農業院校機械專業的《人機工程學》課程的教學改革

曾榮 徐紅梅 王洪昌 涂鳴

【摘 要】人機工程學課程在農林院校機械專業的開展日益廣泛，但由于缺少合適的教學資源且不具備實驗條件，目前該課程開展的教學效果并不理想。本文針對上述問題，結合農業院校機械專業的建設目標，培養實踐應用型人才，對人機工程學課程的教學提出了改進與優化方法，優化整合了理論與實際相結合的教學內容，并提出了“理論+仿真+案例”的教學模式，以及合理運用現代信息技術和啟發與互動式教學的教學方法。

【關鍵詞】農業院校；人機工程學；教學內容；教學模式；教學方法

【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A

【文章編號】2095-3089（2018）15-0009-02

人機工程學是20世紀50年代初發展起來的一門涉及多學科知識領域的邊緣學科[1]。人機工程學是以人為主體，研究如何使人-機-環境系統的設計符合人的生理結構和心理特點，以實現人、機、環境之間的最佳匹配，使處在不同條件下的人能安全、高效和舒適地進行工作和生活[2]。該課程是機械設計與工業設計類專業的專業核心課程，旨在培養學生發現產品設計中的人機工程問題的能力，并學會運用人機工程理論解決機械產品設計過程中的人機工程問題。

一、教學現狀

近年來我國農業裝備高速發展，農業裝配產品質量不斷提高，性能不斷完善，新產品不斷涌現，市場競爭也日趨激烈。隨著農業裝備技術水平的提升，其舒適性與人性化設計問題也越來越受到制造商及用戶的重視。解決農業裝備舒適性及人性化問題，需要運用人機工程學理論將操作者—裝備—操作環境三者作為系統設計出人機系統的最優組合方案。目前國內已有多位研究者應用人機工程學理論對農業裝備的舒適性問題進行了研究，多集中在對拖拉機和聯合收獲機械的駕駛室座椅的優化設計、減振降噪優化設計等。我國《十二五農機工業發展規劃》也將農機裝備的舒適性問題列入重點建設計劃。因此，在農業院校機械專業開設人機工程學課程有其必要性。

我校于2016年開始開設《人機工程學》課程，旨在通過人機工程學理論的講授使得學生理解農業裝備設計過程中的人機工程學問題，并能運用人機工程學相關理論設計相關的農業機械與裝備。然而，縱觀現有的理論教材以及網絡課程資源，多針對的是工業設計、汽車工程等專業，盡管可以作為農業院校機械專業該課程的教材和參考資料，但其中涉及的案例、數據也多以工業設計和汽車工程專業為主，使得教學中出現專業針對性不強、無法引起學生的興趣的情況，教學效果不理想。其次，本課程尚未開展實驗教學，以課堂講授為主，使得理論與實際結合不緊密，難以培養學生分析問題和解決問題的能力，無法實現教學目標。

在尚未有合適的農業院校機械專業人機工程學課程的教材與課程資源、且不具備開展實驗課程的背景下，如何通過教學內容、教學方法的改進來提高教學效果，是目前值得探討的話題。因此，本文從農業院校機械專業的培養目標出發，結合農業裝備發展趨勢與需求，對人機工程學課程的教學內容進行整合與改進，將農業裝備的人機工程學問題的理論與實踐相結合，以此為基礎，探討人機工程學課程的改革，以有效地促成教學目標的實現。

二、課程教學內容的整合與創新

本課程目前使用的教材為電子工業出版社出版、李達主編的《人機工程學》，該教材為高等院校工業設計規劃教材。授課內容主要依托該教材的內容，包括人機工程學概述、人機系統中人的因素、不同裝置的設計要點以及人機系統的設計，系統全面地講解了人機工程學理論。然而，教材內容過于偏重理論，與機械專業實踐結合較少；此外理論講解中的舉例多針對工業產品設計，對于農業院校機械專業而言，專業針對性不強，難以激發學生學習的熱情。因此，需針對機械專業特點及培養目標，對內容進行重新整合與改進。

首先，對教學內容進行重新組織。適當刪減人機工程學中偏重理論的知識點，如系統中人的因素（第二章）過大篇幅講解人的感知覺特性、人的感知覺的形成原理，知識點偏重生理學和心理學，對該部分內容應作適當的刪減，關注人的感知覺與各類裝置的人機工程學因素的內在聯系。此外，課程總學時為24理論學時，為凸顯教學目標，應重在理論的實踐應用。因此，在對理論內容進行刪減的基礎上，適當增加與實際聯系緊密的教學內容。在講解各類裝置的設計要點時，有針對性地融入與農業裝備相關的實例，例如講解顯示裝置的設計時，可以農業裝備中的各項顯示裝置作為實例講解設計理論，在講解操縱裝置的設計時，可以拖拉機、聯合收割機的駕駛室內的操縱裝置作為實例講解設計要點。有專業針對性地融入的教學實例，做到理論與實踐相結合，將能有效地調動學生的學習積極性，提高教學質量。

三、課程教學模式的探索

為滿足機械專業對本課程教學的實際需要，本課程教學應重視加強與實踐相結合，做到理論與實踐并重，在課程教學中始終貫穿與突出農機裝備設計主線。由于課程學時數少，且不具備進行實踐教學的條件，因此，本文提出了在理論教學過程中結合虛擬仿真以及案例教學的新的教學模式。

1.虛擬仿真應用于理論教學。

人機工程學課程的建設目標是使學生能夠掌握各類機械設備設計中的人機工程學要點，能運用人機工程學理論進行機械裝置的設計，最終能夠進行人-機-環境系統的分析與設計。人機工程學設計是一個系統工程，需結合機械設備的使用需求、使用者的生理和心理因素以及設備與使用者所處的環境特征進行綜合地設計。理論教學難以系統、全方位地講解人機系統的設計，此外，對人機系統中人的各項因素很難做到直觀地讓學生們去理解。因此，本文提出在理論教學的基礎上結合虛擬仿真的教學模式。

在教學過程中，教師可借助虛擬仿真軟件，如Jack軟件構建各類虛擬工作空間，并添加人體模型，創建虛擬的人機系統。以虛擬的人機系統為例，為學生演示人在系統中與機器設備之間的交互、與工作桌椅之間的交互，并模擬人在不同工作姿態下的活動空間、視角、視野、肢體受力等各類生理學參數。運用虛擬的人機系統，能夠從三維立體的角度演示人體的各項生理參數，更加直觀易懂。另外，虛擬的人機系統中人可以實現各類工作過程，如抓取物體、行走、坐下等，不同的工作過程可以展示各自的人體活動空間、工作姿態，并能模擬不同位置姿態下的人的生理參數，從而檢驗工作空間設計的合理性。由于可將設計的機械設備的結構導入軟件中，運用軟件構建使用機械的人體模型，因而能夠檢驗機械設備設計的人體功效。通過虛擬仿真模擬，學生能夠直觀地、全方位地理解人機系統的設計過程，在教師的引導下能夠更加深刻地理解人機工程學理論知識，并能做到理論與實際相結合。

2.案例教學與理論教學相結合的教學模式。

由于現有的理論教材以及網絡課程資源，主要針對的是工業設計和汽車工程等專業，尚未形成適用于農業院校機械專業本課程的完整教學資料，因此，在此前的授課過程中，所使用的教材以及舉例仍針對的是工業設計專業，使得學生在學習過程中產生了對課程開設的必要性的思索，缺乏學習的積極性，教學效果不理想。因此，本文提出在理論教學過程中融入實踐案例，并更新現有的實踐案例，以學生們所熟知的農業機械為例，有針對性地將人機工程學理論與農業機械的設計相結合，使學生更好地理解農業機械設計中的人機工程學問題。

例如，在講解人體測量尺寸數據的使用時，以農業機械中的手扶式機械為例，要求學生設計滿足我國99%的成年人可以使用的手扶高度。通過該案例的講解，學生能夠充分理解人體測量尺寸數據的平均性運用準則，以及如何確定產品功能尺寸，同時又能清楚在今后遇到類似的設計要求時該如何合適地選擇人體尺寸數據。此外，為獲取更多的教學案例，將科研服務于課堂教學具有其必要性。目前有較多的人機工程學理論應用的科研成果，如農機駕駛室人機工程學分析及仿真[3]，水田除草機人機工程學設計及試驗[4]等。通過對這些科研成果進行提煉總結，轉化成適用于課堂教學的實例，講解如何運用人機工程學理論去分析、評價與設計農業機械裝備，將能更好地使學習理論人機工程學理論與實踐的相關性。

有針對性地選取與本專業密切相關的教學案例并講解人機工程學理論如何指導其設計，學生既能理解課本中的理論知識，又能理解理論知識在本專業領域中如何使用，為學生在今后的工作與學習提供良好的理論基礎。

四、課程教學方法的改進

課堂教學是目前本課程采用的最主要的教學方法。在對教學內容進行重新整合、對教學模式進行創新之后，為充分調動學生學習地主動性，并達到最佳的教學效果，對教學方法進行改進尤其必要性。

1.多媒體教學法。

充分現代信息技術，結合教學內容與教學模式，制作一套針對農業院校機械專業人機工程學課程的適用教學課件。綜合運用多媒體技術與各類動畫軟件，集圖、文、聲、動畫于一體，將課程中抽象的理論知識具體化、形象化，加深學生的理解，如人體測量數據章節，通過三維動畫的形式展示人體模型及各類數據的測試方法；充分利用各項軟件技術，將教學案例融入課件中，使授課變得更加生動形象；利用人機工程學理論中的視覺感知理論等知識對教學課件進行美化，如課件背景與字體顏色的選擇應使目標更為突出，目標的出現可以動畫的形式，增添教學課件的可觀性。完善的教學課件，能激發學生對課程學習的興趣和熱情，增添教師與學生之間的交互，充分發揮學生的主體意識，提高教學質量。

2.啟發與互動式教學法。

在教學過程中需注重學生主動與教師引導相結合，即采用啟發式與互動式教學方法。由于課堂講授型授課方式的限制，學生的主動性被忽略，重視“教”而忽視“學”。為引導學生積極主動地參與各項教學活動，提高學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，激發學生的參與熱情，在課程改革的實踐中，啟發式與互動式的教學方法的運用有其必要性。以提問的形式引入知識點，如課程開始以“為什么要學習人機工程學課程”設問，引導學生去思考，通過列舉不符合人機工程學設計要求的例子來回答人機工程學課程開設的必要性，采用提出問題、分析問題、回答問題來組織教學。此外，為充分調動學生在教學過程中的主動性，在教學環節中設置各類與實踐相關的問題，讓學生進行分組討論與分組設計，如以農業機械駕駛室座椅作為實踐題目，結合課堂上講解的座椅設計要點與要求，要求學生指出駕駛室座椅設計中的人機工程學問題，以小組為單位課后設計出符合人機工程要求的座椅，之后在課堂上進行展示，組長進行講解，教師進行點評。通過互動式的課堂教學，以學生為主導，充分調動學生的積極性，培養其分析問題與解決問題的能力。

五、結束語

為適應農業機械發展的實際需求，人機工程學課程在農業院校機械專業的開設具有其必要性。要開展好農業院校機械專業“人機工程學”課程的教學工作，應在機械專業總的培養目標的指導下，明確該課程的教學目標。結合目前的課程建設背景，對教學內容進行重新組織與整合，注重與專業背景知識的融合，重視理論與實踐的結合；對教學模式進行探索，提出虛擬仿真、案例與理論教學相結合的教學模式，并指出以“科研促教學”來提煉教學案例，培養學生人機工程學設計思想以及對課程理論知識與基本技能的掌握；進一步深化教學方法改革的力度，從課件的制作到授課方法上，各個擊破，以達到最優的教學效果，提高教學質量。

參考文獻

[1]丁玉蘭.人機工程學[M].北京：北京理工大學出版社，2005.

[2]李達，姜勇，徐淑芳.人機工程學[M].北京：電子工業出版社，2014.

[3]王建偉，張建敏.基于Jack的農機駕駛室人機工程學分析及仿真[J].農機化研究，2018，06：246-251.

[4]蔣郁，馬旭，齊龍，鹿芳媛.基于Pro/E的水田除草機人機工程學設計及試驗[J].農機化研究，2017，03：93-97.

作者簡介：曾榮，1988年02月生，講師，從事人機工程學教學與科研工作；

通訊作者：涂鳴，1985年07月生，講師。

基金項目：華中農業大學教學研究與改革項目（P2017018）