CDIO模式下安全人機工程學的教學方法探索

趙維生，梁 維

(貴州理工學院礦業工程學院，貴州貴陽 550003)

0 引言

安全人機工程學是從安全的角度和著眼點出發，研究“人—機—環境”的關系，運用人機工程學的原理和方法解決人機結合面安全問題的一門新型交叉學科，它既是人機工程學的一個重要分支，涉及人體測量學、光學、醫學、心理學、系統科學、社會學、管理學和工程技術學等學科理論和知識，又是安全工程學的重要分支學科[1]。

傳統教學模式基于長期以來的經驗沉淀，課堂交流較少，通常是教師一味地講授，學生通過聽課被動接受知識，教學過程顯得單調乏味，也很難激發學生的學習興趣[2]。安全人機工程這門新興交叉學科，因其涉及學科類型眾多，要求任課老師具有較豐富的知識儲備。缺乏引導、啟發和互動的教學模式已很難滿足安全人機工程學的教學效果，達到工程教育質量要求。

由瑞典皇家工學院和麻省理工學院等四所高校，歷時四年探索研究后創立的CDIO工程教育模式，是近年來國際工程教育改革的最新和最先進研究成果之一[3]。CDIO工程教育模式在我國已經歷十余年的發展與推廣，并于2016年在汕頭成立“CDIO工程教育聯盟”。目前，我國有100余所高校參與了CDIO工程教育模式研究與實踐工作。CDIO工程教育模式的通過其4個基本理念——構思(Conceive)、設計(Design)、實現(Implement)和運作(Operate)，將課程內容與實際生活和工程問題有機結合，有效促進工科學生積極主動的思考和學習[4]。

礦業在我國經濟發展和社會建設中起基礎性的支撐作用，采礦過程中的安全問題越來越得到重視。近年來，我國開始推廣智能化采礦機械，亟需一批安全人機工程的專業工程技術人才。基于CDIO基本理念，根據安全人機工程學的主要教學內容，以實際工程機械產品的設計為導向，將專利和科研等成果申報作為激發點，培養學生學習、思考和創新的積極性與能動性，并提高教學質量。

1 傳統教學過程中存在的問題

安全人機工程學是一門新型交叉學科，涉及的學科門類相對較多，影響課程教學質量的主要因素有：授課老師的知識面、教材內容及案例分析、學生學習的積極性。

授課老師的知識面是影響安全人機工程學教學質量的最根本因素，由于本課程所涉及的學科門類較多，要求任課教師具有較為廣闊的知識面，并能較好的與課程所對應的章節內容進行融合貫通。相反，若采用傳統的教學手段，照本宣科，講授過程中枯燥乏味，難以將書本知識表達清楚，且不能將原理等知識與礦業工程學科進行有機結合。

其次，教材更新速度通常遠滯后于社會經濟的發展速度，書本上原理性闡述較多、案例少且缺乏新意，新印刷的教材往往也是新瓶裝舊酒，課程內容涉及的學科門類多、教材篇幅有限、案例分析老舊、案例與礦業學科專業脫節等問題通常也是新出版教材的一個通病。

另外，學生在上述機械式傳統被動的教育模式下，由于缺乏刺激、交流和激勵等機制，學習的積極性和主觀能動性得不到充分體現，同時易導致學生對學習產生抵觸情緒，且所學知識與所學專業不能有機結合，不利于專業技術人才培養。

2 CDIO模式與安全人機工程學結合

將CDIO工程教育模式的基本理念(即：構思、設計、實現和運作)運用到安全人機工程學的課堂教學上，并將相關熱點的人機系統問題作為案例進行分析，彌補教材上案例的單一性和枯燥特點，同時可充分調動學生學習、思考、討論和分析問題的積極性和主觀能動性。CDIO工程教育模式下安全人機工程學的教學方法示意圖，如圖1所示。

3 CDIO模式下的教學案例

3.1 案例一

在講授“人的視覺及其特征”部分內容時，需介紹暗適應和明適應的概念，如果僅按照教材文字進行論述，學生理解起來比較抽象，印象不會很深刻。根據CDIO工程教育模式中的“構思”理念，通過現實案例提問，誘導學生積極主動思考什么是暗適應和明適應，可提出如下兩個問題。問題一：為什么在駕車進入隧道前通常要減速，礦井工人被營救上井后為什么要把眼睛蒙住？被問題二：瞳孔與相機光圈有什么相似之處，為什么大光圈鏡頭手機比較受大眾喜歡？當學生完成思考和討論后，再對上述問題進行解釋，更加有利于學生對該知識點的掌握并留下較為深刻印象。課后思考問題，在進行礦井智能化機械的攝像頭設計時，該攝像頭的光圈值是大點好還是小點好？

圖1 CDIO模式與安全人機工程學

3.2 案例二

在講授“人機界面設計”部分內容時，考慮到“人機系統模型”和“三要素基本模型”比較抽象，同時為了提高課堂的教學氛圍，實現寓教于樂的教育理念，根據CDIO工程教育模式中的“設計、實現和運作”理念，以曾廣為大家熟知的“鐵路12306驗證碼的辨識難”事件作為人機界面設計的典型案例，引入人機界面設計的重要性，并提出問題，請學生分析鐵路12306驗證碼識別的優缺點，有沒有更好的優化方案？通過提問，充分發揮學生學習的主觀能動性，并以該案例的組成部分，介紹人、機、人機界面、人機系統和人機界面三要素的定義和概念。

在開展信息顯示裝置、視覺顯示裝置、聽覺顯示設計、控制器的設計和布置等內容講授時，結合礦業工程的學科特色向學生提問，如開展礦井化機械設計，考慮礦井生產過程中的噪聲、粉塵和高溫高濕環境下，如何進行人機界面的設計和布置。

4 課程考核方式

針對原有安全人機工程學的課程考核方式相對呆板、缺乏靈活性和科學性等問題，根據CDIO模式下的教學理念，考慮了不同學生的特點，為充分發揮學生學習的主觀能動性，在保留傳統的課程考核方式的基礎上，提出了一種新的考核方式，即：加大了實踐作業環節和課堂互動環節的比例，相應降低期末試卷成績所占的權重，如圖2所示。

圖2 兩種課程考核方式

學生根據自身情況自主選擇考核方式，對于新的考核方式，重點考察學生實踐動手能力，要求學生根據礦業學科特點和本課程涵蓋的知識點，進行礦業類安全人機工程系統設計，借助大學生創新創業平臺，開展大創課題申報、專利申報或實物設計(三選一)，提交申報或設計成果，任課教師從安全人機工程學所涉及的人機系統類型、人機界面設計和人機系統尺寸等方面進行實踐作業的考核打分。

5 結語

采用最新發生的社會事件和最新的科技創造成果對課程內容中枯燥單一的原理性解釋進行闡述分析，做到課程講授內容的與時俱進和生動活潑，尤其對于人機界面設計、作業疲勞、人的特征、作業環境和作業空間、機的特性與可靠性等內容方面，將最近發生的人機系統事故等新聞熱點作為案例進行分析講解，一方面將課本內容與最新現實案例充分結合，另外一方面利用熱點新聞或消息，更利于提高學生學習的積極性，充分調動學習和課堂交流互動氛圍，彌補教材更新過程中存在的不足問題，對最新熱點人機事故案例分析后，再對課本內容和知識點進行分析總結歸納，將該知識點與本學科(礦業工程)發展動態相結合，尤其是對于國家推動發展煤礦智能化機械過程中，將所涉及到的各種智能化煤炭開采人機系統問題作為案例提出，根據CDIO工程教育模式的基本理念，供課堂教學、分析和討論所用，以大學生創新創業項目為平臺，以專利和科研成果申報為誘導，充分調動學生學習的主觀能動性，提高課堂教學質量。