基于人因工程的高校教室設施設備優化建議

劉俊艷　辛圣瑤

摘要：應用人因工程的知識原理和方法，以青島科技法學某教室為例，研究了教室座椅尺寸、黑板擺放位置、講臺設計等硬件條件，發現教室桌椅存在桌面、座椅、桌椅配套設計不合理等弊端，講臺、黑板設施也均存在設計缺陷。最終對課桌椅7項指標提出改善意見，講臺高度上調10 cm并將打開式鍵盤放置方式替換為直接放置于講臺面上或縮減講臺寬度10 cm，用弧形黑板替換現有黑板的改進措施。結果表明：人因工程的知識原理和方法可以很好的用于高校設施設備的優化改進，是一種按照人的特性設計和改進人機環境系統的科學。

關鍵詞：人因工程;教室改善;方法應用;座椅尺寸;講臺設計;黑板投影

中圖分類號：TS 972文獻標識碼：A文章編號：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

教室是教師授課、學生學習的主要場所，隨著當代科學技術的蓬勃發展，多媒體技術越來越多地運用于高校的教學管理與實踐工作中＼[1＼]，它以圖文并茂、聲像俱佳、動靜皆宜的表現形式，將高校的教學代入了一種全新的領域，深受教師和學生的歡迎＼[2＼]。在教學質量與內容得到不斷提高與擴展的同時，教學的隱形資源中的諸多不足卻被忽略，諸如課桌椅、講臺、黑板等設施設備的尺寸、形狀設計不合理均會嚴重降低個人學習效率。

第3期劉俊艷等：基于人因工程的高校教室設施設備優化建議人因工程學（Human Factors）是一門以心理學、生理學、生物力學、人體測量、計算機科學、系統科學等多學科原理和方法為基礎的綜合性交叉學科＼[3＼]，該學科系統地將人的生理結構、心理特征、工作能力限度、動機與行為等因素與產品設計及環境改善相結合，致力于研究人、機器、環境間的相互聯系和相互作用，為人類提供安全、健康、高效、舒適的工作環境，全力保障不同工作狀態下效率的提升及個人價值的發揮＼[4＼]。COETZEER ＼[5＼]指出人因工程是解決工業中與人有關的抽象問題提供了一種實用的方法，而STANTON N A＼[6＼]等學者提出人因工程是一種實用的工程設計方法，其使用領域不僅限于工業范疇。HAMED S＼[7＼]從人因工程和產品設計的角度重新審視了醫療保健中個人防護用品的適用，SAIDI T＼[8＼]亦將人因工程用于醫療器械領域解決與人有關的醫療器械設計問題。值得借鑒的是，文中研究對象具有一定的抽象性，同時涉及使用者及使用者的保健問題，因此可使用人因工程相關理論知識優化多媒體教室設施設備。在相關方法與研究對象的研究領域，學者PEREIRA? P F利用人因工程從人的角度對住宅區室內設施進行了分析＼[9＼]，HUNG I C等學者＼[10＼]則利用人因工程對醫療中心的設施設備進行了改善分析，類似地，學者吳雙雙等＼[11＼]為減少患者就醫的時間成本和精力投入，對醫院的等待座椅提出了基于人體工程學的材料、色彩、尺度、結構上相應的建議。

因教室環境對學生的學習行為、個人行為與個人成長發展具有較大影響＼[12-13＼]，KHOSHABI P＼[14＼]則指出為實現教學效率的提升，根據不同使用群體配以不同類型的教室設備。文中亦對高校教室室內環境進行分析，分析接入點為設施設備，黃金、陳玲＼[15＼]以研究對象身高為鑒，為幼兒設計出符合不同年齡段的桌椅;學者張茜＼[16＼]就教室的桌椅設計及布局展開人因研究，學者宋海冰、林怡、洪增強＼[17＼]在對多媒體講臺的優化研究中提出，應用簡單機械結構實現屏幕高度及角度的調節以提高空間利用率。以上研究成果為本研究中高校教室設施設備的優化改進提供了思路。

利用人因工程理論知識，提出與現存問題一一對應的解決方案，通過對教室座椅、黑板等設施設備的現狀分析與優化改善，提出能夠實現人-機有機匹配的改善建議與方案。

1課桌椅優化意見

1.1現狀分析

以青島科技大學某教室為研究對象，使用對象為全校師生，群體穩定，男女比例近2∶1，主要用于課堂教學及學生自習，使用頻率和利用率高。該校授課模式多為教師講授型，故默認學生以坐姿進行讀、寫工作，暫不考慮桌椅使用者回頭、側身參與小組討論等。

該教室整體形狀為9 m×8 m的長方形，非階梯狀，可同時容納76名學生，桌椅均為固定一體化設計，整體構造為中間5連座，由50 cm過道與兩側3連座分隔。實際測量指標圖解如圖1所示，結果見表1。

表1課桌椅現狀測量指標測量數據/mm課桌高度h1600課桌寬度s1300人均課桌長度l1500人側桌緣與靠背面的距離s2560椅面高度h2400經實地調研發現，該高校學生主要對教室桌椅設施的幾個方面存在不滿，學生滿意度低的問題點為進一步實現人因工程理論與實際問題的對接改善提供了參考點：①桌面設計不合理，寬度狹窄，人均長度短，有限空間緊迫感嚴重，易造成使用者心里壓迫感及煩躁感;②座椅設計不合理，下傾嚴重，高度不足，導致錯誤的書寫姿勢，降低坐姿寫字學習時的舒適度;③座椅與桌面間配套不合理，兩者高度差、間距均未實現最佳匹配，坐用者在保持坐姿時無法伸展雙腿，或雙腿保持舒服姿勢的無法保障自身臀部與椅子面的接觸面積，從而造成臀部壓力及不必要的書寫勞累感。

為實現人-機最佳匹配，參照學者李小川、劉媛華＼[18＼]在設計蒸汽拖把時，利用人體測量數據對現有設施進行合理優化的方法。文中隨機抽取該校39名男生和19名女生（比例近2∶1）進行嚴格地人體測量，測量人群比例與該?？傮w男女比例相同，能代表該校整體水平。按照國標要求進行人體測量，具體測量數據見表2、表3，測量標準參照圖2，改善所需的男女生某指標平均值及標準差見表4。

以肩峰點為軸心，手臂在水平面上自由運動所形成的軌跡范圍即坐姿作業區域，該區域的半徑最大值是可使臂部在伸展狀態下操作工作面于較短時間的長度數值，正常平面作業范圍是以手臂自然彎曲畫成的圓，在正常作業區域內工作可使作業者在小臂正常放置而上臂處于自然懸垂狀態下舒適操作＼[19＼]。為滿足90%以上人群需要，人因工程定義肩峰點位置由1/2胸厚（取第95%百分位數）和1/2肩寬（取第5%百分位數）的交點確定，鑒于實際作業時，肘部隨之移動，課桌最佳寬度為405 mm，圖中（圖4）粗實線區域為舒適的作業空間范圍。

表4男女生某指標平均值及標準差單位：mm男生女生身高1 7161 553平均小腿長3.7499517小腿長標準差3.733.5272.2平均臀膝距3.9471462臀膝距標準差3.936.548.7坐姿肘高平均值3.5+3.8728859坐姿肘高標準差3.5+3.833.532.649.3

圖2成年人坐姿尺寸標識一般來說，寫字用桌面高度主要由人體參數及作業性質決定，寫字型作業面高度國家推薦值為74～78 cm（男）、70～75 cm（女），該數據由座面高度加1/3座高或坐姿高度減25 mm確定。

座椅設計的原則應保證下肢著力于整個腳掌，方便雙腳自由活動，減少臀部壓力，座面高度略低于小腿高度為宜。為使使用者雙腳自由活動且保證臀部舒適度的同時不因座深太長而壓迫小腿，一般取臂部至大腿全長的3/4為宜。座面應有向后傾斜的座角，使得就坐者自然后倚，該椅背的形狀設計若與人腰形狀相符，可大大增加坐姿作業的舒適度，但傾角過大會加大桌面作業的難度，從而使人感到煩惱＼[20＼]。

1.3優化建議

基于座椅設計的國家標準、工效學原理及樣本學生的測量數據，為提高學生對教室座椅的滿意度，擬對教室課桌椅做出以下改善建議。

1.3.1座椅改善方案

高度：座椅高度應略低于小腿加足高，將倚高約等于小腿高（3.7）可行。為保證設計尺寸符合95%的人，文中計算所抽查樣本的小腿高（3.7）均值及標準差，若以小腿高作為座椅高度參考標準計算得第2.5%、97.5%百分位數的座椅高度505-（40.46×1.96）=425.7 mm。由于國家已有標準規定，椅凳類家具的座面高度可在400、420、440 mm這3個規格間進行選擇，故應選擇420 mm最佳。

座深：座深的設計應滿足人的腰背自然地倚靠在靠背上時椅面前緣不會抵到小腿，一般以“臀膝距”（3.9）尺寸為參考，取第5百分位數的3/4為設計依據。根據計算，座深291.4 mm時針對該樣本被測者有最佳的舒適度。

椅背：人因工程理論認為閱讀用椅傾角101°～104°最佳，椅背形狀應盡可能符合人體倚靠時骨骼形狀，即將現階段中間凹陷兩側凸起椅背改為腰椎依靠的部位適度隆起。

椅面：當椅面與水平面傾角改善為9°左右可最大程度避免因人體隨椅面下傾而給小腿帶來的壓力及水平座椅所帶來的不適感，鑒于該教室教學設備老化，現階段教室的座椅多半為下傾形，優者成水平狀，仍存在部分問題，亟待改善。

1.3.2課桌改善方案

桌高：坐姿肘高（3.5+3.8）平均值P（95）=410.5 mm，考慮到坐姿眼高與桌面的距離、階梯教室設計，宜在該基礎上再加50～100 mm，因此初步定為460～510 mm最適宜高度。

人均桌長：由于教室長寬限制，人均距離及桌面建議寬度都只為建議值，根據樣本平均臂長（13+1.4）491.2 mm，參考圖3坐姿作業適宜范圍，人均長度為491.2×sec39.4=633.65 mm時，學生可在自己的桌面范圍內手臂自由作業。

桌寬：建議采取國家標準400 mm。

其他：為減少伏案學習時的頸前傾角，降低頸部壓迫感，同時防止桌面傾角過大書本滑落，可將水平桌面更改為斜面課桌，坡度為100°～120°為宜。

1.3.3桌椅配套優化方案

桌椅高度差：根據GBT桌椅配套使用標準尺寸，桌椅高度差應控制在280～320 mm。

人側桌緣與靠背面的距離：據悉改善后桌面寬度取400 mm，國標規定寫字桌臺面下的空間寬度不小于520 mm，座椅據桌緣寬度120 mm左右適宜，因此人側桌緣與靠背面的距離120+椅深291.4 mm=411.4 mm為最佳。

根據上述方案將課桌椅設備優化設計尺寸匯總見表5。

表5桌椅設施改善前后指標匯總改善項目改善前/mm改善后/mm課桌高度600420課桌寬度300400人均課桌長度500600人側桌緣與靠背面的距離560411.4椅面高度400420椅深390291.4桌椅高度差210280～3202講臺優化建議

2.1現狀分析

該高校教室講臺的高度為90 cm，寬度約150 cm，工作臺寬度約65 cm，鍵盤寬度約15 cm，黑板粉筆槽厚度約10 cm，該校所有教課老師均有機會使用該設施進行授課教學。講臺為對開式，打開之后工作臺內部鍵盤面比桌面矮約25 cm，且鼠標鍵盤均位于打開后的工作面內。在現階段走訪調查中，教師們普遍反映講臺內鼠標及鍵盤的使用存在較大的問題，需要彎腰到近90°才能使用鍵盤，且鼠標需被教師放置到講臺面進行使用，造成了額外的勞累感并對教師的腰椎健康安全造成影響＼[21＼]。

2.2工效學原理分析

講臺屬于直立工作臺，該類工作臺的設計工作應根據具體操作項目設定，男女共用工作面以男性數值為參照進行設計＼[22＼]。對于操作精密度比較高的物體（G≤10 N），操作臺的高度應高于人的肘部高度;對于操作輕物體（G≤45 N）的工作，操作臺的高度應稍低于人的肘部高度;對于操作重物體（G>45 N）的工作，操作臺的高度應低于人的肘部高度的100～150 mm。教師利用講臺設施播放PPT、拿取粉筆等操作，類似于操作輕物體，工作臺高度應略低于人的肘部高度，具體尺寸可按身高和肘高的第95%百分位數設計。參與立姿作業的工作者活動空間（作業者身前工作臺邊緣至身后墻壁之間的距離）不得小于76，91 cm為最佳。

該校教師樣本無明顯特征，工作臺設計尺寸可參照GB-10000-88中國成年人（18～60歲）人體尺寸。

表6中國成年人立姿肘高百分位表百分位數1510509095994.2.3肘高/cm9259549681 0241 0791 0961 1282.3優化建議

鑒于不同身高教師對工作臺高度的要求不同，可設計出高度可調的工作臺滿足需要，但事實上，可調節的多媒體講臺價格費用過高?？紤]到經濟因素，講臺高度可按肘高的第95%百分位數設計，即略低于109 cm，可將現階段講臺高度上調10 cm達100 cm左右。教師立姿活動空間約60 cm，比人因工程規定最低立姿活動空間仍小10 cm左右，因此文中提出將現有講臺進行改造以增大教師立姿活動場所，可改變現有打開式放置方式，將其放置于講臺面上，或縮減講臺寬度10 cm。

3黑板優化建議

3.1現狀分析

黑板作為教學過程中的常用工具，在教學中有著極其重要的作用，傳統黑板一般為平面式，它板書面積小、空間利用率低，隨著當代倡導健康生活和教育改革及學校對課堂教學環境的重視＼[23＼]，實現對黑板的優化設計至關重要。黑板位于該教室布局的一個墻面，與墻壁固定一起，整體長度約為410 cm，高度約為120 cm，多媒體為卷軸收縮式，使用時需將完整屏幕放下，屏幕材質為玻珠幕，高度約200 cm，使用時會有200 cm左右黑板被遮擋。第一排桌子與黑板間的距離約為250 cm，由于人眼向上看的最大角度為25°，許多落座于第一排的學生在觀看多媒體課件時觀看角度被迫超過人眼限制，使得頭部和頸部不得不用力上抬，從而眼部、頸部造成額外酸脹感＼[24＼]，角落同學觀看黑板內容時受到更大的地理位置限制，視線范圍僅為40°～65°。

3.2優化建議

經實地調研發現，青島科技大學已普及多媒體教學，黑板使用率日趨下降，地位由先前的主要教學工具降為多媒體輔助教學工具，即使多媒體屏幕在使用時會遮擋部分黑板面積，但只有少部分教師會將剩余黑板部分寫滿板書，此類教師可通過及時擦拭黑板或收起伸縮式屏幕以利用板面剩余面積，因此板面面積無需擴大。針對角落同學看不清黑板的現狀，文中提出改善黑板材質及形狀，用弧形黑板替代現傳統黑板，弧形黑板是一種非平面的黑色或墨綠色的新型黑板，板面兩頭高中間低，整體呈弧形微微向中間翹起，具有180°觀看視線無死角及易書寫擦拭等優點，具體形狀如圖4所示。針對第一排同學觀看黑板脖子酸痛的現狀，文中提出移除第一排11個座椅，通過增大第一排與講臺間距離來改變觀看視角，且剩余65個座椅足以滿足該教師教育教學需求，該改善方案可靠。

4結語

文中以現實實際為前提綜合分析，主要對現階段多媒體教室設施設備（以青島科技大學教室為例）中存在的問題進行提出、研究和改進，對多媒體教室的硬件設施進行了分析、研究并制定改進方案，經過實際的測量、觀察等方式掌握了多媒體教室現有的硬件設施和環境情況，參考人因工程理論的主要內容進行設施設備的優化研究，并將相關理論融入其中，領悟其內涵，依照課桌椅、講臺、黑板設計原則最終發現并完成以下人性化改善工作，期望人的因素更好地融入傳統教學中，充分發揮教學價值。

1）高校課桌椅設備存在桌面設計不合理，寬度狹窄，人均長度短座椅設計不合理，下傾嚴重，高度不足桌椅配套設計不合理，兩者高度差、間距均未實現最佳匹配。經隨機抽取該校39名男生19名女生（比例2∶1與該校學生總體男女比例相同）進行人體測量，合理利用樣本有效數據與人因原理提出將課桌高度由600 mm升至746～796 mm，課桌寬度由300 mm升至400 mm，人均課桌長度由500 mm變為600 mm，人側桌緣與靠背面距離由560 mm降低至411.4 mm，椅深由390 mm降至291.4 mm，而桌椅高度差擴大至280～320 mm。

2）高校講臺設施的鼠標及鍵盤的使用存在問題，教師需彎腰到較大曲度才能使用鍵盤，而鼠標需拿至桌面使用，根據實際測量結果和人因工程操作輕物體、立姿工作者活動空間提出將現階段講臺高度上調10 cm達100 cm左右，改變現有打開式放置方式，將其鍵盤放置于講臺面上，或縮減講臺寬度10 cm，以擴大立姿活動空間方便立姿作業。

3）高校黑板設施主要存在第一排學生在觀看多媒體課件時頭部和頸部不得不用力上抬，造成眼部、頸部造成額外酸脹感，角落同學觀看黑板內容時受到更大的地理位置限制，視線范圍狹窄，僅為40°～65°兩大弊端。根據實際測量結果和人因工程仰視最大視角理論規定提出針對第一排同學觀看黑板脖子酸痛，移除教室第一排11個座椅，針對角落同學看不清黑板，提出改善黑板材質和形狀，用弧形黑板代替傳統黑板的建議。

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（責任編輯：張江）