基于Jack的人因工程課程設計教學改革研究

吳 希

河南工學院管理學院

人因工程課程設計是人因工程課程的重要實踐環節，主要面向工業工程、工業設計、機械制造、藝術設計等專業學生開設，是在理論學習的基礎上，綜合運用所學知識，讓學生發揮主觀能動性，發現實踐中存在的“人-機-環境”問題，并制定解決方案，從而完成人、機和環境系統設計和改善的基本訓練。

一、人因工程課程設計教學現狀

人因工程課程設計的教學目的就是讓學生在教師協助和指導下，通過選擇適當的題目，利用人因工程的基本理論、方法、技術和工具，進行深入研究，完成完整的實踐環節，力求使學生在理解和掌握理論知識的基礎上，充分調動起積極性，發揮想象力，培養學生的創新能力、合作能力和獨立思考解決問題的能力。

1.教學開展受到局限。

目前開設該課程設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，具體要求學生使用相關設備采集人-機-環境數據進行分析，并根據分析結果提出優化改善方案。國內對于人因學科的研究相對于國外而言起步較晚，在應用領域積累的典型案例數量有限，學生在參考和借鑒時，方向和思路容易難以創新。學生可從事的課程設計任務包括生產環節和日常生活兩方面，由于時間限制無法在生產現場實踐，所以針對生產環節設計的學生較少，更多的學生選擇生活或學習中發現的問題進行研究，除了設計內容重復雷同外，研究的深度和廣度也受到影響。

2.確定課程設計任務困難。

按照培養計劃安排，人因工程課程設計通常設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、環境科學、工程技術和管理工程相互交叉融合的新興邊緣學科，所以涉及的內容廣泛且繁雜。于是，學生在選擇課程設計題目和內容時，僅有少數平時注重日常積累的學生可以快速確定方向，并著手開始設計任務，更多的學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，有不少可以設計或改善的任務，卻不知道該從哪里下手，也有學生迫于時間壓力匆忙上手，做到半截才發現無法進行下去，只好再次從頭做起。

3.學生實操能力一般。

通過前期教學實踐和調研發現，人因工程課程教學中，教師普遍采取“課上講授為主、少量課內實驗為輔”的方式，學生在課堂上大多處于被動接受的學習狀態，教師要完成授課內容就無法給學生留有充分參與的機會和足夠的思考時間，學生雖然已經完成相關理論知識點的學習，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，很難及時發現和捕捉到身邊的不合理設計。加之學生普遍缺乏實踐經驗，在這樣的情況下開展課程設計，即使學生順利找到合適的切入點，教師也給予一定指導，但要求其在設計研究中能夠將知識點融會貫通來解決現實問題，對于部分學生來說還是面臨很大困難。

二、基于Jack的人因工程課程設計

1.選用Jack軟件作為課程設計實現工具的依據。

人因工程的綜合型和設計型課程設計任務需要借助真實的工作場地來完成，耗時長、成本高、風險大、實驗結果難以量化并且精度不高。[1]在人因分析的過程中，本質上是分析人在進行某一項工作時身體的靜態與動態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軟件是西門子工業軟件有限公司旗下的一款人因工程分析軟件，通過創建全真的三維數字仿真并且利用權威的人因工程分析工具對仿真進行分析，可以對環境和產品進行人因評估。[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建生產環境、給數字人指派工作任務等功能，更強調通過虛擬仿真數字人在“人-機-環”交互中的行為表現來分析獲取人因數據，從而為評價及改善環境和作業設計提供依據。

2.基于Jack的人因工程課程設計。

課程設計中，教師負責設計指導工作，包括對Jack軟件操作方法的講解和指導學生個人操作練習；學生是設計的主體，需要發揮主動性和創造力，發現并解決現實問題。

（1）教師指導設計部分。根據教學大綱，結合Jack軟件特點，最終確定通過五個教學模塊（如表1所示），分步驟講授Jack的基本操作方法和技巧，并要求學生現場完成指定操作任務，如發現問題及時解決。

表1 教師指導設計部分具體安排

模塊一（創建并調整數字人）：創建數字人并命名-用鼠標調整數字人位置-調整數字人身體尺寸-設置數字人姿勢-操縱各身體部位-調整常見工作姿勢及狀態。

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

模塊三（數字人動態仿真）：數字人按指定任意曲線和方式行進-數字人伸出左手抓取放置在桌子上的小木塊至胸前-數字人攜帶小木塊身體旋轉90°-數字人行走至指定位置-數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）：搭建生產現場場景-數字人按指定路徑行進至操作臺前-數字人轉向電腦用左手按下數字機器人操作鍵-數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）：設置工作場景和數字人作業任務-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（靜態強度預測）。

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

課程設計的具體時間安排如表2所示，在整個過程中，要求學生在理解和掌握操作設計方法的基礎上，勤加練習，反復嘗試，充分發揮想象力，鼓勵創新，如發現問題及時溝通解決。

表2 人因工程課程設計時間安排

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

三、部分學生課程設計成果展示

圖1 部分學生課程設計成果截圖（一）

圖2 部分學生課程設計成果截圖（二）

四、結語

將Jack軟件應用于人因工程課程設計，以“通過虛擬仿真出的生產現場和數字人動作流程進行人因分析并提出改善建議”的形式進行教學改革與實踐，已經經過兩個學年的教學嘗試和檢驗，教學效果良好，能調動和激發學生的創新意識，學生普遍反映“既可以掌握虛擬仿真軟件使用和人因分析方法，又可以驗證自己設計的生產場景和人機環互動效果”。在之后的教學中，我們會繼續補充并優化教師指導內容，強化學生自主設計，自建并積累課程設計素材庫，爭取將人因工程課程設計打造成集專業性、實用性、創新性為一體的集中實踐教學環節。