具有AI技術特征的人機工效學課程教學方法

曹曉東 龐麗萍 完顏笑如

[摘 要] 人工智能（AI）技術發展迅猛，在航空航天等眾多領域得到了廣泛的應用。高等院校作為大學生了解前沿知識的窗口，教學方式也需要適應時代發展現狀，將傳統的教學方法與新興的AI技術密切結合，以培養學生的新思維，這對高等院校的招生、培養和就業具有重要影響。主要對具有AI特征的人機工效實踐課程教學方法進行研究，并在航空航天人機工效課程體系中引入先進的AI技術，構建航空AI特征基礎教學理論方法，開發航空AI實踐課程操作系統，形成航空AI實踐課程教學與培養方案，提升人機工效課程的活力和對學生的吸引力。

[關鍵詞] 人機工效學;人工智能技術;教學方法

[基金項目] 2019年度北京航空航天大學本科教學改革項目“具有AI特征的人機工效實踐課程教學方法研究”（201950508）

[作者簡介] 曹曉東（1989—），男，河北樂亭人，工學博士，北京航空航天大學航空科學與工程學院副教授，主要從事人機環境控制研究;龐麗萍（1973—），女，黑龍江海林人，工學博士，北京航空航天大學航空科學與工程學院教授，主要從事飛行器艙室舒適性與人體效能評估研究;完顏笑如（1981—），女，河北涿州人，工學博士，北京航空航天大學航空科學與工程學院副教授，主要從事人機工效研究。

[中圖分類號] G642.41 ? [文獻標識碼] A ? [文章編號] 1674-9324（2021）26-0121-04 ? [收稿日期] 2021-03-21

人機工效學是一門具有較強工程應用性和多學科交叉性的學科，它應用系統工程的觀點，分析研究人與機器、人與環境以及機器與環境之間的相互作用[1-3]。人機工效實踐課程是人機與環境工程專業的一門專業課程。通過系統學習人機工效學課程理論知識，設計并完成人機工效實驗，學生能夠更加深入地理解知識，并汲取實踐經驗，這對于未來就業和提高解決實際問題的能力具有積極的意義。北京航空航天大學作為航空航天領域的專業學校，目前所涉及的人機工效學知識主要針對航空航天領域，人機工效實踐課程也主要針對航空航天領域的實驗操作。

人工智能（Artificial Intelligence，AI）技術被稱為21世紀的尖端技術之一，它作為計算機科學的一個分支，在近幾年得到了迅速發展。AI技術涉及數學、心理學、認知科學等多個學科，在很多學科領域都獲得了廣泛應用，并取得了豐碩的成果。在航空航天領域，許多空間站的工作涉及連續的實時過程控制，因此，AI技術被廣泛應用于空間系統的監視和診斷，為構造和操作更有效的命令和控制系統提供了可能[4，5]。北京航空航天大學的人機與環境工程專業在國內排名一直位居前列，人機工效實踐課程作為人機與環境工程的專業課程，面對科技時代的發展潮流，更需要引入如AI這樣的前沿知識和技術，與課程教學緊密結合，以激發學生的興趣，開拓學生的視野，培養學生的發散思維能力。

一、課程現狀分析

（一）人機工效學課程教學現狀

人機工效學課程集應用性和實踐性于一身，是一門新興的交叉學科，與心理學、測量學、力學等學科有著廣泛的聯系，因此，人機工效學與許多專業存在著緊密的聯系。對于工業工程專業來說，人機工效學課程的側重點在于培養學生的項目管理能力，建立學生的職業態度和藝術賞析能力等。對于工業設計專業來說，更加側重人機的協調性和交互感受。對于安全工程來說，人機工效學則注重于安全的設計和安全的人機交互內容。作為北京航空航天大學人機與環境工程專業來說，開設的人機工效學更加側重在航空航天領域的應用，并且擁有自己獨特的課程教學體系，在人機與環境工程專業課程體系中占有重要地位。在目前的課程教學體系中，以講授基礎理論知識和實踐實驗相結合的方式開展。在實踐實驗部分，以傳統的人機交互實驗為主，主要通過采集生理數據、主觀數據以及績效數據，在后期做分析和處理，使學生了解人機工效學實驗的大致流程以及基本處理方法。目前，由于實驗設備不夠充足、課程時長較短等客觀存在的問題，以及實驗流程簡單、單一等因素，實踐實驗在實際的課程教學中取得的效果并不明顯，學生對于課程的熱情度以及創新積極性不足，因此，需要改進課程內容來改善目前的課程狀況。AI作為目前比較前沿的科研方向，希望可以通過引入AI特征來改變課程教學中存在的一些問題，以便在人工智能背景下培養學生學習人機工效學課程的熱情，實現提高學生自主能力和創新能力的目標。

（二）AI技術應用于高等院校人機工效實踐課程教學的重要性

本科生在選擇專業時，就業前景是考慮的重要因素，所學內容是否符合時代發展是一個關鍵問題[6]。在當下社會，人工智能已經成為最前沿的研究方向之一。眾多高新技術企業和互聯網企業都設立了研究AI技術應用的部門，并提供了大量的就業崗位，因此，對于具有AI背景的復合型人才的需求不斷增加。由于AI技術的前沿性和本科生專業選擇的傾向性，高等院校的不同專業在教學過程中與AI技術進行緊密結合是一個發展趨勢。北京航空航天大學的人機與環境工程專業主要研究人與機器和環境的相互作用機理，具有鮮明的人工智能應用前景，將人機工效實踐課程提升為具有AI特色的專業課程，提高學生的專業能力和AI知識儲備，將成為吸引本科生的重要吸引點。因此，開展具有AI特征的人機工效實踐課程教學方法研究十分必要。

（三）AI技術應用于航空航天人機工效技術領域的重要性

在目前的航空航天領域，人機工效設計所涉及的操作任務與指揮控制系統都是通過駕駛員形成閉環的人機控制系統。按照該傳統設計理念，人機工效實踐課程主要針對如何優化設計操作界面與控制系統，以最大限度地提高駕駛員的操作效率。但是在新型航空航天飛行器中將面臨愈來愈復雜的決策以及更高強度的人機界面操作任務，單獨依靠飛行員的個人能力可能難以完成新型飛行任務。因此，必須尋求一種有效的人機融合技術手段，構造新型飛行員AI輔助系統，實現基于人機動態協同機制的智能飛行與控制系統[4，5]。該研究能夠將人機工效與AI設計技術完美結合，對于減輕飛行員任務負荷、提高人機效率以及特種戰場作業準確性都具有重大的意義。因此，以人機功能分配設計與實現為突破口，在人機與環境工程專業的人機工效實踐課程中，結合飛行AI助手特征，建設以人機工效學和AI技術為基礎、應用新型飛行器人機工效設計的課程體系，具有重要的教學改革意義。