對體力勞動負荷與疲勞測定實驗的思考和設計

廖 斌，楊 琴，魯 茂，馮海榮

(四川師范大學 商學院，四川 成都 610101)

隨著科技的進步、社會的發展和人類文明的不斷提高，人們對工作和生活質量的要求也越來越高。這也導致現代社會越來越重視人的因素，強調以人為本，一方面重視發揮人的主觀能動性，提高工作效率；另一方面強調為人提供舒適的工作環境，確保勞動者的身心健康。人因工程是實現這一目標的重要學科[1-3]。

人是工作系統中最活躍且最具不確定性的因素，是否具有良好的生理和心理狀態便成為工作系統能否可靠、高效運行的重要條件[4]。由此，研究作業者勞動過程中的生理和心理參數與勞動負荷、勞動能力之間的關系便成為人因工程學科中重要的基礎性內容之一。在人因工程的教學過程中，通過開設“勞動負荷與疲勞測定”實驗指導學生學習和掌握該部分內容。一般情況下，隨著體力勞動負荷的增加，作業者的疲勞程度相應提高，繼而導致工作效率、精度都會有所下降，比如反應時增加、兩點刺激敏感閾限增加、閃光融合值上升等[5]，但是在多年的教學過程中獲得的實驗數據卻與這一理論存在較大的矛盾。本文對相關因素進行分析，并對該實驗進行重新設計，讓學生在學習過程中能真正實現理論和實踐的結合。

1 原實驗存在的問題及分析

1.1 原實驗方案

疲勞分生理疲勞和心理疲勞(本文討論的為生理疲勞)。隨著體力勞動負荷的增加，人的疲勞程度會有相應的提高。迄今為止，人們仍然無法清楚地解釋疲勞的本質，所以還沒有一種方法能直接測定疲勞程度[6-8]。但是疲勞產生后會引起相關生理和心理指標的變化，基于這一點，一般通過測定生理和心理指標的變化來間接測定疲勞程度。常用的生理和心理指標一般有：反應時(簡單和選擇)、兩點刺激敏感閾限、心率、記憶實驗、注意廣度、購銷實驗、閃光融合閾限、膝腱反射機能等[9-10]。

(1) 原實驗方案中選取測定指標：簡單反應時、兩點刺激敏感閾限、心率。

(2) 實驗設備：勞動負荷的發生裝置選用澳瑞特多功能電動跑步機JS-5047M，通過調節跑步機速度來實現控制被試負荷大小的目標；手腕式心率計wi81845，可以將瞬時心率值準確測量；EP202/203反應時測定儀，可以測量簡單反應時和選擇反應時；EP506兩點閾測定儀，測量兩點刺激敏感閾限值。

(3) 被試：分男女各6組，每組4人，為大三學生。

(4) 實驗步驟和內容：在實驗室內，每名被試需要測試3 km/h、5 km/h、7 km/h、9 km/h共4個負荷等級的測試。每名被試每次測試前需要測量其安靜狀態下的心率、反應時、兩點刺激敏感閾限值。勞動者在從事體力作業時，大約經過4～5 min即可到達與勞動強度相適應的水平，進入作業階段的穩定期[11]，所以本實驗較為保守地確定每次負荷測試時間為8 min。被試測試某個速度負荷過程時(趨于穩定后)記錄瞬時心率值10次，計算出本次負荷測試的平均心率值。該次測試完成后，馬上在休息的同時進行反應時(簡單反應時)和兩點閾的測定(兩點閾測量被試右手手背)，分別測試10次，取其平均值記錄下來。

每名被試分別測試4種速度負荷，4名被試依次測試完一個速度負荷后按順序進入下一個速度負荷等級的測試。所以，每名被試在一個負荷等級測試完后之后休息24 min，進行下一個速度負荷等級的測試。

通過對被試在實驗前和實驗中測定指標值變化情況的分析，確定其疲勞程度。

1.2 原實驗存在問題分析

心率是衡量體力勞動強度的一個非常重要的指標，勞動強度越大，心率越快[12]。反應時和兩點刺激敏感閾限是衡量體力勞動之后疲勞程度的常用指標，隨著勞動負荷的增加，疲勞程度也會有相應程度的增加。在原實驗方案的3 km/h、5 km/h、7 km/h、9 km/h 4個測試負荷等級中，每個等級分別獲取了男、女組心率值、反應時和兩點刺激敏感閾限數據72組，分別取平均值后見表1。

表1 原實驗方案心率、反應時、兩點閾測試數據表

1.2.1 心率測試數據分析

從表1數據可見，男性和女性在運動后的心率值隨著測試負荷等級的增加，其值也在相應增長，這一結果與理論并不矛盾。另外，男性和女性測試前的平均心率值也是比較穩定的。

1.2.2 反應時測試數據分析(具體分析男性)

首先分別橫向比較表1中(實驗順序1～4)被試測試前和測試后的數據，其不是很穩定，表現出先減后增的變化趨勢(1>2>3<4>1)，表明：

(1) 實驗安排過程中被試的休息時間不夠；

(2) 在一定的疲勞程度內，被試興奮度的提高會提高被試的反應性。

然后縱向比較表1中每次實驗前后的數據變化。第2次和第3次實驗時，被試測試后反應時相對于測試前還略有下降，這個結果與疲勞理論相矛盾。出現這種矛盾的原因：每次測試前后，由于被試疲勞的出現導致反應時增加一定的量，設為+△1；由于測試的進行使得被試興奮度提高，思維更加活躍，從而導致測試前后反應時減少一定的量，設為-△2；另外由于測試的進行，學習效應會使得被試對EP202/203反應時測定儀更加熟悉，提高其反應性，這也導致測試前后反應時減少一定的量，設為-△3。由于這3個方面的綜合影響，導致實際測試前后反應時數據不增反減，與疲勞理論相悖。而第4次測試前后反應時均大幅度增加，是由于此次測試的負荷強度最大，而且被試在經過前面3次的測試后產生了一定的疲勞累積。這從某種程度上說明測試間的休息時間不能按理論時間安排。

女性數據表現出來的問題和男性相似。

兩點刺激敏感閾限值測試數據分析與反應時測試數據分析類似。

綜上，該實驗原方案主要存在的問題：第一，被試實驗過程中的休息時間過短導致疲勞累積效應的影響；第二，實驗中被試生理和心理興奮性影響實驗數據；第三，學習效應影響實驗數據。

2 實驗方案改進設計

為了解決原實驗存在的問題，讓學生真正感受到實踐和理論的結合，在原實驗方案的基礎上做相應改進和調整。

(1) 改變時間安排。原實驗要求4個等級的負荷測試在一次實驗課時內完成，從而導致疲勞累積的影響。為了消除休息時間不夠進而產生疲勞累積效應的影響，本實驗分4次課完成。每次課每名被試測試1個負荷等級，讓同一被試在做不同負荷等級測試間隔期至少在1天以上，消除疲勞累積效應。為了充分利用實驗課堂時間，該實驗與其他實驗組合搭配進行。

(2) 在每次實驗之前，要求被試自查自己的身體狀態是否正常，如感覺處于非良好狀態則該被試本次實驗暫停。另外，每名被試需做充分的準備活動，比如完成幾分鐘的擴胸、踢腿等舒展身體的運動，在進行實驗之前使被試的生理和心理興奮度達到一定的水平，消除其對實驗數據的影響。

(3) 原實驗方案反應時指標的測試使用的是EP202/203反應時測定儀。被試發現儀器指示燈亮后馬上按鈕完成反應時的測定。在這個過程中，由于每個信號出現的時間間隔比較固定(基本都是2 sec)，這樣被試經過幾次測試后會通過學習了解其規律，從而提高其反應時間，產生學習效應影響。當然更改儀器內部的程序，讓信號出現的時間間隔在一定的范圍內隨機出現是一種比較理想的方式，但是難度較大。所以，在這個問題上主要做了3點改進：第一，每名被試在正式實驗前熟悉EP202/203反應時測定儀，讓其對儀器的熟悉程度達到一定的水平；第二，每名被試測試的反應時數據由之前的10個變為20個；第三，在統計數據時，通過±3σ法剔除異常數據，把被試由于估計間隔期而提前按鈕或者其他因素，比如注意力不集中而延遲按鈕的異常數據剔除掉，然后再算平均值。這樣能較好地消除學習效應的影響。

3 新實驗方案的實踐

由于課程安排的時間原因，新的實驗方案目前還沒有在課程教學中實施，為了對比原實驗方案和新實驗方案，安排原大三男生按照新的實驗方案進行測試，并對數據進行了相關記錄和統計，如表2所示。

從表2數據可以看出，每次實驗前的生理和心理數據是比較穩定的，而且也比較好地與疲勞理論(隨著體力勞動負荷的增加，作業者的疲勞程度應該相應提高，繼而導致工作效率、精度都會有所下降，比如心率提升、反應時增加、兩點刺激敏感閾限增加等)相適應。經過改進后，能讓學生比較清楚、直觀地體會體力勞動負荷與生理指標以及疲勞之間的關系。但是，體力勞動負荷與疲勞程度之間的具體量化關系還需要使用其他分析工具在實驗數據的基礎上做進一步分析。

表2 新實驗方案心率、反應時、兩點閾測試數據表

4 結束語

實驗是教學過程中非常重要的環節，教師應該在設計實驗方案、指導學生實驗的過程中不斷地發現問題，并改進之，這樣才能真正讓學生通過實驗更好地學習理論知識、掌握實踐技能、探索新問題。

[1] 馬如宏.人因工程[M].北京：北京大學出版社，2011.

[2] 丁玉蘭.人因工程學[M].上海：上海交通大學出版社,2005.

[3] 郭伏,楊學涵.人因工程學[M].沈陽:東北大學出版社,2001.

[4] 廖斌.勞動負荷與作業能力研究[J].中國安全生產科學技術，2013，9(6)：162-166.

[5] 朱武壽,盧偉華.關于國內外勞動強度研究的綜述[J].北京體育大學學報,2007,30(11):691-692.

[6] 金曉寧,馬春翔.勞動強度的模糊度量[J].工業工程與管理,2007,12(2):107-110.

[7] 李岳,吳楊帆.高原地區養路工體力勞動強度分級調查研究[J].環境與職業醫學,2006,23(4):355-356.

[8] 蔡啟明.以動態心率為指標的體力勞動強度評價方法研究[J].人類工效學,1999,5(1):38-41.

[9] 孔慶華.人因工程基礎與案例[M].北京:化學工業出版社,2008.

[10] 袁修干,莊達民.人機工程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2002.

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[12] 廖斌,高慧，陳濘.基于相對心率的體力勞動強度評價方法[J].中國安全生產科學技術，2013，9(4)：166-170.