CDIO模式下安全人机工程学的教学方法探索

赵维生，梁 维

(贵州理工学院矿业工程学院，贵州贵阳 550003)

0 引言

安全人机工程学是从安全的角度和着眼点出发，研究“人—机—环境”的关系，运用人机工程学的原理和方法解决人机结合面安全问题的一门新型交叉学科，它既是人机工程学的一个重要分支，涉及人体测量学、光学、医学、心理学、系统科学、社会学、管理学和工程技术学等学科理论和知识，又是安全工程学的重要分支学科[1]。

传统教学模式基于长期以来的经验沉淀，课堂交流较少，通常是教师一味地讲授，学生通过听课被动接受知识，教学过程显得单调乏味，也很难激发学生的学习兴趣[2]。安全人机工程这门新兴交叉学科，因其涉及学科类型众多，要求任课老师具有较丰富的知识储备。缺乏引导、启发和互动的教学模式已很难满足安全人机工程学的教学效果，达到工程教育质量要求。

由瑞典皇家工学院和麻省理工学院等四所高校，历时四年探索研究后创立的CDIO工程教育模式，是近年来国际工程教育改革的最新和最先进研究成果之一[3]。CDIO工程教育模式在我国已经历十余年的发展与推广，并于2016年在汕头成立“CDIO工程教育联盟”。目前，我国有100余所高校参与了CDIO工程教育模式研究与实践工作。CDIO工程教育模式的通过其4个基本理念——构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate)，将课程内容与实际生活和工程问题有机结合，有效促进工科学生积极主动的思考和学习[4]。

矿业在我国经济发展和社会建设中起基础性的支撑作用，采矿过程中的安全问题越来越得到重视。近年来，我国开始推广智能化采矿机械，亟需一批安全人机工程的专业工程技术人才。基于CDIO基本理念，根据安全人机工程学的主要教学内容，以实际工程机械产品的设计为导向，将专利和科研等成果申报作为激发点，培养学生学习、思考和创新的积极性与能动性，并提高教学质量。

1 传统教学过程中存在的问题

安全人机工程学是一门新型交叉学科，涉及的学科门类相对较多，影响课程教学质量的主要因素有：授课老师的知识面、教材内容及案例分析、学生学习的积极性。

授课老师的知识面是影响安全人机工程学教学质量的最根本因素，由于本课程所涉及的学科门类较多，要求任课教师具有较为广阔的知识面，并能较好的与课程所对应的章节内容进行融合贯通。相反，若采用传统的教学手段，照本宣科，讲授过程中枯燥乏味，难以将书本知识表达清楚，且不能将原理等知识与矿业工程学科进行有机结合。

其次，教材更新速度通常远滞后于社会经济的发展速度，书本上原理性阐述较多、案例少且缺乏新意，新印刷的教材往往也是新瓶装旧酒，课程内容涉及的学科门类多、教材篇幅有限、案例分析老旧、案例与矿业学科专业脱节等问题通常也是新出版教材的一个通病。

另外，学生在上述机械式传统被动的教育模式下，由于缺乏刺激、交流和激励等机制，学习的积极性和主观能动性得不到充分体现，同时易导致学生对学习产生抵触情绪，且所学知识与所学专业不能有机结合，不利于专业技术人才培养。

2 CDIO模式与安全人机工程学结合

将CDIO工程教育模式的基本理念(即：构思、设计、实现和运作)运用到安全人机工程学的课堂教学上，并将相关热点的人机系统问题作为案例进行分析，弥补教材上案例的单一性和枯燥特点，同时可充分调动学生学习、思考、讨论和分析问题的积极性和主观能动性。CDIO工程教育模式下安全人机工程学的教学方法示意图，如图1所示。

3 CDIO模式下的教学案例

3.1 案例一

在讲授“人的视觉及其特征”部分内容时，需介绍暗适应和明适应的概念，如果仅按照教材文字进行论述，学生理解起来比较抽象，印象不会很深刻。根据CDIO工程教育模式中的“构思”理念，通过现实案例提问，诱导学生积极主动思考什么是暗适应和明适应，可提出如下两个问题。问题一：为什么在驾车进入隧道前通常要减速，矿井工人被营救上井后为什么要把眼睛蒙住？被问题二：瞳孔与相机光圈有什么相似之处，为什么大光圈镜头手机比较受大众喜欢？当学生完成思考和讨论后，再对上述问题进行解释，更加有利于学生对该知识点的掌握并留下较为深刻印象。课后思考问题，在进行矿井智能化机械的摄像头设计时，该摄像头的光圈值是大点好还是小点好？

图1 CDIO模式与安全人机工程学

3.2 案例二

在讲授“人机界面设计”部分内容时，考虑到“人机系统模型”和“三要素基本模型”比较抽象，同时为了提高课堂的教学氛围，实现寓教于乐的教育理念，根据CDIO工程教育模式中的“设计、实现和运作”理念，以曾广为大家熟知的“铁路12306验证码的辨识难”事件作为人机界面设计的典型案例，引入人机界面设计的重要性，并提出问题，请学生分析铁路12306验证码识别的优缺点，有没有更好的优化方案？通过提问，充分发挥学生学习的主观能动性，并以该案例的组成部分，介绍人、机、人机界面、人机系统和人机界面三要素的定义和概念。

在开展信息显示装置、视觉显示装置、听觉显示设计、控制器的设计和布置等内容讲授时，结合矿业工程的学科特色向学生提问，如开展矿井化机械设计，考虑矿井生产过程中的噪声、粉尘和高温高湿环境下，如何进行人机界面的设计和布置。

4 课程考核方式

针对原有安全人机工程学的课程考核方式相对呆板、缺乏灵活性和科学性等问题，根据CDIO模式下的教学理念，考虑了不同学生的特点，为充分发挥学生学习的主观能动性，在保留传统的课程考核方式的基础上，提出了一种新的考核方式，即：加大了实践作业环节和课堂互动环节的比例，相应降低期末试卷成绩所占的权重，如图2所示。

图2 两种课程考核方式

学生根据自身情况自主选择考核方式，对于新的考核方式，重点考察学生实践动手能力，要求学生根据矿业学科特点和本课程涵盖的知识点，进行矿业类安全人机工程系统设计，借助大学生创新创业平台，开展大创课题申报、专利申报或实物设计(三选一)，提交申报或设计成果，任课教师从安全人机工程学所涉及的人机系统类型、人机界面设计和人机系统尺寸等方面进行实践作业的考核打分。

5 结语

采用最新发生的社会事件和最新的科技创造成果对课程内容中枯燥单一的原理性解释进行阐述分析，做到课程讲授内容的与时俱进和生动活泼，尤其对于人机界面设计、作业疲劳、人的特征、作业环境和作业空间、机的特性与可靠性等内容方面，将最近发生的人机系统事故等新闻热点作为案例进行分析讲解，一方面将课本内容与最新现实案例充分结合，另外一方面利用热点新闻或消息，更利于提高学生学习的积极性，充分调动学习和课堂交流互动氛围，弥补教材更新过程中存在的不足问题，对最新热点人机事故案例分析后，再对课本内容和知识点进行分析总结归纳，将该知识点与本学科(矿业工程)发展动态相结合，尤其是对于国家推动发展煤矿智能化机械过程中，将所涉及到的各种智能化煤炭开采人机系统问题作为案例提出，根据CDIO工程教育模式的基本理念，供课堂教学、分析和讨论所用，以大学生创新创业项目为平台，以专利和科研成果申报为诱导，充分调动学生学习的主观能动性，提高课堂教学质量。