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最终教案

人机工程学课程

教案

总学时：

68学时周学时：

4学时

适用年级专业（学科类）：

工业设计201301

开课时间：

2013-2014学年下学期

使用教材：

自编讲义

授课教师姓名：

徐航

表1项目1设计表

学习领域：

对生活中某些常见物品的使用情况进行分析研究

总课时：

68

学习情境1：

各种开口设计的分析与个案改良

课时：

22

学习目标（知识与技能目标）：

建议教学方法

知识目标：

1.掌握人机工程学概念；

2.掌握工程学内容、方法和目的；

3.掌握人体的人机学参数测量；

4.掌握人体的心理学特性和生理学特性；

技能目标：

1.掌握对生活中某些常见物品的使用情况的分析方法；

2.掌握人体测量的基本知识；

3.掌握人体测量数据的应用；

4.了解人的行为习惯；

5.学会用ppt展示事物；

通过行动导向教学法实施教学：

1.项目教学法。

2.讲述法。

3.任务教学法。

4.小组讨论法。

5.实践操作法。

主要内容：

知识内容

1、人体工程学的发展

2、人体工程学的定义

3、人体工程学研究的主要内容和方法；

4、测量主要工具

5、测量方法

6、测量分类

7、人体的主要参数

8、心理学特性

9、生理学特性

10、生物力学特性

11、疲劳与恢复

任务内容

1.认知人机工程

2.人体的人机学参数测量

3.认知人体的心理学特性和生理学特性

4.开口设计分析

教学资料

教学场地

学生知识与

能力准备

教师知识与

能力要求

考核与评价

1.任务书；

2.人体的人机学参数；

3.PPT

4.学习资料第一章

5.评价表

1.多媒体教学系统

1.对生活中常见物品的分析能力；

2.掌握人机工程学的设计方法和步骤，熟悉相关的设计标准；

3.设计说明书要求详细说明设计过程，书写规范；

1.熟练人机工程学设计方法和步骤，熟悉相关的设计标准；

2.熟悉人体的相关参数及人的行为习惯；

3.对生活中常见的物品有较强的分析能力。

1.基本知识水平评价

2.设计方法和步骤的情况评价

3.团队合作、工作态度，任务完成总评价

第一节绪论人机工程学及应用

教学目的：

介绍人机工程学的定义、命名分类及应用情况等基本的学科基础知识。

教学重点：

重点让学生了解本课程的学习目的。

教学内容：

人体工程学又叫人类工学或人类工程学，是第二次世界大战后发展起来的一门新学科。

它以人－机关系为研究的对象，以实测、统计、分析为基本的研究方法。

一、学科的命名

叙述人体工程学的定义可有不同的表达方式，故其名称较多。

美国：

人类工程学或人的因素工程学

西欧国家：

人类工效学。

按其来源，名称有实验心理学，应用心理物理学，工业心理技术学，心理工艺学，工程心理学，生物工艺学。

按研究目的，其名称有人类工效学，功量学，工力学，宜人学。

按研究内容，有人体工程学，人类工程学，人机工程学，机械设备利用学，工程心理学。

建筑设计类学科称其为：

人体工程学

并将其阐释为：

人体工程学是研究人与工程系统及其环境相关的学科。

二、学科的定义

国际功效学会（IEA）把工效学定义为：

这门学科是研究人在工作环境中的解剖学、生理学、心理学等诸方面的因素，研究人——机器——环境系统中的交互作用着的各组成部分在工作条件下，在家庭中，在休假的环境中，如何达到最优化的问题。

我国1979年出版《辞海》中对人体工程学的定义：

人体工程学是一门新兴的边缘学科。

它是运用人体测量学、生理学、心理学和生物力学以及工程学等学科的研究方法和手段，综合的进行人体结构、功能、心理以及力学等问题研究的学科。

用以设计使操作者能发挥最大效能的机械、仪器和控制装置，并研究控制台上各个仪表的最适合位置。

三、人体工程学的起源和发展

人体工程学有：

“起源于欧洲，形成于美国”之说。

120年前，波兰教育家就把人类工效学这一术语写入文献。

1、经验人机工程学

20世界初美国学者F.W泰罗在传统管理方法的基础上，首创了新的管理方法和理论，并据此制订了一整套以提高工作效率为目的的操作方法，考虑了人使用的机器、工具、材料及作业环境的标准化问题。

这是人类工效学的始祖。

该阶段的研究由于偏重于心理学，所以大多称为“应用实验心理学”。

该阶段学科发展的主要特点：

机械设计的主要着眼点在于力学、电学、热力学等工程技术方面的原理设计上，在人机关系上是以选择和培训操作者为主，使人适应于机器。

第一次世界大战期间，英国成立了工业疲劳研究所，研究如何减轻疲劳，提高工效。

2、科学人体工程学

第二次世界大战期间人体工程学受到重视，许多国家展开人类工效学研究。

1950年英国成立了第一个人类工效学学会，名称为《英国人类工效学协会》。

1957年美国政府创办了《人的因素学会》。

该学科在此阶段大多称为“工程心理学”。

该阶段的发展特点：

重视工业与工程设计中“人的因素”，力求使机器适应与人。

3、现代人体工程学

60年代至今是现代人体工厂学的发展阶段。

现代人体工程学发展的三个特点：

1）不同于传统人体工程学研究中着眼于选择和训练特定的人，使之适应工作要求，现代人体工程学着眼于机械装备的设计，使机器的操作不越出人类能力界限之外。

2）密切与实际应用相结合，通过严密计划设定的广泛实验性研究，尽可能利用所掌握的基本原理，进行具体的机械装备设计。

3）力求使实验心理学、生理学、功能解剖学等学科的专家与物理学、数学、工程学方面的研究人员共同努力、密切合作。

现代人体工程学研究的方向是：

把人-机-环境系统作为一个统一的整体来研究，以创造最适合于人操作的机械设备和作业环境，使人-机-环境系统相协调，从而获得系统的最高综合效能。

1961年建立了《国际人类工效学协会》，并在瑞典首都斯德哥尔摩召开了第一次国际会议。

1964年日本建立了《日本人间工学会》。

我国1989年成立《中国人类工效学学会》，下设安全与环境等专业学会。

1991年1月成为《国际人类工效学协会》的正式成员。

四、人体工程学的研究内容

人机工程学的研究包括理论和应用研究两个方面。

但学科研究的总趋势还是侧重应用。

其主要内容可概括为以下8个方面：

（1）研究人的生理与心理特性。

人机工程学系统地研究人体特性，如人的感知特性、信息加工能力、传递反应特性；人的工作负荷与效能、疲劳；人体尺寸、人体力量、人体活动范围；人的决策过程、影响效率和人为失误的因素等。

（2）研究人机系统总体设计。

人机系统的效能取决于它的总体设计。

系统设计的基本问题是人与机器之间的分工以及人与机器之间如何有效地进行信息交流等问题。

（3）研究人机界面设计。

在人机系统中，人与机相互作用的过程就是利用人机界面上的显示器与控制器，实现人与机的信息交换的过程。

研究人机界面的组成并使其优化匹配，产品就会在功能、质量、可靠性、造型及外观等方面得到改进和提高，也会增加产品的技术含量和附加值。

（4）研究工作场所设计和改善。

工作场所设计包括工作场所总体布置、工作台或操纵台与座椅设计、工作条件设计等。

（5）研究工作环境及其改善。

作业环境包括一般工作环境，如照明、颜色、噪声、振动、温度、湿度、空气粉尘和有害气体等，也包括高空、深水、地下、加速、减速、高温、低温及辐射等特殊工作环境。

（6）研究作业方法及其改善。

人机工程学主要研究人从事体力作业、技能作业和脑力作业时的生理与心理反应、工作能力及信息处理特点；研究作业时合理的负荷及能量消耗、工作与休息制度、作业条件、作业程序和方法；研究适宜作业的人机界面等等。

（7）研究系统的安全性和可靠性。

人机工程研究人为失误的特征和规律，人的可靠性和安全性，找出导致人为失误的各种因素，以改进人—机—环境系统，通过主观和客观因素的相互补充和协调，克服不安全因素，搞好系统安全管理工作。

（8）研究组织与管理的效率。

人机工程学要研究人的决策行为模式；研究如何改进生产或服务流程；研究组织形式与组织界面，便于员工参与管理和决策，使员工行为与组织目标相适应等。

五、人机工程学的应用领域

人机工程学的应用涉及非常广泛的领域。

与人直接有关的应用领域概括为机具、作业、环境和管理等几大类。

（1）产品和器具设计与改进；

（2）作业设计与改进；

（3）环境设计与改进；

（4）管理设计与改进。

在项目的最初设计中必须尽可能充分考虑人的因素。

六、人机工程学的研究方法

（一）调查研究法

调查法是获取有关研究对象资料的一种基本方法。

它具体包括访谈法、考察法和问卷法。

（1）访谈法。

是研究者通过询问交谈来收集有关资料的方法。

（2）考察法。

通过实地考察，发现现实的人一机一环境系统中存在的问题，为进一步开展分析、实验和模拟提供背景资料。

（3）问卷法。

是研究者根据研究目的编制一系列问题和项目，以问卷或量表的形式收集被调查者的答案并进行分析的一种方法。

（二）观测法

观测法是研究者通过观察、测定和记录自然情境下发生的现象来认识研究对象的一种方法。

这种方法是在不影响事件的情况下进行的，观测者不介入研究对象的活动中，因此能避免对研究对象的影响，可以保证研究的自然性和真实性。

例如：

观测作业的时间消耗，流水线生产节奏是否合理，工作日的时间利用情况、动作分析等。

现在观测单靠肉眼已不能满足研究需要，需要借助仪器设备，如计时器、录像机等。

（三）实验法

实验法是在人为控制的条件下，排除无关因素的影响，系统地改变一定变量因素，以引起研究对象相应变化来进行因果推论和变化预测的一种研究方法。

实验法分为两种，实验室实验和自然实验。

实验室实验是借助专门的实验设备，在对实验条件严加控制的情况下进行的。

（四）心理测量法

心理测量法（也叫感觉评价法）是运用人的主观感受对系统的质量、性质等进行评价和判定的一种方法，即人对事物客观量作出主观感觉评价。

心理测量对象可分为两类，

一类（A）是对产品或系统的特定质量、性质进行评价，如声压级、照明的照度及亮度、空气的干湿程度等评价；

另一类（B）是对产品或系统的整体进行综合评价，如舒适性、使用性、居住性、工作性等。

列表如下：

分类

评价对象举例

特定质量、性质评价（A）

噪声声压级与频率、颜色、亮度、干湿度、气味、长度、重量、表面状况、织物手感、味道（食品、香烟）等

综合评价（B）

舒适性、使用性、居住性、工作性、满意度、爱好、兴趣、情绪、感觉、购物动机、消费者态度等

（四）心理测验法

心理测验法是以心理学中个体差异理论为基础，对被试个体在某种心理测验中的成绩与常模作比较，用以分析被试心理素质的一种方法；这种方法广泛应用于人员素质测试、人员选拔和培训等方面。

心理测验的测试方式分为团体测验和个体测验。

前者可以同时由许多人参加测验，比较节省时间和费用；后者则个别地进行，能获得更全面和更具体的信息。

心理测验按测试内容可分为能力测验、智力测验和个性测验。

测验必须满足以下两个条件:

第一，必须建立常模。

常模是某个标准化的样本在测验上的平均得分。

第二，测验必须具备一定的信度和效度，即准确而可靠地反映所测验的心理特性。

（五）图示模型法

图示模型法是采用图形对系统进行描述，直观地反映各要素之间的关系，从而揭示系统本质的一种方法。

这种方法多用于机具、作业与环境的设计和改进，特别适合于分析人机之间的关系。

（六）计算机仿真

✓HumanCAD

✓CATIAV5（IBM推出的高端CAD/CAE软件）人因工程学模块

✓AnyBody人体生物力学仿真软件

✓FaceLAB（眼动测试设备）

第二节、人体的人机学参数

教学目的：

通过教学使学生了解人体工程学的有关基础知识，即对人体的认识。

了解人体的人机学参数的基本知识，了解人体的人机学参数的主要函数及具体计算方法，了解人机学参数的应用领域。

教学重点：

人体的人机学测量主要工具、测量方法、测量分类、人体的主要参数

教学内容：

一、人体测量的概念

人体测量学是一门新兴学科，它是通过测量人体各部位尺寸来确定个体之间和群体之间在人体尺寸上的差别，用以研究人的形态特征，从而为各种工业设计和工程设计提供人体测量数据。

二、人体测量的分类

功能尺寸：

是指动态的人体尺寸，是人在进行某种功能活动时肢体所能所能达到的空间范围，它是动态的人体状态下测得。

是由关节的活动、转动所产生的角度与肢体的长度协调产生的范围尺寸，它对于解决许多带有空间范围、位置的问题很有用。

虽然结构尺寸对某些设计很有用处，但对于大多数的设计问题，功能尺寸可能更有广泛的用途，因为人总是在运动着，也就是说人体结构是一个活动的可变的、而不是保持一定僵死不动的结构。

构造尺寸：

是指静态的人体尺寸，它是人体处于固定的标准状态下测量的。

可以测量许多不同的标准状态和不同部位。

如手臂长度、腿长度、座高等。

三、人体测量的主要方法和仪

1）主要方法

1.普通测量法

2.摄影法

3.三维数字化人体测量法

2）主要仪器

1.直脚规

2.弯脚规

3.人体测高仪

四、人体测量的基本术语

1、被测者姿势：

（1）立姿：

挺胸直立，平视前方，肩部放松，双臂自然下垂，掌心朝向身体一侧，左、右足跟并拢，脚尖呈自然展开。

（2）坐姿：

被测者挺胸坐在被调节到适合高度的座椅平面上，平视前方，左、右大腿基本与地面平行，膝盖成直角，足平放在地面上，手轻放在大腿上。

（裸体测量或近裸体测量）

2、测量基准面

矢状面；正中矢状面；冠状面；水平面；眼耳平面。

3、测量方向

（1）在人体上、下方向上，将上方称为头侧端，将下方称为足侧端。

（2）在人体左、右方向上，将靠近正中矢状面的方向称为内侧，将远离正中矢状面的方向称为外侧。

（3）在四肢上，将靠近四肢附着部位的称为近位，将远离四肢附着部位的称为远位。

（4）对于上肢，将挠骨侧称为挠侧，将尺骨侧称为尺侧。

（5）对于下肢，将胫骨侧称为胫侧，将腓骨侧称为腓侧。

4、支承面和衣着

立姿时站立的地面或平台以及坐姿时的椅平面应是水平的、稳固的、不可压缩的。

要求被测量者裸体或穿着尽量少的内衣（例如只穿内裤和汗背心）测量，在后者情况下，在测量胸围时，男性应撩起汗背心，女性应松开胸罩后进行测量。

5、基本测点及测量项目

五、人体测量中的主要统计函数（术语）

1.总体：

统计学中，把所要研究的全体对象的集合称为“总体”。

2.样本:

统计学中，把从总体取出的许多个体的全部称为“样本”。

3.均值：

表示样本的测量数据或统计总体的平均特征的值称为平均值，简称均值。

4.标准差：

说明测量值对均值的波动情况。

是反映样本内各个变数与平均数差异大小的一个统计参数。

标准差能反映一个数据集的离散程度。

5.方差：

6.抽样误差：

适应域一个设计只能取一定的人体尺寸范围，只考虑整个分布的一部分“面积”，称为“适应域”，

适应域可分为：

对称适应域、偏适应域。

对称适应域对称于均值；偏适应域通常是整个分布的某一边

7.百分位：

百分位由百分比表示，称为“第几百分位”。

例如，50%称为第50百分位。

8.百分位数：

百分位数是百分位对应的数值。

例如，身高分布的第5百分位数为1543，则表示有5%的人的身高将低于这个高度。

1）求某百分位数人体尺寸

已知：

某项人体测量尺寸的均值|x，标准差S，

求：

任一百分位数的人体测量尺寸x

公式：

x=|x±（S×K）

当求1%~50%之间的数据时，式中±取“－”；

当求50%~90%之间的数据时，式中±取“＋”

其中：

式中K为变换系数，设计中常用的百分比值与K的关系查阅表格2-1

例题：

查阅表格2-7中，西南区与东北区的男子的各自身高均值|x，以及S，求当百分位数P85时，这两区域的身高，并比较其差异，简单说出你的分析结论。

答：

1、查阅表格得到西南区男子身高的均值|x=1647，标准差SD=56.7，K=1.036

2、P85取“＋”

3、x西南=1647＋（56.7×1.036）=1705（单位mm）

4、同理，求x东北=1693＋（56.6×1.036）=1751

5、求x差异=1751－1705=46

结论：

在P85时，东北区的男子身高高出西南区的男子身高近46mm。

由此可以分析出，东北区的男子身高，不论是平均身高还是较高身高段的数值均高于西南区的男子。

这与人们的经验预期相吻合。

六、人体尺寸的应用

（一）主要人体尺寸的应用原则之一

1、极限设计原则：

主要内容包括设计的最大尺寸参考人体尺寸的低百分位；设计的最小尺寸参考人体的高百分位。

2、可调原则：

设计优先采用可调式结构。

一般调节范围应从第5百分位到第95百分位。

3、平均尺寸原则：

设计中采用平均尺寸计算。

（多数专家不主张按平均尺寸设计）

4、人体尺寸测量数据的修正

1.功能修正量：

（1）着装修正量

（2）姿势修正量

2.心理修正量

（二）人体身高在设计中的应用方法

1、最小功能尺寸:

为了确保实现产品的某项功能而在设计时规定的产品最小尺寸,称为产品最小功能尺寸。

产品最小功能尺寸=人体尺寸百分位数+功能修正量

最佳功能尺寸:

为了方便、舒适地实现产品的某项功能而设定的产品尺寸,称为产品最佳功能尺寸。

产品最佳功能尺寸=人体尺寸百分位数+功能修正量+心理修正量。

人机工程学是以追求安全、健康、舒适、高效为目标的,只要客观上许可,就应当按最佳功能尺寸进行设计。

例：

以设计船舶居住区的层高为例,若以男子身高第90百分位尺寸1754mm作为设计界限值,鞋跟高修正量取为25mm,高度的最小余裕量取为90mm,高度的心理修正量取为115mm,则:

最低层高=1754+（25+90）=1869≈1900mm

最佳层高=1754+（25+90）+115=1984≈2000mm

（三）人体作业空间设计之一

立姿活动空间：

立姿时人的活动空间不仅取决于身体的尺寸，而且也取决于保持身体平衡的微小平衡动作和肌肉松弛、脚的站立平面不变时，为保持平衡必须限制上身和手臂能达到的活空间。

坐姿活动空间单腿跪姿的活动空间仰卧活动空间

（四）人体各部分结构参数的计算

人体体积计算V=1.01W-4.937（V为人体体积L，W为人体体重Kg

第三节人体工程学基础

教学目的：

通过教学使学生了解人体工程学的有关基础知识，即对人体的认识。

了解人的生理学和心理学知识，能够灵活应用人体测量学的数据。

教学重点：

认识人机工程学基础知识的作用。

重点是通过教学使学生在设计中能有意识的根据人体测量学数据进行相关的设计。

教学内容

一、神经系统的组成及其功能

神经系统——中枢神经——脑：

延髓；脑髓；中脑；间脑；小脑；大脑；脊髓

——周围神经——脑神经；脊神经

——感觉（传入）神经、运动神经（传出）

躯体运动神经（支配骨骼肌）

植物性神经（支配内脏器官）

研究神经系统的意义：

1、神经系统是机体的主导系统：

全身各器官、系统均在神经系统的统一控制和调节下，互相影响、互相协调，保证机体的整体统一及其与外界环境的相对平衡。

在此过程中，首先是借助于感受器官接受体内外环境的各种信息，通过脑和脊髓各级中枢神经的整合，最后经周围神经控制和调节各个系统的活动，从而使机体得以反应多变的外环境，同时也调节着机体内环境的平衡。

2、神经系统是心理现象的物质基础：

从心理学角度看，人的一切心理和意识活动也是通过神经系统的活动来实现的。

二、感觉和知觉

在人类的各种生活环境中，除了人的形态与空间有关，人的知觉与感觉因素也是一个非常重要的因素。

知觉和感觉是指人对外界环境的一切刺激信息的接收和反应能力。

它是人的生理活动的一个重要的方面。

了解知觉和感觉，有助于我们根据人的特点去创造适应于人的生活环境。

良好的生活环境可以促进人的身心健康，提高工作效率，改善生活质量。

环境与人类是息息相关的。

影响人类的环境因素有四种：

1、物理环境：

声、光、热的因素；

2、化学环境：

各种化学物质对人的影响；

3、生物环境：

各种动植物及微生物对人的影响；

4、其他环境。

物理环境与环境设计的关系最为密切。

因此，我们着重讨论物理环境的问题。

知觉与环境是相互对应的，视觉—光环境、听觉—声学环境、触觉—温度和湿度环境。

人体需要通过良好的感觉器官接受外界环境的刺激。

人的主要感觉器官有眼、耳、鼻、舌、身，因而相应也有五类感觉，即听觉、视觉、嗅觉、味觉和触觉（躯体觉）。

躯体觉——是个综合概念，包括有皮肤感觉器官接受外界刺激产生的温度觉、压觉、摩擦和痛觉，还有肌肉和关节及内耳里的感觉器官经刺激后产生的运动觉和平衡觉。

当外界刺激发生变化时，人的相应的感觉也会做出反应。

刚刚引起感觉的最小刺激强度称为绝对觉阈。

刚刚能引起感觉差别的刺激之间的最小差别称作差别觉阈。

人体对不断变化的环境刺激所引起的感觉差别要比环境的绝对觉阈敏感得多。

因接受刺激而身心机能发生变化，这就是反应。

为了适应新的环境而创造的与之相适应的身心状态，这种生理活动称为调节。

人体感觉功能是这种机制的最前提的条件。

（一）、感觉

1、感觉定义：

感觉是人脑对直接作用于感觉器官的事物个别属性的反映，感觉是人们了解外部世界的渠道，也是一切复杂心理活动的基础和前提。

2、感觉类型：

视觉、听觉、化学感觉（嗅觉和味觉）、皮肤感觉、本体感觉等。

本体感觉能告知操作者躯体正在进行的动作及其相对于环境和机器的位置；而其他感觉能将外部环境的信息传递给操作者。

器官接受内外环境的刺激，将其转化为神经冲动，通过传入神经，将其传至大脑皮质感觉中枢，便产生了感觉。

3、感觉的特点：

感受性和感受阈限

外部环境中有许多物质的能量形式，人体的一种感觉器官只对一种能量形式的刺激特别敏感，能引起感觉器官有效反应的刺激称为该感觉器官的适宜刺激（如眼的适宜刺激为可见光；而耳的适宜刺激则为一定频率范围的声波）。

类型：

绝对感受性和绝对感受阈限；差别感受性和差别感受阈限；

（1）绝对感受性和绝对感受阈项：

a、产生感觉需要有达到一定强度的适宜刺激。

刚刚能引起感觉的最小刺激量，称为绝对感觉阈限的下限，感觉出最小刺激量的能力称为绝对感受性。

b、绝对感受性与绝对感觉阈限值成反比，也就是说，引起感觉所需要的刺激量越小即绝对感觉阈限的下限值越低，绝对感受性就越高，感觉越敏锐。

c、若刺激量过大，超过了正常限度，将使感觉消失而引起通觉，甚至造成感官的损伤。

刚刚使感觉小时的最大刺激量称为绝对感觉阈限的上限。

刺激量在上、下阈限之间才能引起感觉（例如：

人眼只对波长380-780mm的光波刺激产生反应，380mm和780mm即为视觉的下、上阈限，波长在380mm以下和780mm以上的光波都不能引起视觉。

）。

（2）差别感受性和差别感觉阈限：

当两个不同强度的同类型刺激同时或先后作用于某一感觉器官时，它们在强度上的差别必须达到一定程度，才能引起人的差别感觉。

差别感觉阈限即为刚刚能引起差别感觉的刺激之间的最小差别量，对最小差别量的感受能力则为差别感受性，两者成反比关系。

人的各种感觉器官的感受能力的发展是不平衡的，而不同的职业又有各自不同方面的感受能力，如对音乐工作者，要求具有较高的听觉分辨能力，对美术工作者及其某些行业的检验人员要求有较高的视觉颜色分辨能力，而对自动化系统的监控人员，则要求视觉和听觉都有较高的感受性。

感受性对于职业的选择和工种的分配具有实际的价值和意义。

人的感觉能力又具有很大的发展潜力，经过训练后，某