摘要：本研究旨在通過人因工程設計優化低學齡兒童書包的背負系統，以達到更佳的護脊效果，從而有效解決低學齡兒童因使用人機設計不合理的書包而產生的各種不良體態問題。通過對重力學、生物力學、生物解剖學等兒童書包設計的相關人因工程理論分析，結合實際情況得出低學齡兒童背負系統的設計要素，提出適用于低學齡兒童的創新型書包背負系統設計策略，并基于此設計了前后雙支撐的人因工程書包，對設計展開結果驗證。本文設計方案相比傳統書包在功能性、舒適性、美觀性等方面具有明顯優勢，耐用性方面仍有改善空間。使用前后雙支撐背負系統設計的書包對于保護低學齡兒童肌肉骨骼健康發育以及提高兒童背負舒適性有著正向意義。

關鍵詞：人因工程；低學齡兒童；書包設計；背負系統設計；生物力學

中圖分類號：TB47文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2025）11-0042-04

引言

脊柱形態異常問題在低學齡兒童中普遍存在，該群體正處于生長發育的關鍵時期，也是治療和干預脊柱形態異常的重要階段[1]作為小學生攜帶學習和生活用品的主要承重載物工具，其設計的人機。書包合理性與小學生體態健康密切相關[2]。盡管我國有大量學齡兒童長期使用人因工程設計不合理的背包，但由此產生的各種背負姿態問題在近年來才逐漸受到重視[3]。長期使用人因工程設計不合理的書包會導致兒童出現肌肉力量下降、脊柱發育不良、下背部疼痛等一系列肌肉骨骼疾病（MSD，MusculoskeletalDisorders）[4]。目前，低學齡兒童體態問題已經十分普遍，研究人員對256名上海市中小學生進行調查，發現學生高低肩、圓肩、頸部前傾的異常率均高于30%，圓肩和頸部前傾異常率甚至超過了60%[5]。因此，對兒童書包進行人因工程設計對于低學齡兒童身心健康發展有著重要意義。

一、低學齡兒童的特征

低學齡兒童指我國小學一至三年級（7至10周歲）的學生，該階段的兒童正處于生長發育關鍵時期，且往往尚未具備充足良好的體態管理意識[6]。針對該群體的書包設計可從個體維度與社會維度兩個層面進行用戶特征分析[7]。個體維度上，查找《中國未成年人人體尺寸GB/T26158-2010》可知[8]，7至10歲男童身高平均范圍在130.2cm到133.5cm之間，體重平均范圍在27.6kg到31.4kg之間。7至10歲女童身高平均范圍在129.1cm到132.8cm之間，體重平均范圍在26.5kg到29kg之間。

可以看出，低學齡兒童所處的年齡段中，整體上男女童身高體重差異并不顯著，無需進行分別討論。社會維度上，家庭環境是兒童成長的主要環境之一，父母對子女的性格特征、行為特點、心理成長都有不可忽視的影響[9]。邱等人（2024）的研究中提到，孩子的身體控制自我效能發展往往離不開父母對孩子的觀察與引導，某種意義上，父母就是孩子的“身體行為設計師”。因此，對于低學齡兒童的書包背負系統設計可以考慮對父母進行調研訪談，以進一步完善兒童書包背負系統的設計視角。

二、兒童人因工程背包研究現狀

兒童背負系統的研究大致上可分為兩類：第一類是不合理背負系統與兒童生長發育不良之間的相關性驗證研究，第二類是對背負系統的創新人因工程研究，即設計實踐研究。在第一類研究中，研究人員關注人因工程設計不合理的背負系統會如何切實影響兒童的生長發育，包括生理、心理、行為等多個層面。

其中，兒童背包與脊柱健康的關系是一個核心議題。凱德拉·A等人（2021）進行了一項橫斷面研究，調查了11，423名波蘭兒童和青少年，發現41.5%的受訪者在過去的12個月內經歷過非特異性腰背痛（NLBP，Non-SpecificLowBackPain），且認為書包過重的學生更易出現NLBP[10]。而巴金·M等人（2022）的研究通過光度測量法具體探討了學生背包對腰椎段的影響，研究發現在靜態和動態條件下，背包重量顯著增加了腰椎角度，在L3-L4腰段角度變化最明顯，這可能導致腰椎綜合征[11]。SuriC等人總結了不同研究中背包對脊柱生物力學的影響，明確背包重量和位置的變化確實顯著影響了脊柱姿勢和肌肉活動[12]。在第二類研究中，研究人員對兒童書包背負系統進行結構、技術、材料等多角度創新，提出更符合人因工程的背負系統設計，通過提高書包機構合理性達到預防兒童MSD的目的。埃雷迪亞-希門尼斯·J等人[13]通過在書包背板上增加人因工程骨架設計了懸掛式書包，發現與傳統書包相比，被試在使用懸掛式書包時的氧氣消耗量更少，肌肉氧飽和度更高，整體性能和負重表現皆優于傳統書包。黃·L等人則發現了懸掛式書包能減少動態峰值力并降低代謝成本[14]。除此以外，盧等人還根據兒童后背肌肉的發育特征為書包背板設計了合理的護脊分區[15]。

綜上，圍繞背板展開背負系統設計研究是人因工程背包研究的主流。然而，李·S·S·W等人的身前背后雙背包設計研究結果表明，背負系統的實際效能受到系統整體（背部加身前）的影響，而不僅僅是局部（背部）[16]背負系統的研究不及10%，這說明目前兒童書包背負系統的研究在。在約20篇兒童書包背負系統的研究中，提到身前系統性與整體性的研究板塊上是較為空白的。因此，本研究嘗試對系統的、完整的書包背負系統做進一步的研究，并設計基于整體視角的低學齡兒童書包背負系統，驗證由身前身后共同產生效用的背負系統對實現護脊功能的重要性。

三、低學齡兒童背負系統分析及設計策略

（一）人包尺寸分析

低學齡兒童（7至9歲）的人體測量數據是書包基本尺寸的重要參考。根據拉馬丹·M·Z等人[17]的研究及兒童書包內容物特征（小學教材尺寸等），查找《GB/T26158-2010中國未成年人人體尺寸》獲得所需參考數值，確定包體高度取365毫米，包體寬度取265毫米。購置一至三年級中國小學生教材及練習本進行測量，總厚度約為100毫米。考慮到還有文件夾、筆盒、樂器與運動器材等文具及教具需容納，最終確定包體厚度取180毫米。

（二）人——包系統重心分析

從生物力學角度出發，重心理論對于理解背負狀態下的人體運動與人體平衡問題具有重要意義[18]。重心不僅決定了物體的平衡狀態，還對物體的運動和穩定性有重要影響[19]。當兒童背包行走時，除了需要他們的肌肉骨骼抵抗外負荷做功，還需要維持人與負重整體的平衡，因此，人體重心和負重重心之間的位置關系是關鍵。金等[20]研究者設計了一種背包，通過將其重心靠近脊柱軸線減小背包負載的力矩臂，對減小腰椎變形起到了積極作用。

據觀察，兒童在行走時，由于運動導致書包肩帶松散，書包容易后傾，其重心就會遠離兒童的身體，加重兒童腰椎負擔，導致盆骨前傾等錯誤背姿形成。同時，書包和人體的合重心會偏離兒童自身的重心，從而影響兒童的平衡感。因此，除了減少書包重心與人體重心距離以外，還應當充分考慮如何維持人——包背負系統的穩定性，如圖1。

2.背負狀態下的人體壓力分布

背負狀態下的人體受壓面主要分為胸前接觸面、肩部接觸面和背部接觸面三大區域。由于胸前接觸面相比另外兩個區域擁有更大的自由擴充度，研究者嘗試對胸前接觸面（即胸前肩帶）做出一些結構上的突破。哈迪德·A等人[22]通過對人體鎖骨、鎖骨下動脈、胸大肌及其表面皮膚的研究，提出了一種迎合了鎖骨下動脈的走勢的新解剖肩帶設計。研究表明，這種設計可以有效降低肩部軟組織應力與鎖骨下動脈壓力，改善背負舒適度。根據哈迪德·A等人的研究，胸前背負系統的設計需要在增大接觸面的同時避開對兒童呼吸系統的壓迫。在上述受身前背負系統壓迫的人體骨骼肌組織中，胸大肌是身前背負系統的主要承壓肌群。它位于氣管兩側，覆蓋鎖骨下動脈及胸廓前壁，具有柔韌且富有彈性的肌纖維結構[23]，這使其能夠在承擔一定壓力分布的同時不影響正常呼吸，適合作為承托身前背負系統軟墊的對象。胸大肌中部的肌肉纖維較厚，承壓能力比兩側強，可有效減少局部壓力集中（圖3），故選擇胸大肌的肌纖維中線作為引導線進行解剖肩帶形態設計。

（四）低學齡兒童書包設計策略

綜上，本文基于人因工程提出以下用于改善低學齡兒童書包背負系統的設計策略。

1）提高人——包背負系統整體穩定性。通過在書包胸前肩帶及書包背板添加支撐海綿，實現前后雙支撐的背負系統，提高書包與人體的整體貼合度，使人—包重心系統在運動狀態下保持穩定。

2）背部背負系統增加背板支撐結構。通過在書包背板上增加符合人體脊椎弧度的、不同厚度的、多分區的有機造型海綿，使書包背板與人體接觸面更加貼合，減少因書包后傾對腰椎產生撞擊引發的不適感；縮短書包重心與人體重心距離，減少書包負載的力矩。

3）胸前背負系統增加肩帶支撐海綿。選擇胸前主要大肌群胸大肌作為胸前支撐海綿的主要接觸區域，一方面，擴大接觸面積以減少局部壓力；另一方面，通過在胸前的肩帶部分增加支撐海綿，使肩帶受力點前移，降低上半身力矩，減少傳統書包肩帶的向后拉扯感。

4）胸前背負系統設計生物解剖形狀肩帶，增大胸前背負系統接觸面積，并解決呼吸不適、上肢活動不便等問題。

通過上述設計改進，可以有效提高兒童背負書包時的舒適度和平衡性。

四、人因工程兒童書包設計

（一）前后雙支撐背負系統設計

胸前背負系統設計：根據胸大肌纖維走向和形態特點對背帶進行生物解剖形狀裁剪，使其曲度貼合人體，保證書包在使用時不易從肩膀滑脫。背帶末端收窄，減輕腋下與背帶的擠壓感。肩帶設計了三大分區，分別是貼頸區、支撐區和主帶。貼頸區采用摩擦力小的聚酯纖維布料，改善小學生背書包時肩頸區皮膚與背帶接觸區域的體感；支撐區通過反光條造型設計和表面文字說明，讓小學生準確識別肩帶支撐結構的作用范圍；主帶采用海綿填充20毫米厚度，減輕肩帶對人體的壓迫感，如圖4。

胸前支撐系統的核心在于肩帶支撐區的有機造型海綿墊設計。通過將符合生物解剖學造型的海綿墊置于肩帶內側，使胸前背負系統與兒童更好地貼合，并帶動書包背板緊貼背部，如圖5。

該設計有三大好處：一是便于兒童自主判斷背姿是否正確。當背姿正確時，支撐結構卡在胸大肌區域，人體觸感舒適；反之，背負位置錯誤會導致不適的觸感，兒童會自動進行背姿調整。這種簡易的背負引導設計符合兒童友好型設計的設計理念。第二，背負者可通過移動魔術彈力帶自行調整墊塊位置，靈活可調的設計可以適應不同身高體重的兒童。第三，墊塊厚度采用中間厚，四周薄的生物解剖學造型設計，厚度最高點為40毫米，往靠近腋下及鎖骨端收窄，與人體胸前肌肉輪廓貼合度較高。背部背負系統設計：本文設計了由四大分區組成的海綿護脊系統，分別支撐人體背部的大椎穴區、左背闊肌區、右背闊肌區和腰椎區。大椎穴區直接影響頸部和上背部的舒適感，在此區提供支撐可以有效緩解上背部壓力。左背闊肌區及與之相對應的右背闊肌區的支撐設計旨在緩解背部中段的壓力分布。最后，腰椎作為承受身體上半部分重量的關鍵部位，該區域的支撐可以最大化地減輕腰部的負擔。考慮到長時間背負書包會導致悶熱感，背部背負系統還留出了適當的風道，以保證書包在使用過程中的良好透氣性，如圖6。

用不同厚度的海綿進行填充，可以完美包裹人體背部，為兒童脊椎提供較為良好的支撐感。每個區域的海綿厚度根據人體脊椎曲線進行設計，位于最下方的護脊海綿厚度為30毫米，其余厚度為20毫米，形成與脊椎走向吻合的曲線。腰椎區的海綿確保足夠的厚度，可以有效保護腰椎，同時防止兒童在運動過程中書包晃動導致的底板硌腰情況發生。

（二）整體尺寸與CMF設計

本研究所設計的主包體尺寸為265毫米（長）×180毫米（寬）×365毫米（高），整體外觀包括前包和提手，其完整尺寸為265毫米（長）×200毫米（寬）×405毫米（高）。在配色方面，選用了明亮的藍色，旨在創造一種輕盈且柔和的視覺效果。這種色彩選擇不僅能夠吸引兒童的注意力，還能營造出一種愉悅的心理感受。通過采用同色系的拼貼設計，進一步豐富了包體的層次感，使其在視覺上更加生動，給人以親和力和活力的印象，如圖7。

包身采用了耐磨且輕便的900D牛津布，這種材料不僅具有良好的耐用性，還能有效減輕背負時的負擔。此外，包體還采用了細紋尼龍布與牛津布的拼接裝飾，增強了整體設計的美觀和實用性。左右兩側各配有一枚暗扣，書包前袋的云朵造型通過絎縫工藝展現出立體感，這種設計不僅美觀，還能夠激發兒童的想象力。此外，為了確保兒童在使用過程中的安全，前袋還配備了兒童安全反光條，增強了夜間行走時的可視性。整體來說，書包不僅具備了實用性，還融入了趣味性與安全性的考量，充分體現了兒童友好型設計理念，如圖8。

（三）可行性驗證

行賦分，分值為1到5，依次表示“非常不滿意”“比較不滿意”“一運用李克特量表對現有兒童書包產品與設計方案的評估項目進般”“比較滿意”“非常滿意”。為確保評價的真實性，用戶在真實使用場景中試用了制作的樣包，并根據功能性、舒適性、美觀性等方面進行評分。同時，筆者進行了訪談，記錄用戶的主觀感受和反饋。本次共收集問卷46份，其中有效問卷45份。基于問卷數據的平均分，繪制了評估雷達圖（見圖9）。根據圖表，本文的設計方案相比于其他兒童書包產品在功能性、舒適性、美觀性等方面具有明顯優勢，耐用性方面仍有改善空間。

結語

本研究通過對兒童書包背負系統的人機工學設計，旨在提高書包的護脊效果，解決低學齡兒童因背負行為產生的各種不良體態問題。通過結合生物力學、生物解剖學等人因工程知識理論，并根據我國低學齡兒童的實際需求，分析并提煉出背負系統的關鍵設計要素。在此基礎上，提出了適用于低學齡兒童的創新型書包背負系統設計策略，重點設計了前后雙支撐的人因工程書包，并對設計效果進行了驗證。結果表明，采用前后雙支撐背負系統的書包，能夠有效減輕兒童在背負過程中的肌肉骨骼負擔，改善背負姿勢。因此，基于此設計的書包具有顯著護脊效果，對于低學齡兒童的肌肉骨骼健康發育具有積極影響。

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