基于人因工程的高校教室设施设备优化建议

刘俊艳　辛圣瑶

摘要：应用人因工程的知识原理和方法，以青岛科技法学某教室为例，研究了教室座椅尺寸、黑板摆放位置、讲台设计等硬件条件，发现教室桌椅存在桌面、座椅、桌椅配套设计不合理等弊端，讲台、黑板设施也均存在设计缺陷。最终对课桌椅7项指标提出改善意见，讲台高度上调10 cm并将打开式键盘放置方式替换为直接放置于讲台面上或缩减讲台宽度10 cm，用弧形黑板替换现有黑板的改进措施。结果表明：人因工程的知识原理和方法可以很好的用于高校设施设备的优化改进，是一种按照人的特性设计和改进人机环境系统的科学。

关键词：人因工程;教室改善;方法应用;座椅尺寸;讲台设计;黑板投影

中图分类号：TS 972文献标识码：A文章编号：1672-7312（2021）03-0281-07

Suggestions on Optimizing Classroom Facilities and Equipment of

Colleges Classroom Based on Human Factors EngineeringLIU Junyan，XIN Shengyao

（Qingdao University of Science and Technology  School of Economics and Management，Qingdao 266061，China）

Abstract：.The knowledge principles and methods of human factors engineering was applied，taking Qingdao University of science and technology as a case study，to  comprehensively analyze the hardware conditions such as the size of classroom seats，the position of blackboard，and the of the platform and blackboard has its defecst.The paper put forward suggestions for improving the seven indicators of desks and chairs.The platform height is increased by 10 cm，and the open keyboard is placed on the podium or reduce the platform width by 10 cm，and replace the existing blackboard with arc blackboard.The results show that：the knowledge principle and method of human factors engineering can be used for the optimization and improvement of university facilities and equipment，and it is a science to design and improve manmachine environment system according to human characteristics.

Key words：Human factors engineering;Classroom improvement;Method application;Seat size;Podium design;Blackboard projection

0引言

教室是教師授课、学生学习的主要场所，随着当代科学技术的蓬勃发展，多媒体技术越来越多地运用于高校的教学管理与实践工作中＼[1＼]，它以图文并茂、声像俱佳、动静皆宜的表现形式，将高校的教学代入了一种全新的领域，深受教师和学生的欢迎＼[2＼]。在教学质量与内容得到不断提高与扩展的同时，教学的隐形资源中的诸多不足却被忽略，诸如课桌椅、讲台、黑板等设施设备的尺寸、形状设计不合理均会严重降低个人学习效率。

第3期刘俊艳等：基于人因工程的高校教室设施设备优化建议人因工程学（Human Factors）是一门以心理学、生理学、生物力学、人体测量、计算机科学、系统科学等多学科原理和方法为基础的综合性交叉学科＼[3＼]，该学科系统地将人的生理结构、心理特征、工作能力限度、动机与行为等因素与产品设计及环境改善相结合，致力于研究人、机器、环境间的相互联系和相互作用，为人类提供安全、健康、高效、舒适的工作环境，全力保障不同工作状态下效率的提升及个人价值的发挥＼[4＼]。COETZEER ＼[5＼]指出人因工程是解决工业中与人有关的抽象问题提供了一种实用的方法，而STANTON N A＼[6＼]等学者提出人因工程是一种实用的工程设计方法，其使用领域不仅限于工业范畴。HAMED S＼[7＼]从人因工程和产品设计的角度重新审视了医疗保健中个人防护用品的适用，SAIDI T＼[8＼]亦将人因工程用于医疗器械领域解决与人有关的医疗器械设计问题。值得借鉴的是，文中研究对象具有一定的抽象性，同时涉及使用者及使用者的保健问题，因此可使用人因工程相关理论知识优化多媒体教室设施设备。在相关方法与研究对象的研究领域，学者PEREIRA  P F利用人因工程从人的角度对住宅区室内设施进行了分析＼[9＼]，HUNG I C等学者＼[10＼]则利用人因工程对医疗中心的设施设备进行了改善分析，类似地，学者吴双双等＼[11＼]为减少患者就医的时间成本和精力投入，对医院的等待座椅提出了基于人体工程学的材料、色彩、尺度、结构上相应的建议。

因教室环境对学生的学习行为、个人行为与个人成长发展具有较大影响＼[12-13＼]，KHOSHABI P＼[14＼]则指出为实现教学效率的提升，根据不同使用群体配以不同类型的教室设备。文中亦对高校教室室内环境进行分析，分析接入点为设施设备，黄金、陈玲＼[15＼]以研究对象身高为鉴，为幼儿设计出符合不同年龄段的桌椅;学者张茜＼[16＼]就教室的桌椅设计及布局展开人因研究，学者宋海冰、林怡、洪增强＼[17＼]在对多媒体讲台的优化研究中提出，应用简单机械结构实现屏幕高度及角度的调节以提高空间利用率。以上研究成果为本研究中高校教室设施设备的优化改进提供了思路。

利用人因工程理论知识，提出与现存问题一一对应的解决方案，通过对教室座椅、黑板等设施设备的现状分析与优化改善，提出能够实现人-机有机匹配的改善建议与方案。

1课桌椅优化意见

1.1现状分析

以青岛科技大学某教室为研究对象，使用对象为全校师生，群体稳定，男女比例近2∶1，主要用于课堂教学及学生自习，使用频率和利用率高。该校授课模式多为教师讲授型，故默认学生以坐姿进行读、写工作，暂不考虑桌椅使用者回头、侧身参与小组讨论等。

该教室整体形状为9 m×8 m的长方形，非阶梯状，可同时容纳76名学生，桌椅均为固定一体化设计，整体构造为中间5连座，由50 cm过道与两侧3连座分隔。实际测量指标图解如图1所示，结果见表1。

表1课桌椅现状测量指标测量数据/mm课桌高度h1600课桌宽度s1300人均课桌长度l1500人侧桌缘与靠背面的距离s2560椅面高度h2400经实地调研发现，该高校学生主要对教室桌椅设施的几个方面存在不满，学生满意度低的问题点为进一步实现人因工程理论与实际问题的对接改善提供了参考点：①桌面设计不合理，宽度狭窄，人均长度短，有限空间紧迫感严重，易造成使用者心里压迫感及烦躁感;②座椅设计不合理，下倾严重，高度不足，导致错误的书写姿势，降低坐姿写字学习时的舒适度;③座椅与桌面间配套不合理，两者高度差、间距均未实现最佳匹配，坐用者在保持坐姿时无法伸展双腿，或双腿保持舒服姿势的无法保障自身臀部与椅子面的接触面积，从而造成臀部压力及不必要的书写劳累感。

为实现人-机最佳匹配，参照学者李小川、刘媛华＼[18＼]在设计蒸汽拖把时，利用人体测量数据对现有设施进行合理优化的方法。文中随机抽取该校39名男生和19名女生（比例近2∶1）进行严格地人体测量，测量人群比例与该校总体男女比例相同，能代表该校整体水平。按照国标要求进行人体测量，具体测量数据见表2、表3，测量标准参照图2，改善所需的男女生某指标平均值及标准差见表4。

以肩峰点为轴心，手臂在水平面上自由运动所形成的轨迹范围即坐姿作业區域，该区域的半径最大值是可使臂部在伸展状态下操作工作面于较短时间的长度数值，正常平面作业范围是以手臂自然弯曲画成的圆，在正常作业区域内工作可使作业者在小臂正常放置而上臂处于自然悬垂状态下舒适操作＼[19＼]。为满足90%以上人群需要，人因工程定义肩峰点位置由1/2胸厚（取第95%百分位数）和1/2肩宽（取第5%百分位数）的交点确定，鉴于实际作业时，肘部随之移动，课桌最佳宽度为405 mm，图中（图4）粗实线区域为舒适的作业空间范围。

表4男女生某指标平均值及标准差单位：mm男生女生身高1 7161 553平均小腿长3.7499517小腿长标准差3.733.5272.2平均臀膝距3.9471462臀膝距标准差3.936.548.7坐姿肘高平均值3.5+3.8728859坐姿肘高标准差3.5+3.833.532.649.3

图2成年人坐姿尺寸标识一般来说，写字用桌面高度主要由人体参数及作业性质决定，写字型作业面高度国家推荐值为74～78 cm（男）、70～75 cm（女），该数据由座面高度加1/3座高或坐姿高度减25 mm确定。

座椅设计的原则应保证下肢着力于整个脚掌，方便双脚自由活动，减少臀部压力，座面高度略低于小腿高度为宜。为使使用者双脚自由活动且保证臀部舒适度的同时不因座深太长而压迫小腿，一般取臂部至大腿全长的3/4为宜。座面应有向后倾斜的座角，使得就坐者自然后倚，该椅背的形状设计若与人腰形状相符，可大大增加坐姿作业的舒适度，但倾角过大会加大桌面作业的难度，从而使人感到烦恼＼[20＼]。

1.3优化建议

基于座椅设计的国家标准、工效学原理及样本学生的测量数据，为提高学生对教室座椅的满意度，拟对教室课桌椅做出以下改善建议。

1.3.1座椅改善方案

高度：座椅高度应略低于小腿加足高，将倚高约等于小腿高（3.7）可行。为保证设计尺寸符合95%的人，文中计算所抽查样本的小腿高（3.7）均值及标准差，若以小腿高作为座椅高度参考标准计算得第2.5%、97.5%百分位数的座椅高度505-（40.46×1.96）=425.7 mm。由于国家已有标准规定，椅凳类家具的座面高度可在400、420、440 mm这3个规格间进行选择，故应选择420 mm最佳。

座深：座深的设计应满足人的腰背自然地倚靠在靠背上时椅面前缘不会抵到小腿，一般以“臀膝距”（3.9）尺寸为参考，取第5百分位数的3/4为设计依据。根据计算，座深291.4 mm时针对该样本被测者有最佳的舒适度。

椅背：人因工程理论认为阅读用椅倾角101°～104°最佳，椅背形状应尽可能符合人体倚靠时骨骼形状，即将现阶段中间凹陷两侧凸起椅背改为腰椎依靠的部位适度隆起。

椅面：当椅面与水平面倾角改善为9°左右可最大程度避免因人体随椅面下倾而给小腿带来的压力及水平座椅所带来的不适感，鉴于该教室教学设备老化，现阶段教室的座椅多半为下倾形，优者成水平状，仍存在部分问题，亟待改善。

1.3.2课桌改善方案

桌高：坐姿肘高（3.5+3.8）平均值P（95）=410.5 mm，考虑到坐姿眼高与桌面的距离、阶梯教室设计，宜在该基础上再加50～100 mm，因此初步定为460～510 mm最适宜高度。

人均桌长：由于教室长宽限制，人均距离及桌面建议宽度都只为建议值，根据样本平均臂长（13+1.4）491.2 mm，参考图3坐姿作业适宜范围，人均长度为491.2×sec39.4=633.65 mm时，学生可在自己的桌面范围内手臂自由作业。

桌宽：建议采取国家标准400 mm。

其他：为减少伏案学习时的颈前倾角，降低颈部压迫感，同时防止桌面倾角过大书本滑落，可将水平桌面更改为斜面课桌，坡度为100°～120°为宜。

1.3.3桌椅配套优化方案

桌椅高度差：根据GBT桌椅配套使用标准尺寸，桌椅高度差应控制在280～320 mm。

人侧桌缘与靠背面的距离：据悉改善后桌面宽度取400 mm，国标规定写字桌台面下的空间宽度不小于520 mm，座椅据桌缘宽度120 mm左右适宜，因此人侧桌缘与靠背面的距离120+椅深291.4 mm=411.4 mm为最佳。

根据上述方案将课桌椅设备优化设计尺寸汇总见表5。

表5桌椅设施改善前后指标汇总改善项目改善前/mm改善后/mm课桌高度600420课桌宽度300400人均课桌长度500600人侧桌缘与靠背面的距离560411.4椅面高度400420椅深390291.4桌椅高度差210280～3202讲台优化建议

2.1现状分析

该高校教室讲台的高度为90 cm，宽度约150 cm，工作台宽度约65 cm，键盘宽度约15 cm，黑板粉笔槽厚度约10 cm，该校所有教课老师均有机会使用该设施进行授课教学。讲台为对开式，打开之后工作台内部键盘面比桌面矮约25 cm，且鼠标键盘均位于打开后的工作面内。在现阶段走访调查中，教师们普遍反映讲台内鼠标及键盘的使用存在较大的问题，需要弯腰到近90°才能使用键盘，且鼠标需被教师放置到讲台面进行使用，造成了额外的劳累感并对教师的腰椎健康安全造成影响＼[21＼]。

2.2工效学原理分析

讲台属于直立工作台，该类工作台的设计工作应根据具体操作项目设定，男女共用工作面以男性数值为参照进行设计＼[22＼]。对于操作精密度比较高的物体（G≤10 N），操作台的高度应高于人的肘部高度;对于操作轻物体（G≤45 N）的工作，操作台的高度应稍低于人的肘部高度;对于操作重物体（G>45 N）的工作，操作台的高度应低于人的肘部高度的100～150 mm。教师利用讲台设施播放PPT、拿取粉笔等操作，类似于操作轻物体，工作台高度应略低于人的肘部高度，具体尺寸可按身高和肘高的第95%百分位数设计。参与立姿作业的工作者活动空间（作业者身前工作台边缘至身后墙壁之间的距离）不得小于76，91 cm为最佳。

该校教师样本无明显特征，工作台设计尺寸可参照GB-10000-88中国成年人（18～60岁）人体尺寸。

表6中国成年人立姿肘高百分位表百分位数1510509095994.2.3肘高/cm9259549681 0241 0791 0961 1282.3优化建议

鉴于不同身高教师对工作台高度的要求不同，可设计出高度可调的工作台满足需要，但事实上，可调节的多媒体讲台价格费用过高。考虑到经济因素，讲台高度可按肘高的第95%百分位数设计，即略低于109 cm，可将现阶段讲台高度上调10 cm达100 cm左右。教师立姿活动空间约60 cm，比人因工程规定最低立姿活动空间仍小10 cm左右，因此文中提出将现有讲台进行改造以增大教师立姿活动场所，可改变现有打开式放置方式，将其放置于讲台面上，或缩减讲台宽度10 cm。

3黑板优化建议

3.1现状分析

黑板作为教学过程中的常用工具，在教学中有着极其重要的作用，传统黑板一般为平面式，它板书面积小、空间利用率低，随着当代倡导健康生活和教育改革及学校对课堂教学环境的重视＼[23＼]，实现对黑板的优化设计至关重要。黑板位于该教室布局的一个墙面，与墙壁固定一起，整体长度约为410 cm，高度约为120 cm，多媒体为卷轴收缩式，使用时需将完整屏幕放下，屏幕材质为玻珠幕，高度约200 cm，使用时会有200 cm左右黑板被遮挡。第一排桌子与黑板间的距离约为250 cm，由于人眼向上看的最大角度为25°，许多落座于第一排的学生在观看多媒体课件时观看角度被迫超过人眼限制，使得头部和颈部不得不用力上抬，从而眼部、颈部造成额外酸胀感＼[24＼]，角落同学观看黑板内容时受到更大的地理位置限制，视线范围仅为40°～65°。

3.2优化建议

经实地调研发现，青岛科技大学已普及多媒体教学，黑板使用率日趋下降，地位由先前的主要教学工具降为多媒体辅助教学工具，即使多媒体屏幕在使用时会遮挡部分黑板面积，但只有少部分教师会将剩余黑板部分写满板书，此类教师可通过及时擦拭黑板或收起伸缩式屏幕以利用板面剩余面积，因此板面面积无需扩大。针对角落同学看不清黑板的現状，文中提出改善黑板材质及形状，用弧形黑板替代现传统黑板，弧形黑板是一种非平面的黑色或墨绿色的新型黑板，板面两头高中间低，整体呈弧形微微向中间翘起，具有180°观看视线无死角及易书写擦拭等优点，具体形状如图4所示。针对第一排同学观看黑板脖子酸痛的现状，文中提出移除第一排11个座椅，通过增大第一排与讲台间距离来改变观看视角，且剩余65个座椅足以满足该教师教育教学需求，该改善方案可靠。

4结语

文中以现实实际为前提综合分析，主要对现阶段多媒体教室设施设备（以青岛科技大学教室为例）中存在的问题进行提出、研究和改进，对多媒体教室的硬件设施进行了分析、研究并制定改进方案，经过实际的测量、观察等方式掌握了多媒体教室现有的硬件设施和环境情况，参考人因工程理论的主要内容进行设施设备的优化研究，并将相关理论融入其中，领悟其内涵，依照课桌椅、讲台、黑板设计原则最终发现并完成以下人性化改善工作，期望人的因素更好地融入传统教学中，充分发挥教学价值。

1）高校课桌椅设备存在桌面设计不合理，宽度狭窄，人均长度短座椅设计不合理，下倾严重，高度不足桌椅配套设计不合理，两者高度差、间距均未实现最佳匹配。经随机抽取该校39名男生19名女生（比例2∶1与该校学生总体男女比例相同）进行人体测量，合理利用样本有效数据与人因原理提出将课桌高度由600 mm升至746～796 mm，课桌宽度由300 mm升至400 mm，人均课桌长度由500 mm变为600 mm，人侧桌缘与靠背面距离由560 mm降低至411.4 mm，椅深由390 mm降至291.4 mm，而桌椅高度差扩大至280～320 mm。

2）高校讲台设施的鼠标及键盘的使用存在问题，教师需弯腰到较大曲度才能使用键盘，而鼠标需拿至桌面使用，根据实际测量结果和人因工程操作轻物体、立姿工作者活动空间提出将现阶段讲台高度上调10 cm达100 cm左右，改变现有打开式放置方式，将其键盘放置于讲台面上，或缩减讲台宽度10 cm，以扩大立姿活动空间方便立姿作业。

3）高校黑板设施主要存在第一排学生在观看多媒体课件时头部和颈部不得不用力上抬，造成眼部、颈部造成额外酸胀感，角落同学观看黑板内容时受到更大的地理位置限制，視线范围狭窄，仅为40°～65°两大弊端。根据实际测量结果和人因工程仰视最大视角理论规定提出针对第一排同学观看黑板脖子酸痛，移除教室第一排11个座椅，针对角落同学看不清黑板，提出改善黑板材质和形状，用弧形黑板代替传统黑板的建议。

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（责任编辑：张江）