APP技术在人机工程学教学中的应用研究

    匡绍龙

    

    

    

    摘? 要 提出设计一款基于人机工程学评估方法的APP软件并将其应用于课堂教学，以提高学生应用所学知识解决实际问题的能力。实践表明，基于APP的教学不仅能提高学生的学习积极性与创造力，而且可以加深他们对于知识的理解与掌握，同时解答因教学学时不足导致的学生对应用的困惑。

    关键词 人机工程学;APP;快速全身评估

    Abstract The study proposes to design an APP software based on ergonomic evaluation methods， which can be applied to classroom teaching to develop students ability to solve practical problems based on learning knowledge. Practice shows that APP-based tea-ching can not only improve students' enthusiasm and creativity， but also deepen their understanding and mastery of knowledge. Besides， their confusion about application of knowledge caused by limited teaching time is removed.

    Key words ergonomics; APP; rapid entire body assessment

    1 引言

    人机工程学是一门多学科交叉的综合性学科[1]，涉及解剖学、生理学、心理学、工程学等多个学科，主要研究人—机—环境之间的相互作用，为提高设计产品的使用功效、适度以及安全性提供理论和方法的指导[2]，表1所示为其基础课程体系。该课程教学的目的是使设计类专业的学生在产品设计中合理地考虑人的因素，从而实现人机协调[3]。作为一门专业基础课程，人机工程学在课程体系中具有较为重要的地位。

    传统的授课形式基于长期以来的经验沉淀[4]，以教师的课堂讲授为主，缺乏鲜活的案例支撑以及新颖的呈现方法[5]。人机工程学如此繁杂的教学内容和体系，对于大多数学生而言，单凭课本知识和教学授课，无法理解如何应用这些知识进行人机工程的设计和评估。此外，在整个教学过程中，学生处于被动接受知识的位置，很难激发学习兴趣[6]，学习的积极性以及主观能动性都无法被调动，无法做到将所学知识与自身专业进行结合，发挥创新能力。最终，在实际产品设计中往往无法有效利用相关设计理论与原则。人机工程学学习的最终目标是应用于设计实践，而传统的教育方式已经违背了此目的[1]。当前，为提升教学质量，促进学生对于知识的内化吸收及应用，对于教学方式的改革刻不容缓 [7]。

    实际上，移动智能终端和互联网的高覆盖普及极大地影响着教学方式与手段的变更，如在地质教学和教育技术学课程教学中便较早地应用了APP软件，取得良好的教学效果。手机APP引入教学，一方面，学生能够接收和采纳新的媒体技术以及新的学习方式，对数字化学习形式认可并积极采用;另一方面，以APP为代表的高等教育移动教育资源日趋丰富，能够在各个方面满足当代大学生的多元化需求[8-9]。

    本文以现有教学改革经验为指导，提出一种借助APP授课的教学模式，结合人机工程学相关理论与原则设计一款手机APP软件，并将其用于课堂教学。在课堂上利用APP将人机工程理论以更加生动鲜活的方式展示出来，避免了传统教学方式的枯燥，有利于调动学生学习的积极性以及主观能动性。同时，基于APP界面本身设计的讲解有助于加强学生对人机交互设计中界面显示布局等专业标准的理解。

    2 人机工程学常用评估方法及基本原理

    人机工程学常用评估方法? 体力工作负荷评估是人机工程学关于体能工效学教学的一个重要内容，主要用于评估工人体力作业负荷，量化肌肉骨骼风险敏感度，最终计算得到作业强度等级，并用于工作改善。在人机工程学中，有多项指标用于评估整个作业过程的合理性，主要从人体能量消耗、能量代谢率、劳动强度指数、生理疲劳度、作业时间以及作业姿势等角度进行评估。鉴于客观评价需要昂贵的设备，并且无法真正用于实际生产过程中的评估，因而半量化的主观评估方法是直接的并且容易实现的手段，比如常见的人体作业评估方法有WMSDs、OWS、RULA、REB等[10]。而这些评估方法主要基于现场作业姿势以及作业的负荷进行量化评分，手工操作过程复杂且计算烦琐。如果开发成APP，即可经过一系列简单的操作完成评估，还能在各种场合进行应用，极大提高学生兴趣，加深对人机工程学的理解。

    这里以快速全身评估（Rapid Entire Body Assess-ment，REBA）技术开发和应用为例，进行介绍。本APP的开发，一方面可以对APP界面开发过程中具体涉及的人机工程知识进行理解;另一方面可以利用APP具体评估结果进行相关人体工程学理论讲解，通过将课本中的理论知识与实际设计相结合，帮助学生进一步巩固所学知识。整个教学实践流程如图1所示。

    REBA评估法原理? REBA是通过主观观察人身体所有部位（手腕、上臂、下臂、颈部、躯干和腿部）的姿势，而确定工作对人体损害程度的一种评估方法，其评估流程如图2所示。

    REBA方法将人体分成两组。其中，躯干、颈、腿分成一组，根据三个部位的角度以及负荷情况分别打分，并将打分结果进行统计;上臂、下臂和腕部为另外一组，根据手臂和腕部的摆动角度结合与手部耦合结果分别打分统计。两部分的评分标准如图3所示，最后根据A、B两部分分值得出总分。

    随后，根据体能工效学原理，考虑肌肉骨骼系统结构与功能和生物力学模型，得出不同的工作状态下活动得分情况，进而将总得分与活动得分综合得出最终的REBA评分结果，根据结果分值情况判定出操作者所处的风险等级，如圖4所示。

    3 REBA评估方法的APP设计

    APP设计与实现? 本文设计的REBA评估软件，基于Android Studio软件，采用Java 1.8.0_162进行开发。在APP图标及交互界面设计中，根据人因工程设计原理，仍然需要考虑视觉显示器设计、控制器及数据输入等因素。另外，为了设计出更和谐美观的界面，需要考虑的主要因素包括：静态显示器、动态显示器设计的基本原理;显示与运动兼容性的要求;显示器与控制器综合布局下的基本原则等。最终，软件以简洁形象的手绘工人的卡通图像为图标，针对六个不同部位分别设计多种姿势角度图标，用户只需根据自身的姿势情况按照步骤手动选择对应的图标，即可准确地测出动作分值和测评结果并直接获得反馈。

    APP采用Bottom Navigation Activity底部导航，主要包含使用方法、开始测试、历史记录三个模块。测试功能是核心的内容，点击“开始测试”按钮进入REBA测试模块;然后只需根据测试者实际姿态完成对A、B两部分选择勾画即可，点击确认按钮，软件开始进行自动评分;REBA的最终得分可以通过点击下方的“历史记录”选项进行查看，方便用户进行动作改善与评估。测试过程及结果如图5所示。

    人机工程学APP课堂实验? 人机工程学评估APP设计完成后，将其拿到教学课堂上用于教学。首先结合此软件设计流程与工作原理对相关理论知识进行讲解，使学生通过实际案例学习人机工程学设计理论;之后让学生在课堂上模拟一种车间工作时重复较多的姿势，通过相机拍取并进行实际测评，利用深度学习图像标注工具VIA（VGG ImageAnnotator）软件标注人体关键关节点位置，便于角度信息的准确获取;然后利用REBA软件进行测评，结果如图6所示，与人工计算具有一致性，由此可以证明此APP的有效性;最后，根据APP评估结果回顾软件分析过程中所用人机工程学的理论知识，以此加深学生对于人机工程学评估理论的认知。

    4 总结与展望

    针对传统人机工程学教学过程中内容多且无法照顾到实际应用能力培养的问题，本文提出将庞杂的人机工程学理论以软件APP的形式展现，从而进行教学的方式。通过这种将实例引入课堂的方式，使原本抽象乏味的书本知识变得形象具体，提高了学生的学习兴趣，调动了其学习的积极性。同时，利用开发的人机工程学APP通过实验讲解的方式，加深学生对人机工程学原理以及人机界面设计的理解。

    利用APP方式对人机工程学课程教改只进行了初步尝试，从教学结果看，学生反应积极，能很快学会使用软件，并掌握如何开展相应作业场所的评估。未来，结合讲解过程中发现以及学生提出的意见，用人机界面设计的诸多方法对APP加以改进，同时提升学生对人机界面设计的理解和知识的应用能力。还可以让学生一起参与软件开发，这样可以充分发挥学生的创造力，鍛炼他们的动手能力，并且可以通过参与提升学习主动性。

    参考文献

    [1]李宗民，蔡小霞.以设计实践为主导的《人机工程学》课程教学改革与实践[J].工业设计，2018（10）：129-130.

    [2]张宇红.人机工程与工业设计[M].北京：中国水利水电出版社，2011.

    [3]陈祥林.工业设计人机工程教学改革实践[J].黑龙江教育：理论与实践，2018（12）：64-65.

    [4]赵维生，梁维.CDIO模式下安全人机工程学的教学方法探索[J].贵州农机化，2019（3）：35-37.

    [5]岳涵，徐靖涵.基于CDIO模式的工业设计人机工程学课程教学改革[J].中国冶金教育，2018（1）：27-28，31.

    [6]薛玉梅.浅析传统教育的弊端及改进策略[M]//中国教育学术论坛（第二卷）：中国教育教学丛书编委会专题资料汇编.2006.

    [7]刘刚田，陈卓.《人机工程学》研究生教育优质课程建设研究[J].轻工科技，2019，35（8）：172-173.

    [8]楼仁兴，李竑逵，沈阔，等.移动互联网环境下“地学导航”手机APP教学应用的思考[J].产业与科技论坛，2016，15（7）：170-171.

    [9]李玲.教育APP在高校课程教学中的应用研究[D].辽宁：渤海大学，2017.

    [10]李博.基于人机工程学的割灌机作业人体疲劳评估及实验研究[D].哈尔滨：东北林业大学，2018.