基于智能制造的人机工程学课程改革与实践*

高慧 李江泳 余祥杰

湘潭大学机械工程与力学学院 湖南湘潭 411105

0 引言

近年来，信息技术与制造业的快速发展及深度融合，对全球制造业的发展形态产生了深远影响。以智能制造技术为核心的新一轮科技革命与产业变革推动着制造业的转型升级，呈现出“万物感知、万物互联、万物智能”的时代特征。智能制造与机器人产业将成为优先发展的战略性新兴产业，也是中国制造2049创新驱动发展的巨大引擎[1]。

人机工程学是讲授以人为本设计理论和实践的课程，是工业设计专业本科教学的核心课程之一，经过几十年的发展，课程体系和教学模式逐步完善。随着传统制造的技术转型和行业改革，制造系统中的人机关系向新型化、复杂化、多元化的方向转变，在“智能制造”“工业4.0”“中国制造2025”等背景下高等教育教学需要及时调整内容，更新形式，对社会需求做出积极的响应。因此，以人机工程学为代表的应用类课程既面临着机遇，同时也需要思考如何应对新形势下教学改革和人才培养的挑战。

1 智能制造与人的作用

智能制造系统源于人工智能的研究，是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化系统。它在制造过程中能进行智能活动，诸如分析、推理、判断、构思和决策等。通过人与智能机器的合作共事，去扩大、延伸和部分地取代人类专家在制造过程中的脑力劳动[2]。

智能制造经历了数字化、网络化、信息化的发展，在其长期发展过程中，我国学术界提出了人—信息—物理系统（HCPS）的智能制造发展理论，强调人在系统中起着主宰作用。近年来，随着设计理念的不断更新，人们更加关注以“人”为中心的设计思想，同时由于大数据、物联网、人工智能2.0等新一代信息技术的飞速发展，智能制造系统中“人的因素”越来越受到重视。智能制造未来的目标是以人为核心，使人在先进技术的支持下从事更有价值、更有乐趣的工作[3]。

2 智能制造与人机工程学

基于HCPS的智能制造发展理论指出，人在系统中起着主导作用。在整个智能制造系统中，人既是设计者、生产者，更是执行者、使用者，因此以人为本的智能制造（简称“人本智造”）是保障智能制造系统在全生命周期中安全、高效运行和维护的基础，它正以强劲的姿态和速度受到学术界和行业的关注与重视，未来也必定成为智能制造发展的重要趋势。

人机工程学是研究人—机—环境系统中三者相互关系的学科，通过采集人与机器在一定环境中相互作用所产生的行为、生理和心理等数据，分析人在整个人机交互过程中的感知、情绪和负荷，合理优化系统中的人机关系，从而使人能够安全、健康、高效、舒适地工作、学习或生活。人机因素是设计工业产品时人机界面所必须考虑的因素，随着人工智能的深入发展，未来的人性化设计具有更加全面立体的内涵，它将超越我们过去所局限的对人与物的关系的认识，向时间、空间、生理感官和心理方向发展，同时，通过现代高科技技术如虚拟现实、互联网络等多种数字化的形式而扩延[4]。

社会发展的脉搏传递给我们新的信息，即全新概念的人机关系和人机系统将给人机工程学课程带来新的内容和活力。在智能制造时代，人在产品设计、生产、运行、维护直至报废的整个生命周期中都是关键要素，人机和谐发展的问题也贯穿始终。因此，人与智能工具的关系、人机智能系统以及由此激发的人的创造性行为等具有创新性和前瞻性的内容都将是人机工程学课程新的研究重点和发展方向。

3 面向智能制造系统的人机工程学课程内容匹配

智能制造是“中国制造2025”战略规划的核心技术和主攻方向[5]，面向智能制造的人机工程是人机工程学在智能制造领域的应用，是基于对人、机器、技术和环境的深入研究，发现并利用人的行为方式、工作能力、作业限制等特点，通过对智能制造系统中相关工具和机器、任务和环境、人员安排等进行合理设计，以提高智能制造系统的效率、安全性、舒适性和有效性的工程技术领域[6]。

根据智能制造背景下人才需求的变化，人机工程学的课程内容需要重新思考和设计，以“强化能力，重在应用”为指导思想，培养具有实践能力、发散思维、创新意识以及综合解决问题能力的应用型人才。以湘潭大学工业设计专业教学计划为例，该课程共48课时，需要兼顾内容全面和重点突出。近几年，为适应社会需要和人才培养要求，我系适时调整教学模式。笔者承担人机工程学课程教学已十余年，通过持续的探索与实践，尝试对传统人机工程学的教材进行内容整合。以国家级规划教材《人机工程学（第5版）》（丁玉兰编著）为例，将原教材章节统一归纳为人体工效、认知心理、人机交互、作业环境四个与智能制造系统密切相关的核心模块，每个模块对应教材章节进行教学统筹规划（见图1），并在教学过程中始终贯穿智能产品设计课题分析和探索，以此来加深学生对人机工程学在智能制造系统中的应用理解。

图1 面向智能制造系统的人机工程学课程内容匹配模型

在面向智能制造系统的人机工程学课程内容匹配模型中，人体工效主要研究内容包括人体尺度、工作姿势、重复动作、工作疾病、员工安全等；涉及智能制造系统中的岗位设计、作业空间布局、人的安全、可穿戴设备等研究领域，保证人在进行系统操作时能有健康舒适的姿势。认知心理关注心理过程，研究内容包括人的感觉特征、知觉规律、人的心理和行为特点、脑力负荷等；在智能制造环境下，相关研究方向主要包括人的失误、可用性原则，关系到智能制造系统的安全装置、防护装置的设计，以此来保证对系统进行操作时能达到降低认知负荷、提高操作精准性的目的。人机交互主要涉及智能制造系统中信息传递装置、操作控制装置及工具设计，关系到信息读取的准确性、高效性，操作行为的有效性、及时性。随着虚实融合技术的发展，人类在人机交互系统中的关系和角色也随之发生变化，人机协作的工作内容和方式也需要适时进行调整。作业环境关系到智能制造系统的安全性、可靠性，影响着系统的正常运行和维护，对在此系统中工作的人来说，光、热、声、振动、毒物等环境影响因素直接影响着人的身心健康、作业效率等等。由此可见，在智能制造系统的各个环节，人机工程学都起着至关重要的作用。

4 面向智能制造系统的人机工程学实验、实践教学设置

人机工程学实验、实践教学环节旨在培养学生的实践动手能力和知识应用能力，在智能制造大背景下，随着人机工程学授课内容的调整及更新，相关的实验实践教学也需要进行改革。理论教学通过实践实验得以强化，因此实验实践教学内容的设置既要满足理论知识的应用拓展要求，提升学生的创新能力，同时也要顺应企业实际需求和社会发展要求，不断提高人才培养质量。

在湘潭大学工业设计系人机工程学的教学计划中，理论课时为24学时，实验实践课时为24学时，实践环节占到整个课程的50%。理论课主要讲授与智能制造相关的人体工效、认知心理、人机交互及作业环境四个模块的核心理论，实验实践主要包含了虚拟现实实验操作、智能产品主题设计实践等（见表1）。在人体参数测量实验中，要求学生依据测量数据，通过三维建模、手工制作等多种方式输出人体仿真模型；通过汽车虚拟仿真驾驶操作，提升学生对信息显示、操作控制装置的设计体验；最后通过智能产品设计对理论知识、实验结论进行实践探索，以此构建以人机工程学的基本理论为核心，以项目驱动为主线，围绕人机学的设计原理和设计方法展开实践的教学模式。通过验证性实验巩固理论知识，通过设计性实验突出创新应用，而主题设计实践借助智能产品这一载体，综合应用人机工程学的相关理论知识进行设计创新，从而形成了理论—实验—实践的多层次教学模型。

在有限的实验设备条件和学时规定下，只有优化实践教学内容，采用交互式、沉浸式教学课堂，构建多层次、内容丰富的教学体系，才能让学生在互动与体验中更好地掌握理论知识，指导设计实践。

5 湘潭大学工业设计系人机工程学课程改革成果展示

自湘潭大学工业设计系成立以来，人机工程学一直作为专业主干课程于大学三年级上学期开设。经过数年的教学积累和课程改革，本课程产生了大量优秀的设计作品，并在各种设计竞赛中获得多种奖励。近年来，随着智能制造的持续升温，人机工程学顺应社会发展需要，引入智能产品专题设计实践，在课堂教学中倡导理论联系实际，理论讲授的同时穿插智能产品实际案例分析，让学生能更好地理解智能产品以及智能制造行业对人机学的要求。

“卧床老人移动辅助机”设计（图2）聚焦于腿脚不便、卧病在床的老人。众所周知，我国已经步入老龄化社会，老年人比例不断提高，同时受生理规律的影响，许多老年人都患有疾病、行动不便。儿女往往由于工作原因不能长时间陪伴在家，因此这部分老年群体面临着日常生活中的诸多困难。学生以社会焦点为导向，综合利用先进技术和设计思维完成产品创新。该产品能够帮助老人完成上厕所、洗澡等活动，通过智能升降机构和人机交互系统的辅助，能较好地帮助这一特殊群体解决生活需求，具有良好的社会价值和现实意义。

图2 设计实践作品一：卧床老人移动辅助机

景区“无人垃圾转运车”（图3）则关注人文环境。随着经济发展和人们消费习惯的改变，外出旅游已经成为现代人们常规的休闲方式，各大景区纷纷加大建设力度吸引游客，同时也因此产生了卫生维护、公共设施不足的问题。此设计针对景区在传统垃圾处理过程中存在的成本高、效率低等问题提供了一套智能服务产品解决方案。该产品通过运用无人车和自动化技术实现对景区垃圾桶内垃圾袋的收集、转运、处理的一体化操作，代替人工处理方式，提高了垃圾处理的智能化、信息化程度，形成了一套智能高效的景区垃圾处理系统。

图3 设计实践作品二：无人垃圾转运车

“鳐之声”（图4）是以海洋生态保护为出发点设计的一款仿鱼声珊瑚拯救水下无人机。该产品利用珊瑚和鱼群的相互依存关系，通过声音采样、地形扫描、声呐探测等智能控制技术模仿珊瑚的声音以吸引鱼群回礁，复苏白化珊瑚，从而稳定海洋生态系统。而“水中救援胶囊”（图5）的设计背景为2021年郑州特大暴雨灾害。设计者们从此次灾害中激发社会责任感，针对城市内涝设计开发出这款紧急救援装置，通过多种技术和功能的使用能有效增加救援时间，从而降低伤亡人数。

图4 设计实践作品三：“鳐之声”（仿鱼声珊瑚拯救水下无人机）

图5 设计实践作品四：水中救援胶囊——城市内涝的拯救者

以上均为2021年度湘潭大学工业设计系人机工程学智能产品专题设计实践作品，也是2021年湖南省大学生工业设计大赛获奖作品。从这些作品中可以看出，设计者们通过课程学习，聚焦民生、环境、社会需求和热点。这些作品体现了设计者们对特殊用户群体的关爱，对可持续发展的关注，对生存设计的关心以及对智能技术的合理应用。本课程在课程思政与专业素质培养方面都产生了较好的效果，同时也实现了“设计以人为本”的目标。

6 结束语

随着智能制造技术的不断发展，系统的设计、运行正逐步由“以技术为中心”向“以人为中心”转变。人是智能制造的服务目标，在整个制造生产活动中，人始终是最具有能动性和最具有活力的因素，智能制造最终要回归到服务和满足人们美好生活需求上来。因此，构建和谐的人机关系，使人与机器友好相处是智能制造系统可预测、可控制的关键要素。符合人机工程要求、人性化的智能制造系统设计体现了人—机—环境完美和谐的结合，是最实在、最前沿的潮流与趋势，更是顺应社会发展要求的深刻体现。