基于智能制造的人機(jī)工程學(xué)課程改革與實(shí)踐*

高慧 李江泳 余祥杰

湘潭大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院 湖南湘潭 411105

0 引言

近年來，信息技術(shù)與制造業(yè)的快速發(fā)展及深度融合，對全球制造業(yè)的發(fā)展形態(tài)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。以智能制造技術(shù)為核心的新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革推動(dòng)著制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，呈現(xiàn)出“萬物感知、萬物互聯(lián)、萬物智能”的時(shí)代特征。智能制造與機(jī)器人產(chǎn)業(yè)將成為優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，也是中國制造2049創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展的巨大引擎[1]。

人機(jī)工程學(xué)是講授以人為本設(shè)計(jì)理論和實(shí)踐的課程，是工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)本科教學(xué)的核心課程之一，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，課程體系和教學(xué)模式逐步完善。隨著傳統(tǒng)制造的技術(shù)轉(zhuǎn)型和行業(yè)改革，制造系統(tǒng)中的人機(jī)關(guān)系向新型化、復(fù)雜化、多元化的方向轉(zhuǎn)變，在“智能制造”“工業(yè)4.0”“中國制造2025”等背景下高等教育教學(xué)需要及時(shí)調(diào)整內(nèi)容，更新形式，對社會(huì)需求做出積極的響應(yīng)。因此，以人機(jī)工程學(xué)為代表的應(yīng)用類課程既面臨著機(jī)遇，同時(shí)也需要思考如何應(yīng)對新形勢下教學(xué)改革和人才培養(yǎng)的挑戰(zhàn)。

1 智能制造與人的作用

智能制造系統(tǒng)源于人工智能的研究，是一種由智能機(jī)器和人類專家共同組成的人機(jī)一體化系統(tǒng)。它在制造過程中能進(jìn)行智能活動(dòng)，諸如分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策等。通過人與智能機(jī)器的合作共事，去擴(kuò)大、延伸和部分地取代人類專家在制造過程中的腦力勞動(dòng)[2]。

智能制造經(jīng)歷了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化的發(fā)展，在其長期發(fā)展過程中，我國學(xué)術(shù)界提出了人—信息—物理系統(tǒng)（HCPS）的智能制造發(fā)展理論，強(qiáng)調(diào)人在系統(tǒng)中起著主宰作用。近年來，隨著設(shè)計(jì)理念的不斷更新，人們更加關(guān)注以“人”為中心的設(shè)計(jì)思想，同時(shí)由于大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能2.0等新一代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，智能制造系統(tǒng)中“人的因素”越來越受到重視。智能制造未來的目標(biāo)是以人為核心，使人在先進(jìn)技術(shù)的支持下從事更有價(jià)值、更有樂趣的工作[3]。

2 智能制造與人機(jī)工程學(xué)

基于HCPS的智能制造發(fā)展理論指出，人在系統(tǒng)中起著主導(dǎo)作用。在整個(gè)智能制造系統(tǒng)中，人既是設(shè)計(jì)者、生產(chǎn)者，更是執(zhí)行者、使用者，因此以人為本的智能制造（簡稱“人本智造”）是保障智能制造系統(tǒng)在全生命周期中安全、高效運(yùn)行和維護(hù)的基礎(chǔ)，它正以強(qiáng)勁的姿態(tài)和速度受到學(xué)術(shù)界和行業(yè)的關(guān)注與重視，未來也必定成為智能制造發(fā)展的重要趨勢。

人機(jī)工程學(xué)是研究人—機(jī)—環(huán)境系統(tǒng)中三者相互關(guān)系的學(xué)科，通過采集人與機(jī)器在一定環(huán)境中相互作用所產(chǎn)生的行為、生理和心理等數(shù)據(jù)，分析人在整個(gè)人機(jī)交互過程中的感知、情緒和負(fù)荷，合理優(yōu)化系統(tǒng)中的人機(jī)關(guān)系，從而使人能夠安全、健康、高效、舒適地工作、學(xué)習(xí)或生活。人機(jī)因素是設(shè)計(jì)工業(yè)產(chǎn)品時(shí)人機(jī)界面所必須考慮的因素，隨著人工智能的深入發(fā)展，未來的人性化設(shè)計(jì)具有更加全面立體的內(nèi)涵，它將超越我們過去所局限的對人與物的關(guān)系的認(rèn)識(shí)，向時(shí)間、空間、生理感官和心理方向發(fā)展，同時(shí)，通過現(xiàn)代高科技技術(shù)如虛擬現(xiàn)實(shí)、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)等多種數(shù)字化的形式而擴(kuò)延[4]。

社會(huì)發(fā)展的脈搏傳遞給我們新的信息，即全新概念的人機(jī)關(guān)系和人機(jī)系統(tǒng)將給人機(jī)工程學(xué)課程帶來新的內(nèi)容和活力。在智能制造時(shí)代，人在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)行、維護(hù)直至報(bào)廢的整個(gè)生命周期中都是關(guān)鍵要素，人機(jī)和諧發(fā)展的問題也貫穿始終。因此，人與智能工具的關(guān)系、人機(jī)智能系統(tǒng)以及由此激發(fā)的人的創(chuàng)造性行為等具有創(chuàng)新性和前瞻性的內(nèi)容都將是人機(jī)工程學(xué)課程新的研究重點(diǎn)和發(fā)展方向。

3 面向智能制造系統(tǒng)的人機(jī)工程學(xué)課程內(nèi)容匹配

智能制造是“中國制造2025”戰(zhàn)略規(guī)劃的核心技術(shù)和主攻方向[5]，面向智能制造的人機(jī)工程是人機(jī)工程學(xué)在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用，是基于對人、機(jī)器、技術(shù)和環(huán)境的深入研究，發(fā)現(xiàn)并利用人的行為方式、工作能力、作業(yè)限制等特點(diǎn)，通過對智能制造系統(tǒng)中相關(guān)工具和機(jī)器、任務(wù)和環(huán)境、人員安排等進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以提高智能制造系統(tǒng)的效率、安全性、舒適性和有效性的工程技術(shù)領(lǐng)域[6]。

根據(jù)智能制造背景下人才需求的變化，人機(jī)工程學(xué)的課程內(nèi)容需要重新思考和設(shè)計(jì)，以“強(qiáng)化能力，重在應(yīng)用”為指導(dǎo)思想，培養(yǎng)具有實(shí)踐能力、發(fā)散思維、創(chuàng)新意識(shí)以及綜合解決問題能力的應(yīng)用型人才。以湘潭大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)教學(xué)計(jì)劃為例，該課程共48課時(shí)，需要兼顧內(nèi)容全面和重點(diǎn)突出。近幾年，為適應(yīng)社會(huì)需要和人才培養(yǎng)要求，我系適時(shí)調(diào)整教學(xué)模式。筆者承擔(dān)人機(jī)工程學(xué)課程教學(xué)已十余年，通過持續(xù)的探索與實(shí)踐，嘗試對傳統(tǒng)人機(jī)工程學(xué)的教材進(jìn)行內(nèi)容整合。以國家級規(guī)劃教材《人機(jī)工程學(xué)（第5版）》（丁玉蘭編著）為例，將原教材章節(jié)統(tǒng)一歸納為人體工效、認(rèn)知心理、人機(jī)交互、作業(yè)環(huán)境四個(gè)與智能制造系統(tǒng)密切相關(guān)的核心模塊，每個(gè)模塊對應(yīng)教材章節(jié)進(jìn)行教學(xué)統(tǒng)籌規(guī)劃（見圖1），并在教學(xué)過程中始終貫穿智能產(chǎn)品設(shè)計(jì)課題分析和探索，以此來加深學(xué)生對人機(jī)工程學(xué)在智能制造系統(tǒng)中的應(yīng)用理解。

圖1 面向智能制造系統(tǒng)的人機(jī)工程學(xué)課程內(nèi)容匹配模型

在面向智能制造系統(tǒng)的人機(jī)工程學(xué)課程內(nèi)容匹配模型中，人體工效主要研究內(nèi)容包括人體尺度、工作姿勢、重復(fù)動(dòng)作、工作疾病、員工安全等；涉及智能制造系統(tǒng)中的崗位設(shè)計(jì)、作業(yè)空間布局、人的安全、可穿戴設(shè)備等研究領(lǐng)域，保證人在進(jìn)行系統(tǒng)操作時(shí)能有健康舒適的姿勢。認(rèn)知心理關(guān)注心理過程，研究內(nèi)容包括人的感覺特征、知覺規(guī)律、人的心理和行為特點(diǎn)、腦力負(fù)荷等；在智能制造環(huán)境下，相關(guān)研究方向主要包括人的失誤、可用性原則，關(guān)系到智能制造系統(tǒng)的安全裝置、防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)，以此來保證對系統(tǒng)進(jìn)行操作時(shí)能達(dá)到降低認(rèn)知負(fù)荷、提高操作精準(zhǔn)性的目的。人機(jī)交互主要涉及智能制造系統(tǒng)中信息傳遞裝置、操作控制裝置及工具設(shè)計(jì)，關(guān)系到信息讀取的準(zhǔn)確性、高效性，操作行為的有效性、及時(shí)性。隨著虛實(shí)融合技術(shù)的發(fā)展，人類在人機(jī)交互系統(tǒng)中的關(guān)系和角色也隨之發(fā)生變化，人機(jī)協(xié)作的工作內(nèi)容和方式也需要適時(shí)進(jìn)行調(diào)整。作業(yè)環(huán)境關(guān)系到智能制造系統(tǒng)的安全性、可靠性，影響著系統(tǒng)的正常運(yùn)行和維護(hù)，對在此系統(tǒng)中工作的人來說，光、熱、聲、振動(dòng)、毒物等環(huán)境影響因素直接影響著人的身心健康、作業(yè)效率等等。由此可見，在智能制造系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，人機(jī)工程學(xué)都起著至關(guān)重要的作用。

4 面向智能制造系統(tǒng)的人機(jī)工程學(xué)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)設(shè)置

人機(jī)工程學(xué)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)旨在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和知識(shí)應(yīng)用能力，在智能制造大背景下，隨著人機(jī)工程學(xué)授課內(nèi)容的調(diào)整及更新，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)也需要進(jìn)行改革。理論教學(xué)通過實(shí)踐實(shí)驗(yàn)得以強(qiáng)化，因此實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置既要滿足理論知識(shí)的應(yīng)用拓展要求，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力，同時(shí)也要順應(yīng)企業(yè)實(shí)際需求和社會(huì)發(fā)展要求，不斷提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

在湘潭大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)系人機(jī)工程學(xué)的教學(xué)計(jì)劃中，理論課時(shí)為24學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課時(shí)為24學(xué)時(shí)，實(shí)踐環(huán)節(jié)占到整個(gè)課程的50%。理論課主要講授與智能制造相關(guān)的人體工效、認(rèn)知心理、人機(jī)交互及作業(yè)環(huán)境四個(gè)模塊的核心理論，實(shí)驗(yàn)實(shí)踐主要包含了虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)操作、智能產(chǎn)品主題設(shè)計(jì)實(shí)踐等（見表1）。在人體參數(shù)測量實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生依據(jù)測量數(shù)據(jù)，通過三維建模、手工制作等多種方式輸出人體仿真模型；通過汽車虛擬仿真駕駛操作，提升學(xué)生對信息顯示、操作控制裝置的設(shè)計(jì)體驗(yàn)；最后通過智能產(chǎn)品設(shè)計(jì)對理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行實(shí)踐探索，以此構(gòu)建以人機(jī)工程學(xué)的基本理論為核心，以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)為主線，圍繞人機(jī)學(xué)的設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)方法展開實(shí)踐的教學(xué)模式。通過驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)鞏固理論知識(shí)，通過設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)突出創(chuàng)新應(yīng)用，而主題設(shè)計(jì)實(shí)踐借助智能產(chǎn)品這一載體，綜合應(yīng)用人機(jī)工程學(xué)的相關(guān)理論知識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)新，從而形成了理論—實(shí)驗(yàn)—實(shí)踐的多層次教學(xué)模型。

在有限的實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件和學(xué)時(shí)規(guī)定下，只有優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，采用交互式、沉浸式教學(xué)課堂，構(gòu)建多層次、內(nèi)容豐富的教學(xué)體系，才能讓學(xué)生在互動(dòng)與體驗(yàn)中更好地掌握理論知識(shí)，指導(dǎo)設(shè)計(jì)實(shí)踐。

5 湘潭大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)系人機(jī)工程學(xué)課程改革成果展示

自湘潭大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)系成立以來，人機(jī)工程學(xué)一直作為專業(yè)主干課程于大學(xué)三年級上學(xué)期開設(shè)。經(jīng)過數(shù)年的教學(xué)積累和課程改革，本課程產(chǎn)生了大量優(yōu)秀的設(shè)計(jì)作品，并在各種設(shè)計(jì)競賽中獲得多種獎(jiǎng)勵(lì)。近年來，隨著智能制造的持續(xù)升溫，人機(jī)工程學(xué)順應(yīng)社會(huì)發(fā)展需要，引入智能產(chǎn)品專題設(shè)計(jì)實(shí)踐，在課堂教學(xué)中倡導(dǎo)理論聯(lián)系實(shí)際，理論講授的同時(shí)穿插智能產(chǎn)品實(shí)際案例分析，讓學(xué)生能更好地理解智能產(chǎn)品以及智能制造行業(yè)對人機(jī)學(xué)的要求。

“臥床老人移動(dòng)輔助機(jī)”設(shè)計(jì)（圖2）聚焦于腿腳不便、臥病在床的老人。眾所周知，我國已經(jīng)步入老齡化社會(huì)，老年人比例不斷提高，同時(shí)受生理規(guī)律的影響，許多老年人都患有疾病、行動(dòng)不便。兒女往往由于工作原因不能長時(shí)間陪伴在家，因此這部分老年群體面臨著日常生活中的諸多困難。學(xué)生以社會(huì)焦點(diǎn)為導(dǎo)向，綜合利用先進(jìn)技術(shù)和設(shè)計(jì)思維完成產(chǎn)品創(chuàng)新。該產(chǎn)品能夠幫助老人完成上廁所、洗澡等活動(dòng)，通過智能升降機(jī)構(gòu)和人機(jī)交互系統(tǒng)的輔助，能較好地幫助這一特殊群體解決生活需求，具有良好的社會(huì)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

圖2 設(shè)計(jì)實(shí)踐作品一：臥床老人移動(dòng)輔助機(jī)

景區(qū)“無人垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)車”（圖3）則關(guān)注人文環(huán)境。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們消費(fèi)習(xí)慣的改變，外出旅游已經(jīng)成為現(xiàn)代人們常規(guī)的休閑方式，各大景區(qū)紛紛加大建設(shè)力度吸引游客，同時(shí)也因此產(chǎn)生了衛(wèi)生維護(hù)、公共設(shè)施不足的問題。此設(shè)計(jì)針對景區(qū)在傳統(tǒng)垃圾處理過程中存在的成本高、效率低等問題提供了一套智能服務(wù)產(chǎn)品解決方案。該產(chǎn)品通過運(yùn)用無人車和自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)對景區(qū)垃圾桶內(nèi)垃圾袋的收集、轉(zhuǎn)運(yùn)、處理的一體化操作，代替人工處理方式，提高了垃圾處理的智能化、信息化程度，形成了一套智能高效的景區(qū)垃圾處理系統(tǒng)。

圖3 設(shè)計(jì)實(shí)踐作品二：無人垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)車

“鰩之聲”（圖4）是以海洋生態(tài)保護(hù)為出發(fā)點(diǎn)設(shè)計(jì)的一款仿魚聲珊瑚拯救水下無人機(jī)。該產(chǎn)品利用珊瑚和魚群的相互依存關(guān)系，通過聲音采樣、地形掃描、聲吶探測等智能控制技術(shù)模仿珊瑚的聲音以吸引魚群回礁，復(fù)蘇白化珊瑚，從而穩(wěn)定海洋生態(tài)系統(tǒng)。而“水中救援膠囊”（圖5）的設(shè)計(jì)背景為2021年鄭州特大暴雨災(zāi)害。設(shè)計(jì)者們從此次災(zāi)害中激發(fā)社會(huì)責(zé)任感，針對城市內(nèi)澇設(shè)計(jì)開發(fā)出這款緊急救援裝置，通過多種技術(shù)和功能的使用能有效增加救援時(shí)間，從而降低傷亡人數(shù)。

圖4 設(shè)計(jì)實(shí)踐作品三：“鰩之聲”（仿魚聲珊瑚拯救水下無人機(jī)）

圖5 設(shè)計(jì)實(shí)踐作品四：水中救援膠囊——城市內(nèi)澇的拯救者

以上均為2021年度湘潭大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)系人機(jī)工程學(xué)智能產(chǎn)品專題設(shè)計(jì)實(shí)踐作品，也是2021年湖南省大學(xué)生工業(yè)設(shè)計(jì)大賽獲獎(jiǎng)作品。從這些作品中可以看出，設(shè)計(jì)者們通過課程學(xué)習(xí)，聚焦民生、環(huán)境、社會(huì)需求和熱點(diǎn)。這些作品體現(xiàn)了設(shè)計(jì)者們對特殊用戶群體的關(guān)愛，對可持續(xù)發(fā)展的關(guān)注，對生存設(shè)計(jì)的關(guān)心以及對智能技術(shù)的合理應(yīng)用。本課程在課程思政與專業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)方面都產(chǎn)生了較好的效果，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了“設(shè)計(jì)以人為本”的目標(biāo)。

6 結(jié)束語

隨著智能制造技術(shù)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行正逐步由“以技術(shù)為中心”向“以人為中心”轉(zhuǎn)變。人是智能制造的服務(wù)目標(biāo)，在整個(gè)制造生產(chǎn)活動(dòng)中，人始終是最具有能動(dòng)性和最具有活力的因素，智能制造最終要回歸到服務(wù)和滿足人們美好生活需求上來。因此，構(gòu)建和諧的人機(jī)關(guān)系，使人與機(jī)器友好相處是智能制造系統(tǒng)可預(yù)測、可控制的關(guān)鍵要素。符合人機(jī)工程要求、人性化的智能制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)體現(xiàn)了人—機(jī)—環(huán)境完美和諧的結(jié)合，是最實(shí)在、最前沿的潮流與趨勢，更是順應(yīng)社會(huì)發(fā)展要求的深刻體現(xiàn)。