基于智能制造的人機工程學課程改革與實踐*

高慧 李江泳 余祥杰

湘潭大學機械工程與力學學院 湖南湘潭 411105

0 引言

近年來，信息技術與制造業的快速發展及深度融合，對全球制造業的發展形態產生了深遠影響。以智能制造技術為核心的新一輪科技革命與產業變革推動著制造業的轉型升級，呈現出“萬物感知、萬物互聯、萬物智能”的時代特征。智能制造與機器人產業將成為優先發展的戰略性新興產業，也是中國制造2049創新驅動發展的巨大引擎[1]。

人機工程學是講授以人為本設計理論和實踐的課程，是工業設計專業本科教學的核心課程之一，經過幾十年的發展，課程體系和教學模式逐步完善。隨著傳統制造的技術轉型和行業改革，制造系統中的人機關系向新型化、復雜化、多元化的方向轉變，在“智能制造”“工業4.0”“中國制造2025”等背景下高等教育教學需要及時調整內容，更新形式，對社會需求做出積極的響應。因此，以人機工程學為代表的應用類課程既面臨著機遇，同時也需要思考如何應對新形勢下教學改革和人才培養的挑戰。

1 智能制造與人的作用

智能制造系統源于人工智能的研究，是一種由智能機器和人類專家共同組成的人機一體化系統。它在制造過程中能進行智能活動，諸如分析、推理、判斷、構思和決策等。通過人與智能機器的合作共事，去擴大、延伸和部分地取代人類專家在制造過程中的腦力勞動[2]。

智能制造經歷了數字化、網絡化、信息化的發展，在其長期發展過程中，我國學術界提出了人—信息—物理系統（HCPS）的智能制造發展理論，強調人在系統中起著主宰作用。近年來，隨著設計理念的不斷更新，人們更加關注以“人”為中心的設計思想，同時由于大數據、物聯網、人工智能2.0等新一代信息技術的飛速發展，智能制造系統中“人的因素”越來越受到重視。智能制造未來的目標是以人為核心，使人在先進技術的支持下從事更有價值、更有樂趣的工作[3]。

2 智能制造與人機工程學

基于HCPS的智能制造發展理論指出，人在系統中起著主導作用。在整個智能制造系統中，人既是設計者、生產者，更是執行者、使用者，因此以人為本的智能制造（簡稱“人本智造”）是保障智能制造系統在全生命周期中安全、高效運行和維護的基礎，它正以強勁的姿態和速度受到學術界和行業的關注與重視，未來也必定成為智能制造發展的重要趨勢。

人機工程學是研究人—機—環境系統中三者相互關系的學科，通過采集人與機器在一定環境中相互作用所產生的行為、生理和心理等數據，分析人在整個人機交互過程中的感知、情緒和負荷，合理優化系統中的人機關系，從而使人能夠安全、健康、高效、舒適地工作、學習或生活。人機因素是設計工業產品時人機界面所必須考慮的因素，隨著人工智能的深入發展，未來的人性化設計具有更加全面立體的內涵，它將超越我們過去所局限的對人與物的關系的認識，向時間、空間、生理感官和心理方向發展，同時，通過現代高科技技術如虛擬現實、互聯網絡等多種數字化的形式而擴延[4]。

社會發展的脈搏傳遞給我們新的信息，即全新概念的人機關系和人機系統將給人機工程學課程帶來新的內容和活力。在智能制造時代，人在產品設計、生產、運行、維護直至報廢的整個生命周期中都是關鍵要素，人機和諧發展的問題也貫穿始終。因此，人與智能工具的關系、人機智能系統以及由此激發的人的創造性行為等具有創新性和前瞻性的內容都將是人機工程學課程新的研究重點和發展方向。

3 面向智能制造系統的人機工程學課程內容匹配

智能制造是“中國制造2025”戰略規劃的核心技術和主攻方向[5]，面向智能制造的人機工程是人機工程學在智能制造領域的應用，是基于對人、機器、技術和環境的深入研究，發現并利用人的行為方式、工作能力、作業限制等特點，通過對智能制造系統中相關工具和機器、任務和環境、人員安排等進行合理設計，以提高智能制造系統的效率、安全性、舒適性和有效性的工程技術領域[6]。

根據智能制造背景下人才需求的變化，人機工程學的課程內容需要重新思考和設計，以“強化能力，重在應用”為指導思想，培養具有實踐能力、發散思維、創新意識以及綜合解決問題能力的應用型人才。以湘潭大學工業設計專業教學計劃為例，該課程共48課時，需要兼顧內容全面和重點突出。近幾年，為適應社會需要和人才培養要求，我系適時調整教學模式。筆者承擔人機工程學課程教學已十余年，通過持續的探索與實踐，嘗試對傳統人機工程學的教材進行內容整合。以國家級規劃教材《人機工程學（第5版）》（丁玉蘭編著）為例，將原教材章節統一歸納為人體工效、認知心理、人機交互、作業環境四個與智能制造系統密切相關的核心模塊，每個模塊對應教材章節進行教學統籌規劃（見圖1），并在教學過程中始終貫穿智能產品設計課題分析和探索，以此來加深學生對人機工程學在智能制造系統中的應用理解。

圖1 面向智能制造系統的人機工程學課程內容匹配模型

在面向智能制造系統的人機工程學課程內容匹配模型中，人體工效主要研究內容包括人體尺度、工作姿勢、重復動作、工作疾病、員工安全等；涉及智能制造系統中的崗位設計、作業空間布局、人的安全、可穿戴設備等研究領域，保證人在進行系統操作時能有健康舒適的姿勢。認知心理關注心理過程，研究內容包括人的感覺特征、知覺規律、人的心理和行為特點、腦力負荷等；在智能制造環境下，相關研究方向主要包括人的失誤、可用性原則，關系到智能制造系統的安全裝置、防護裝置的設計，以此來保證對系統進行操作時能達到降低認知負荷、提高操作精準性的目的。人機交互主要涉及智能制造系統中信息傳遞裝置、操作控制裝置及工具設計，關系到信息讀取的準確性、高效性，操作行為的有效性、及時性。隨著虛實融合技術的發展，人類在人機交互系統中的關系和角色也隨之發生變化，人機協作的工作內容和方式也需要適時進行調整。作業環境關系到智能制造系統的安全性、可靠性，影響著系統的正常運行和維護，對在此系統中工作的人來說，光、熱、聲、振動、毒物等環境影響因素直接影響著人的身心健康、作業效率等等。由此可見，在智能制造系統的各個環節，人機工程學都起著至關重要的作用。

4 面向智能制造系統的人機工程學實驗、實踐教學設置

人機工程學實驗、實踐教學環節旨在培養學生的實踐動手能力和知識應用能力，在智能制造大背景下，隨著人機工程學授課內容的調整及更新，相關的實驗實踐教學也需要進行改革。理論教學通過實踐實驗得以強化，因此實驗實踐教學內容的設置既要滿足理論知識的應用拓展要求，提升學生的創新能力，同時也要順應企業實際需求和社會發展要求，不斷提高人才培養質量。

在湘潭大學工業設計系人機工程學的教學計劃中，理論課時為24學時，實驗實踐課時為24學時，實踐環節占到整個課程的50%。理論課主要講授與智能制造相關的人體工效、認知心理、人機交互及作業環境四個模塊的核心理論，實驗實踐主要包含了虛擬現實實驗操作、智能產品主題設計實踐等（見表1）。在人體參數測量實驗中，要求學生依據測量數據，通過三維建模、手工制作等多種方式輸出人體仿真模型；通過汽車虛擬仿真駕駛操作，提升學生對信息顯示、操作控制裝置的設計體驗；最后通過智能產品設計對理論知識、實驗結論進行實踐探索，以此構建以人機工程學的基本理論為核心，以項目驅動為主線，圍繞人機學的設計原理和設計方法展開實踐的教學模式。通過驗證性實驗鞏固理論知識，通過設計性實驗突出創新應用，而主題設計實踐借助智能產品這一載體，綜合應用人機工程學的相關理論知識進行設計創新，從而形成了理論—實驗—實踐的多層次教學模型。

在有限的實驗設備條件和學時規定下，只有優化實踐教學內容，采用交互式、沉浸式教學課堂，構建多層次、內容豐富的教學體系，才能讓學生在互動與體驗中更好地掌握理論知識，指導設計實踐。

5 湘潭大學工業設計系人機工程學課程改革成果展示

自湘潭大學工業設計系成立以來，人機工程學一直作為專業主干課程于大學三年級上學期開設。經過數年的教學積累和課程改革，本課程產生了大量優秀的設計作品，并在各種設計競賽中獲得多種獎勵。近年來，隨著智能制造的持續升溫，人機工程學順應社會發展需要，引入智能產品專題設計實踐，在課堂教學中倡導理論聯系實際，理論講授的同時穿插智能產品實際案例分析，讓學生能更好地理解智能產品以及智能制造行業對人機學的要求。

“臥床老人移動輔助機”設計（圖2）聚焦于腿腳不便、臥病在床的老人。眾所周知，我國已經步入老齡化社會，老年人比例不斷提高，同時受生理規律的影響，許多老年人都患有疾病、行動不便。兒女往往由于工作原因不能長時間陪伴在家，因此這部分老年群體面臨著日常生活中的諸多困難。學生以社會焦點為導向，綜合利用先進技術和設計思維完成產品創新。該產品能夠幫助老人完成上廁所、洗澡等活動，通過智能升降機構和人機交互系統的輔助，能較好地幫助這一特殊群體解決生活需求，具有良好的社會價值和現實意義。

圖2 設計實踐作品一：臥床老人移動輔助機

景區“無人垃圾轉運車”（圖3）則關注人文環境。隨著經濟發展和人們消費習慣的改變，外出旅游已經成為現代人們常規的休閑方式，各大景區紛紛加大建設力度吸引游客，同時也因此產生了衛生維護、公共設施不足的問題。此設計針對景區在傳統垃圾處理過程中存在的成本高、效率低等問題提供了一套智能服務產品解決方案。該產品通過運用無人車和自動化技術實現對景區垃圾桶內垃圾袋的收集、轉運、處理的一體化操作，代替人工處理方式，提高了垃圾處理的智能化、信息化程度，形成了一套智能高效的景區垃圾處理系統。

圖3 設計實踐作品二：無人垃圾轉運車

“鰩之聲”（圖4）是以海洋生態保護為出發點設計的一款仿魚聲珊瑚拯救水下無人機。該產品利用珊瑚和魚群的相互依存關系，通過聲音采樣、地形掃描、聲吶探測等智能控制技術模仿珊瑚的聲音以吸引魚群回礁，復蘇白化珊瑚，從而穩定海洋生態系統。而“水中救援膠囊”（圖5）的設計背景為2021年鄭州特大暴雨災害。設計者們從此次災害中激發社會責任感，針對城市內澇設計開發出這款緊急救援裝置，通過多種技術和功能的使用能有效增加救援時間，從而降低傷亡人數。

圖4 設計實踐作品三：“鰩之聲”（仿魚聲珊瑚拯救水下無人機）

圖5 設計實踐作品四：水中救援膠囊——城市內澇的拯救者

以上均為2021年度湘潭大學工業設計系人機工程學智能產品專題設計實踐作品，也是2021年湖南省大學生工業設計大賽獲獎作品。從這些作品中可以看出，設計者們通過課程學習，聚焦民生、環境、社會需求和熱點。這些作品體現了設計者們對特殊用戶群體的關愛，對可持續發展的關注，對生存設計的關心以及對智能技術的合理應用。本課程在課程思政與專業素質培養方面都產生了較好的效果，同時也實現了“設計以人為本”的目標。

6 結束語

隨著智能制造技術的不斷發展，系統的設計、運行正逐步由“以技術為中心”向“以人為中心”轉變。人是智能制造的服務目標，在整個制造生產活動中，人始終是最具有能動性和最具有活力的因素，智能制造最終要回歸到服務和滿足人們美好生活需求上來。因此，構建和諧的人機關系，使人與機器友好相處是智能制造系統可預測、可控制的關鍵要素。符合人機工程要求、人性化的智能制造系統設計體現了人—機—環境完美和諧的結合，是最實在、最前沿的潮流與趨勢，更是順應社會發展要求的深刻體現。