“無障礙人機交互技術”課程的項目化體驗式教學方法探索

孫太任 喻洪流

摘 要：“無障礙人機交互技術”課程是上海理工大學康復工程專業的一門專業必修課，該課程旨在讓學生全面理解認知性人機交互和物理性人機交互技術。本文根據康復器械輔助康復的復雜性和多學科交叉的特點，基于實驗室的康復設備，提出一種以學生為中心、以問題為導向、以項目為評價的體驗式教學方法。該方法把人機交互技術、實踐、交互體驗等有機結合起來，凸顯了康復工程專業的特色，有效提高了學生提出問題、分析問題、解決問題的能力，得到了學生的高度認可。

關鍵詞：認知性人機交互 物理性人機交互 教學探索 康復工程 體驗式教學

Abstract： “Barrier-Free Human-Computer Interaction technology” is one major compulsory course of Rehabilitation Engineering major of University of Shanghai for Science and Technology. The course aims at making students comprehensively understand the Human-Computer Interaction（HCI） technology. According to the complexity and multi-disciplinary cross features of rehabilitation device-assisted rehabilitation， based on the rehabilitation devices in laboratories， this paper proposes a student-centered experiential teaching method which is problem-oriented and is evaluated by projects. This method organically combines HCI technology， practice and interactive experience， highlights the characteristics of rehabilitation engineering， effectively improves students' ability to raise， analyze and solve problems， and has been highly recognized by students.

Key Words： Cognitive HCI; Physical HCI; Teaching exploration; Rehabilitation engineering; Experience teaching

0? 引言

人機交互是人們通過觸摸、手勢、語音、視覺等與機器進行的交互，主要包括語音交互、視覺交互、觸覺交互等認知性人機交互，以及人機直接接觸作業的物理性人機交互[1-3]。人機交互技術早已深深地融入并扎根于人們的生活，比如人機裝配、3D投影、智能手機、電子游戲、遠程會診、虛擬手術訓練等[4-5]。正因為人機交互存在的巨大應用價值，引起了世界各國的重大關注并投入了大量的人力、物力和財力。在已經結束的“十三五”和剛剛啟動的“十四五”中，國家重點研發計劃“智能機器人”專項、“主動康復和老齡化科技應對”專項、“人工智能”專項等都大量地涉及了人機交互技術。

“人機交互技術”課程是計算機相關專業的一

門重要的核心課程，該課程要求計算機相關專業的學生需要較為全面地掌握認知性人機交互技術，包括語音、視覺、感應交互技術等[6， 7]。2006年，上海理工大學最先開始了國內康復工程專業方向本科人才的培養，并于2020年設立國內第一個康復工程本科專業。“無障礙人機交互技術”課程是康復工程專業高年級本科生的一門重要的專業必修課，旨在讓學生理解面向康復的無障礙人機交互技術。

康復工程專業主要培養工程技術與康復醫學醫工交叉的高級專門人才，設計、研發及應用相關的現代康復器械（包括康復/外骨骼機器人、智能假肢、智能輪椅等），幫助失能老人、殘疾人及傷病人等功能障礙者恢復其獨立生活、學習、工作、回歸和參與社會的能力[8， 9]。與傳統的康復治療師輔助康復相比，以現代康復器械進行輔助康復具有持續工作時間長、智能化水平高、趣味性強等優勢，是康復手段的重要發展方向。康復器械輔助康復時存在虛擬現實、語音交互、感應交互等認知性人機交互，與人體直接接觸，存在物理性人機交互。因此，面向康復工程專業的“無障礙人機交互技術”課程不僅需要講授認知性人機交互的相關技術，更需要講授物理性人機交互相關技術。該課程名稱中的“無障礙”突出強調了該人機交互技術需要輔助的對象是存在功能性障礙的人員，通過無障礙人機交互技術使功能障礙人員恢復相應的能力。“無障礙人機交互技術”課程與計算機相關專業的“人機交互技術”課程存在明顯不同。

現階段，沒有面向康復工程專業的專門的人機交互技術的教材。如何讓學生充分理解面向康復的人機交互技術，并讓其對該技術產生濃厚興趣，是該課程教學的一個重點，也是難點。因此，探索“無障礙人機交互技術”課程的有效教學方法[10]，對于提高康復工程專業本科生的教學質量具有重要的意義。

1項目化體驗式教學探索

上海理工大學康復工程與技術研究所（系）擁有先進的康復器械實驗室。該實驗室是民政部神經功能信息與康復工程重點實驗室和上海康復器械工程技術研究中心，配置有100多臺（套）先進的上肢、下肢、髖關節、踝關節、手康復/外骨骼機器人、智能輪椅、智能假肢等康復工程實驗測試設備。在教學時，該實驗室設備可以面向本科生和研究生開放，這為面向康復工程專業的“無障礙人機交互技術”課程教學的探索與改進提供了便利。

“無障礙人機交互技術”是一門實踐性和應用性很強的課程。在講授基本理論知識的同時，需要提高學生的學習興趣、加強學生的主動參與、注重對學生實踐能力的培養。為此，基于實驗室的康復設備，提出一種以學生為中心、以問題為導向、以項目為評價的體驗式教學方法（見圖1）。在基于認知性人機交互估計人體運動意圖的基礎上，康復/外骨骼機器人帶動人體完成某種動作，在該物理性人機交互中，交互的安全性和可靠性是關鍵性要求。下面以物理性人機交互為例，來說明項目化體驗式教學的主要過程。

（1）以授課教師為主導，啟發學生提出物理性人機交互相關的問題，包括多種康復訓練模式、基于運動信號和生機電信號的感知、物理性人機交互的安全性和可靠性的要求、人機協調控制要求、機器人柔順控制方法、阻抗（導納）控制的內涵等。

（2）基于問題進行人機交互體驗，由康復設備帶動肢體完成一定的任務。在此過程中，可以充分了解運動意圖識別的信號源及信號分析、保證物理人機交互安全性的措施、多康復訓練模式、人機交互中柔順控制參數的選取等。在此體驗中，也可以進一步提出問題。

（3）基于前期的人機交互式體驗，學生可以通查找資料、交流討論等方式，分析所提問題并部分解決問題。

（4）在理論教學方面，系統性地介紹基于運動號的感知與控制、基于生機電信號的感知與控制、面向康復的機器人（阻抗）導納控制以及阻抗參數的變化對人機交互的影響。

（5）通過人機交互體驗進一步理論教學內容，并進一步解決提出的問題。

（6）根據運動意圖估計方式、阻抗（導納）控制設計方式、任務的不同構建多個項目。將學生按項目分組，然后讓學生自主完成項目，并進行講解、分析。在此基礎上，可進一步進行人機交互體驗驗證方法的有效性，并加深對物理性人機交互的認識。

該教學方法以循序漸進、深入淺出地展開教學，可以將體驗式教學、實踐性教學與理論教學高度融合，可以大大提高學生的學習興趣、加深學生對課程理論內容的理解。在學習視頻交互時，可讓學生體驗康復設備的虛擬現實技術并讓其領略視頻交互的魅力;在學習物理性交互時，可通過康復/外骨骼機器人讓學生體驗運動意圖識別的重要性，以及阻抗參數的變化對人機交互柔順性的影響，從而使其更好地理解阻抗參數的意義。基于此體驗式教學，可進一步向學生介紹虛擬現實、意圖識別、柔順控制背后的科學技術知識，為學生探索科技的奧秘打下良好的基礎。

2? 成績評定方法

該課程成績考核以問題總結和項目實施報告為考核依據，成績等級分為優、良、及格、不及格。百分制評分標準如表 1 所示。

上述以學生為中心、以問題為導向、以項目為評價的體驗式教學方法在小組進行試驗，并且得到了學生的高度認可，認為該模式把人機交互技術、實踐、交互體驗等有機結合起來，凸顯了康復工程專業的特色，有效提高了學生提出問題、分析問題、解決問題的能力。

3結語

“無障礙人機交互技術”課程是康復工程專業的一門專業必修課。基于康復工程專業的培養目標，本文提出一種以學生為中心、以問題為導向、以項目為評價的體驗式教學方法，進行視覺人機交互、聲音人機交互、感觸人機交互、物理人機交互的體驗與項目實施，可提高學生的學習興趣、學習的主動性以及解決問題的能力。

參考文獻

[1] 胡勇.“人機交互技術”課程教學探索與實踐[J].教育教學論壇，2017，45：159-161.

[2] 瞿軍.基于生物電信號的人機交互技術及其在虛擬現實中的應用研究[D].廣州：華南理工大學，2019.

[3] 倪得晶.面向空間機器人要操作的環境建模與人機交互技術研究[D].南京：東南大學，2018.

[4] 孟祥旭，李學慶，楊承磊，等.人機交互基礎教程（第三版）[M].北京：清華大學出版社，2016.

[5] 羅澤仁.科學技術哲學視域下的人機交互技術研究[J].科技資訊，2020，15： 9-10.

[6] 王千秋，李晶.軟件工程專業中《人機交互技術》課程的教學研究[J].課程教育研究，2017（42）：232.

[7] 張西廣，樊銀亭.軟件工程專業人機交互課程體系設計探討[J].科技創新導報，2018，26：213-215.

[8] 侯增廣，趙新剛，程龍，等.康復機器人與智能輔助系統的研究進展[J].自動化學報，2016，42（12）：1765-1779.

[9] 李素姣，喻洪流.針對研究生的《康復工程概論》創新性教學方法探索[J].醫學教育研究與實踐，2018，26（2）：254-257.

[10] 李寧，劉峙.基于信息化背景下《數控車工》課程教學模式改革的探索[J].科技創新導報，2020，20：222-224.

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