防睡一體化課桌椅創新設計研究

倪江忠

摘要：本文從課桌標準、人機工程學和現有專利技術等方面開展研究，嘗試為大學生設計一種基于人機工程學的防睡課桌椅。該防睡課桌椅既可防趴睡，又可有效防止打盹或者靠在椅背（扶手）上睡覺，是對課桌標準和防止學生課堂睡覺的一種補充和完善，可實現多樣化防睡。

關鍵詞：人機工程學;防睡;課桌;創新設計

中圖分類號：TS664 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2019）08-0071-02

2017年7月，《人民日報》刊登過一篇“沉睡中的大學生：你不失業，天理難容”。2018年10月，湖南環境生物職業技術學院發布通告，決定對學業成績沒有達到要求的22名學生進行清退;11月，985名校華中科技大學發布通告，決定把18名學生的本科學歷轉成專科。如何喚醒沉睡中的大學生，成為社會關注的焦點，本文嘗試為防止大學生課堂睡覺創新設計一種基于人機工程學的防睡課桌椅。

1高等院校課桌椅標準解讀

2014年12月，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局和中國國家標準化管理委員會發布《學校課桌椅功能尺寸及技術要求》（GB/T 3976-2014），2015年5月1日實施。在“高等院校課桌椅”篇中規定：在高等院校中只設一種高度的課桌椅，男女通用，品種分固定式課桌椅（適用于階梯教室，也適用于平面教室）和非固定式課桌椅（適用于平面教室）。由于地域、遺傳、飲食和體育鍛煉等因素，學生個體身高存在差異。身高決定小腿加足高、肘高等不同因素，故學生個體對課桌和椅子舒適的高度不同，男生與女生差異就更大。而國標規定只設一種高度課桌，男女通用，容易造成大部分學生因為課桌椅不符合人機工程學而引起不舒適，容易產生疲勞，導致在課堂上打瞌睡，甚至睡覺。設計一種適合不同人群、不同性別的課桌已迫在眉睫。

2現有防睡課桌的局限性

現有防睡課桌大多是一種防趴睡，多采用壓力原理，通過語言提醒、桌面升降、傾斜等實現，但還有一部分同學坐著打盹或者靠在椅背（扶手）睡覺就不能有效防止。比如一種防睡桌子優點是結構簡單，缺點是只能防趴睡，不能防止學生坐著打盹或者靠在椅背（扶手）上睡覺。

3防睡課桌椅創新設計實踐

3.1防睡課桌椅設計原理

人的眼睛近似球形，包括鞏膜（眼白）、瞳孔、虹膜及角膜等幾個主要部分。人眼虹膜是位于黑色瞳孔和白色鞏膜之間的圓環狀部分，其包含很多相互交錯的斑點、細絲、冠狀、條紋、隱窩等的細節特征。虹膜在胎兒發育階段形成后，在整個生命歷程中將是保持不變的，具有唯一性，可作為身份識別的標識，如圖1所示。防睡課桌創新設計正是利用人眼虹膜的唯一性和特殊的條紋作為搜索對象，輔以微型處理器判斷人眼虹膜是否處于搜索范圍，以確定人是否處于睡覺狀態。

3.2防睡課桌椅功能尺寸設計

國際人類工效學學會為人機工程學下了最有權威、最全面的定義：即研究人在某種工作環境中的解剖學、生理學和心理學等方面的因素;研究人和機器及環境的相互作用;研究在工作中、家庭生活中和休假時怎樣統一考慮工作效率、健康、安全和舒適等問題的學科。人機工程學最大特點在于將人一機—環境作為一個系統來設計。

從人機工程學的角度研究課桌椅，主要是把人、課桌椅和環境作為一個系統來研究，重點考慮人在使用課桌椅時的舒適性、健康性和安全性三個方面的問題。課桌椅功能尺寸決定人在使用過程中是否舒服，須重點研究課桌面高度和課椅面高度兩個尺寸。《學校課桌椅功能尺寸及技術要求》（GB/T 3976-2014）規定高校固定式課桌椅和非固定式課桌和課椅主要尺寸如表1。

首先來研究課椅面高度：如果課椅面太高，人的腳無法著地，將壓迫大腿神經，導致腿部麻木;如果課椅面太低，人的小腿必須彎曲或者前伸，容易引起疲勞或者不舒服。國標GB10000-88是1989年7月開始實施的我國成年人人體尺寸國家標準。該標準共提供了七類共47項人體尺寸基礎數據，從提供的表中查詢坐姿人體尺寸：小腿加足高，百分位數為P5的人群男性為383mm，女性為342mm;百分位數為P50的人群男性為413mm，女性為382mm;百分位數為P95的人群男性為448mm，女性為405mm;再查詢正常人著裝身體尺寸修正值：鞋高修正量為：25—38mm，著裝衣服修正量為3mm。以課椅面高度計算為例：課椅面高度=小腿加足高+鞋高-著裝修正量，具體計算過程見表2。

從表2可以得出：課椅面高度差達95mm左右。在人性化設計的今天，高度可調或者多種型號桌椅成為必然趨勢。現今GB/T3976-2014中規定高校固定式或非固定式課椅面高度只有一種為410+10mm，僅能適用偏矮的男性和中等高的女性。

繼續研究桌面高度：桌面過高，人的雙手將上抬，腰椎前突;桌面過低，人的雙手將下放，腰椎后突。無論腰椎前突或者后突，腰弧曲線都處于非正常狀態。一旦脊椎偏離自然狀態，肌腱組織就會受到相互壓力（或拉伸）的作用，使肌肉活動度增加，導致疲勞，甚至將椎間盤從腰椎之間擠出來，壓迫中樞神經，產生腰部酸痛、疲勞等不適感。人體各種不同姿勢下所產生的腰椎曲線如圖2，想要獲得與腰椎幾乎一致的腰弧曲線，軀干與大腿之間必須大于90°的角度，如圖2中F腰弧曲線。為保持正常的腰弧曲線，可采取座面適當前傾，這樣更加適合工作、學習等有一定精度要求的工作。座面傾斜角度建議為10°左右，如果靠背后傾5°左右，則相當于座面與靠背夾角為105°，這是坐姿要求的最少舒適角度。為防止坐著從座面滑脫，坐者需用腿部抵住地面，而—體化課桌椅剛好利用課桌底座與地面高度差實現坐者前滑。

3.3防睡課桌椅構成

防睡課桌椅包括課桌和座椅，兩者為一個整體。桌面上裝有攝像器材、警示燈、課桌升降按鈕和椅子升降按鈕，桌面內裝有微型處理器（包括蓄電池、開關、圖像處理器），課桌和椅子下都裝有升降彈簧裝置;攝像器材、課桌升降按鈕和椅子升降按鈕與微型處理器連接，微型處理器再分別與桌面警示燈、課桌下彈簧升降裝置和椅子下升降彈簧裝置連接;連接件起到傳達數據作用，如圖3所示。

從人機工程學的角度設計一款舒適的課桌椅，桌面和座面高度應該都為可調。從表2可知座面高度最低為375mm，最高為470 mm，可調高度為95mm;從表1可知桌面高度與座椅椅面高度差少于等于320mm，故桌面高度最低為695 mm，最高為790mm。

3.4防睡課桌椅的使用

在使用防睡課桌椅前，需提前采集學生人眼虹膜數據，數據采集完成后可通過網絡傳輸到每張防睡課桌椅。學生上課前需先調整防睡課桌椅課桌的高度，先按桌面高度調節按鈕，調整桌面高度至適合學生舒適的高度：按一次桌面往上上升，連續按兩下，桌面往下下降，當上升或者下降到合適高度是，再次按按鈕，桌面停止升降;同理可以按座椅升降按鈕調整座椅面高度以適合學生坐姿的高度。課堂上，桌面攝像器材開始對人的頭部進行拍攝，并將拍攝到的圖像傳輸到微型處理器，微型處理器對搜索到的人眼虹膜進行判斷。如果圖像中虹膜連續存在，說明學生處于正常聽課狀態，不做任何操作;如虹膜間斷或連續1分鐘在圖像中搜索不到，桌面開啟警示燈，學生察覺到警示燈亮，必須及時調整好姿勢或者狀態，警示燈熄滅，若學生置警示燈亮而不顧或者處于睡覺狀態，5分鐘內無法繼續搜索人眼虹膜，微型處理將發出指令啟動座椅彈簧裝置升降裝置，甚至旋轉，以實現防睡目的。

4總結

基于人機工程學的防睡課桌椅創新設計，通過對人眼虹膜的搜索，借助微型處理器對搜索到的圖像進行處理，從而判斷學生上課時所處的狀態，其優點：一是基于人機工程學設計座椅面和課桌面高度可調，是對國標（GB/T 3976-2014）一種補充和完善，大大提高產品使用的舒適度，能滿足各種百分位人群對功能尺寸使用的需求;二是有效防止打盹或者靠在椅背（扶手）上睡覺，是對學生課堂睡覺的一種補充和完善，實現多樣化防睡。

雖然該防睡課桌椅提高了舒適性和實現了多樣化防睡，但也存在自身不足：成本相對比較高，推廣和普及存在一定困難。針對以上不足，筆者認為在現有技術條件下可以在一定范圍內對部分人群使用，比如一個教室放置5—10臺左右，專門用于那些在課堂上經常睡覺的學生。