具有AI技术特征的人机工效学课程教学方法

曹晓东 庞丽萍 完颜笑如

[摘 要] 人工智能（AI）技术发展迅猛，在航空航天等众多领域得到了广泛的应用。高等院校作为大学生了解前沿知识的窗口，教学方式也需要适应时代发展现状，将传统的教学方法与新兴的AI技术密切结合，以培养学生的新思维，这对高等院校的招生、培养和就业具有重要影响。主要对具有AI特征的人机工效实践课程教学方法进行研究，并在航空航天人机工效课程体系中引入先进的AI技术，构建航空AI特征基础教学理论方法，开发航空AI实践课程操作系统，形成航空AI实践课程教学与培养方案，提升人机工效课程的活力和对学生的吸引力。

[关键词] 人机工效学;人工智能技术;教学方法

[基金项目] 2019年度北京航空航天大学本科教学改革项目“具有AI特征的人机工效实践课程教学方法研究”（201950508）

[作者简介] 曹晓东（1989—），男，河北乐亭人，工学博士，北京航空航天大学航空科学与工程学院副教授，主要从事人机环境控制研究;庞丽萍（1973—），女，黑龙江海林人，工学博士，北京航空航天大学航空科学与工程学院教授，主要从事飞行器舱室舒适性与人体效能评估研究;完颜笑如（1981—），女，河北涿州人，工学博士，北京航空航天大学航空科学与工程学院副教授，主要从事人机工效研究。

[中图分类号] G642.41   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）26-0121-04   [收稿日期] 2021-03-21

人机工效学是一门具有较强工程应用性和多学科交叉性的学科，它应用系统工程的观点，分析研究人与机器、人与环境以及机器与环境之间的相互作用[1-3]。人机工效实践课程是人机与环境工程专业的一门专业课程。通过系统学习人机工效学课程理论知识，设计并完成人机工效实验，学生能够更加深入地理解知识，并汲取实践经验，这对于未来就业和提高解决实际问题的能力具有积极的意义。北京航空航天大学作为航空航天领域的专业学校，目前所涉及的人机工效学知识主要针对航空航天领域，人机工效实践课程也主要针对航空航天领域的实验操作。

人工智能（Artificial Intelligence，AI）技术被称为21世纪的尖端技术之一，它作为计算机科学的一个分支，在近几年得到了迅速发展。AI技术涉及数学、心理学、认知科学等多个学科，在很多学科领域都获得了广泛应用，并取得了丰硕的成果。在航空航天领域，许多空间站的工作涉及连续的实时过程控制，因此，AI技术被广泛应用于空间系统的监视和诊断，为构造和操作更有效的命令和控制系统提供了可能[4，5]。北京航空航天大学的人机与环境工程专业在国内排名一直位居前列，人机工效实践课程作为人机与环境工程的专业课程，面对科技时代的发展潮流，更需要引入如AI这样的前沿知识和技术，与课程教学紧密结合，以激发学生的兴趣，开拓学生的视野，培养学生的发散思维能力。

一、课程现状分析

（一）人机工效学课程教学现状

人机工效学课程集应用性和实践性于一身，是一门新兴的交叉学科，与心理学、测量学、力学等学科有着广泛的联系，因此，人机工效学与许多专业存在着紧密的联系。对于工业工程专业来说，人机工效学课程的侧重点在于培养学生的项目管理能力，建立学生的职业态度和艺术赏析能力等。对于工业设计专业来说，更加侧重人机的协调性和交互感受。对于安全工程来说，人机工效学则注重于安全的设计和安全的人机交互内容。作为北京航空航天大学人机与环境工程专业来说，开设的人机工效学更加侧重在航空航天领域的应用，并且拥有自己独特的课程教学体系，在人机与环境工程专业课程体系中占有重要地位。在目前的课程教学体系中，以讲授基础理论知识和实践实验相结合的方式开展。在实践实验部分，以传统的人机交互实验为主，主要通过采集生理数据、主观数据以及绩效数据，在后期做分析和处理，使学生了解人机工效学实验的大致流程以及基本处理方法。目前，由于实验设备不够充足、课程时长较短等客观存在的问题，以及实验流程简单、单一等因素，实践实验在实际的课程教学中取得的效果并不明显，学生对于课程的热情度以及创新积极性不足，因此，需要改进课程内容来改善目前的课程状况。AI作为目前比较前沿的科研方向，希望可以通过引入AI特征来改变课程教学中存在的一些问题，以便在人工智能背景下培养学生学习人机工效学课程的热情，实现提高学生自主能力和创新能力的目标。

（二）AI技术应用于高等院校人机工效实践课程教学的重要性

本科生在选择专业时，就业前景是考虑的重要因素，所学内容是否符合时代发展是一个关键问题[6]。在当下社会，人工智能已经成为最前沿的研究方向之一。众多高新技术企业和互联网企业都设立了研究AI技术应用的部门，并提供了大量的就业岗位，因此，对于具有AI背景的复合型人才的需求不断增加。由于AI技术的前沿性和本科生专业选择的倾向性，高等院校的不同专业在教学过程中与AI技术进行紧密结合是一个发展趋势。北京航空航天大学的人机与环境工程专业主要研究人与机器和环境的相互作用机理，具有鲜明的人工智能应用前景，将人机工效实践课程提升为具有AI特色的专业课程，提高学生的专业能力和AI知识储备，将成为吸引本科生的重要吸引点。因此，开展具有AI特征的人机工效实践课程教学方法研究十分必要。

（三）AI技術应用于航空航天人机工效技术领域的重要性

在目前的航空航天领域，人机工效设计所涉及的操作任务与指挥控制系统都是通过驾驶员形成闭环的人机控制系统。按照该传统设计理念，人机工效实践课程主要针对如何优化设计操作界面与控制系统，以最大限度地提高驾驶员的操作效率。但是在新型航空航天飞行器中将面临愈来愈复杂的决策以及更高强度的人机界面操作任务，单独依靠飞行员的个人能力可能难以完成新型飞行任务。因此，必须寻求一种有效的人机融合技术手段，构造新型飞行员AI辅助系统，实现基于人机动态协同机制的智能飞行与控制系统[4，5]。该研究能够将人机工效与AI设计技术完美结合，对于减轻飞行员任务负荷、提高人机效率以及特种战场作业准确性都具有重大的意义。因此，以人机功能分配设计与实现为突破口，在人机与环境工程专业的人机工效实践课程中，结合飞行AI助手特征，建设以人机工效学和AI技术为基础、应用新型飞行器人机工效设计的课程体系，具有重要的教学改革意义。