐng)域積累的典型案例數(shù)量有限，學(xué)生在參考和借鑒時，方向和思路容易難以創(chuàng)新。學(xué)生可從事的課程設(shè)計任務(wù)包括生產(chǎn)環(huán)節(jié)和日常生活兩方面，由于時間限制無法在生產(chǎn)現(xiàn)場實踐，所以針對生產(chǎn)環(huán)節(jié)設(shè)計的學(xué)生較少，更多的學(xué)生選擇生活或?qū)W習(xí)中發(fā)現(xiàn)的問題進行研究，除了設(shè)計內(nèi)容重復(fù)雷同外，研究的深度和廣度也受到影響。

2.確定課程設(shè)計任務(wù)困難。

按照培養(yǎng)計劃安排，人因工程課程設(shè)計通常設(shè)置在人因工程理論課程完成后進行，該課程是一門由人體科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、工程技術(shù)和管理工程相互交叉融合的新興邊緣學(xué)科，所以涉及的內(nèi)容廣泛且繁雜。于是，學(xué)生在選擇課程設(shè)計題目和內(nèi)容時，僅有少數(shù)平時注重日常積累的學(xué)生可以快速確定方向，并著手開始設(shè)計任務(wù)，更多的學(xué)生前期缺乏深入思考和資料儲備則較為盲從，覺得掌握了知識點，有不少可以設(shè)計或改善的任務(wù)，卻不知道該從哪里下手，也有學(xué)生迫于時間壓力匆忙上手，做到半截才發(fā)現(xiàn)無法進行下去，只好再次從頭做起。

3.學(xué)生實操能力一般。

通過前期教學(xué)實踐和調(diào)研發(fā)現(xiàn)，人因工程課程教學(xué)中，教師普遍采取“課上講授為主、少量課內(nèi)實驗為輔”的方式，學(xué)生在課堂上大多處于被動接受的學(xué)習(xí)狀態(tài)，教師要完成授課內(nèi)容就無法給學(xué)生留有充分參與的機會和足夠的思考時間，學(xué)生雖然已經(jīng)完成相關(guān)理論知識點的學(xué)習(xí)，但是缺少對課程的興趣和主動性，并未從理念上樹立起人因意識，很難及時發(fā)現(xiàn)和捕捉到身邊的不合理設(shè)計。加之學(xué)生普遍缺乏實踐經(jīng)驗，在這樣的情況下開展課程設(shè)計，即使學(xué)生順利找到合適的切入點，教師也給予一定指導(dǎo)，但要求其在設(shè)計研究中能夠?qū)⒅R點融會貫通來解決現(xiàn)實問題，對于部分學(xué)生來說還是面臨很大困難。

二、基于Jack的人因工程課程設(shè)計

1.選用Jack軟件作為課程設(shè)計實現(xiàn)工具的依據(jù)。

人因工程的綜合型和設(shè)計型課程設(shè)計任務(wù)需要借助真實的工作場地來完成，耗時長、成本高、風(fēng)險大、實驗結(jié)果難以量化并且精度不高。[1]在人因分析的過程中，本質(zhì)上是分析人在進行某一項工作時身體的靜態(tài)與動態(tài)特性的最大能力范圍，以此判斷這項工作是否符合人的特性。[2]

Jack軟件是西門子工業(yè)軟件有限公司旗下的一款人因工程分析軟件，通過創(chuàng)建全真的三維數(shù)字仿真并且利用權(quán)威的人因工程分析工具對仿真進行分析，可以對環(huán)境和產(chǎn)品進行人因評估。[3]相較于市面上其它虛擬仿真軟件，Jack既涵蓋大部分軟件所具備的自行構(gòu)建生產(chǎn)環(huán)境、給數(shù)字人指派工作任務(wù)等功能，更強調(diào)通過虛擬仿真數(shù)字人在“人-機-環(huán)”交互中的行為表現(xiàn)來分析獲取人因數(shù)據(jù)，從而為評價及改善環(huán)境和作業(yè)設(shè)計提供依據(jù)。

2.基于Jack的人因工程課程設(shè)計。

課程設(shè)計中，教師負責(zé)設(shè)計指導(dǎo)工作，包括對Jack軟件操作方法的講解和指導(dǎo)學(xué)生個人操作練習(xí)；學(xué)生是設(shè)計的主體，需要發(fā)揮主動性和創(chuàng)造力，發(fā)現(xiàn)并解決現(xiàn)實問題。

（1）教師指導(dǎo)設(shè)計部分。根據(jù)教學(xué)大綱，結(jié)合Jack軟件特點，最終確定通過五個教學(xué)模塊（如表1所示），分步驟講授Jack的基本操作方法和技巧，并要求學(xué)生現(xiàn)場完成指定操作任務(wù)，如發(fā)現(xiàn)問題及時解決。

表1 教師指導(dǎo)設(shè)計部分具體安排

模塊一（創(chuàng)建并調(diào)整數(shù)字人）：創(chuàng)建數(shù)字人并命名-用鼠標(biāo)調(diào)整數(shù)字人位置-調(diào)整數(shù)字人身體尺寸-設(shè)置數(shù)字人姿勢-操縱各身體部位-調(diào)整常見工作姿勢及狀態(tài)。

模塊二（器具設(shè)置）：插入并調(diào)整簡單設(shè)備及工具-設(shè)置設(shè)備與工具擺放位置和粘合方式-插入大型機械設(shè)備和數(shù)字機器人-操縱設(shè)備和數(shù)字機器人完成指定作業(yè)任務(wù)。

模塊三（數(shù)字人動態(tài)仿真）：數(shù)字人按指定任意曲線和方式行進-數(shù)字人伸出左手抓取放置在桌子上的小木塊至胸前-數(shù)字人攜帶小木塊身體旋轉(zhuǎn)90°-數(shù)字人行走至指定位置-數(shù)字人下蹲將小木塊放置在地上后站起。

模塊四（工作場景仿真）：搭建生產(chǎn)現(xiàn)場場景-數(shù)字人按指定路徑行進至操作臺前-數(shù)字人轉(zhuǎn)向電腦用左手按下數(shù)字機器人操作鍵-數(shù)字機器人抓取桌面上的小木塊并放置在傳送帶上-傳送帶將小木塊送入加工機器中。

模塊五（人因分析）：設(shè)置工作場景和數(shù)字人作業(yè)任務(wù)-Arm Strength Evaluation（臂力評估）-Fatigue Analysis（疲勞分析）-ForceSolver（受力分析）-Lower Back Analysis（下背部分析）-Manual Handling Limits（手工操作極限分析）-Metabolic Energy Expenditure（新陳代謝分析）-NIOSH（搬運受力分析）-Ovako Working Posture Analysis（工作姿勢分析）-Predetermined Time Standards（工作時間分析）-Rapid Upper Limb Assessment（快速上肢分析）-Static Strength Prediction（靜態(tài)強度預(yù)測）。

（2）學(xué)生自主設(shè)計部分。人因工程課程設(shè)計要求學(xué)生根據(jù)自身的興趣，自主選擇某一生產(chǎn)現(xiàn)場存在的人因工程問題，使用Jack軟件進行虛擬仿真，運用所學(xué)的人因工程學(xué)理論知識，對仿真結(jié)果進行可行性分析，指出不合理的地方，并給出改進優(yōu)化建議。

課程設(shè)計的具體時間安排如表2所示，在整個過程中，要求學(xué)生在理解和掌握操作設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，勤加練習(xí)，反復(fù)嘗試，充分發(fā)揮想象力，鼓勵創(chuàng)新，如發(fā)現(xiàn)問題及時溝通解決。

表2 人因工程課程設(shè)計時間安排

人因工程課程設(shè)計最終要求提交設(shè)計報告書，具體包括四項內(nèi)容：（1）總體描述，闡述所設(shè)計的場景、數(shù)字人、任務(wù)等；（2）具體內(nèi)容，詳細陳述實現(xiàn)步驟、展示設(shè)計成果（狀態(tài)截圖及設(shè)計文件）；（3）設(shè)計任務(wù)的人因分析，選擇1-2種人因分析工具進行分析，并根據(jù)結(jié)果進行任務(wù)評價和改善建議；（4）總結(jié)，對完成課程設(shè)計過程中的收獲和體會進行思考，并歸納形成文字。

三、部分學(xué)生課程設(shè)計成果展示

圖1 部分學(xué)生課程設(shè)計成果截圖（一）

圖2 部分學(xué)生課程設(shè)計成果截圖（二）

四、結(jié)語

將Jack軟件應(yīng)用于人因工程課程設(shè)計，以“通過虛擬仿真出的生產(chǎn)現(xiàn)場和數(shù)字人動作流程進行人因分析并提出改善建議”的形式進行教學(xué)改革與實踐，已經(jīng)經(jīng)過兩個學(xué)年的教學(xué)嘗試和檢驗，教學(xué)效果良好，能調(diào)動和激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，學(xué)生普遍反映“既可以掌握虛擬仿真軟件使用和人因分析方法，又可以驗證自己設(shè)計的生產(chǎn)場景和人機環(huán)互動效果”。在之后的教學(xué)中，我們會繼續(xù)補充并優(yōu)化教師指導(dǎo)內(nèi)容，強化學(xué)生自主設(shè)計，自建并積累課程設(shè)計素材庫，爭取將人因工程課程設(shè)計打造成集專業(yè)性、實用性、創(chuàng)新性為一體的集中實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。