以人为本是产品创新的内在动力,人机工程是讲授以人为本理论和实践的课程。该课程基于对人、机器和技术的研究,发现并利用人的行为方式、工作能力、作业限制等特点^[1],合理设计工具、机器、系统、任务和环境,以提高效率、安全性、舒适性和有效性^[2]。人机工程是工业工程等专业的主干课,也是一门综合性边缘学科^[3],该课程涵盖生理、心理、色彩、视觉、体力、人体尺寸、反应时、作业空间、人机系统等理论和应用^[4]。为便于叙述,下文将产品、系统和服务统称为产品。

人机工程强调产品设计从人、机器和环境等大处着眼,从安全、适用、实用、效率等细节入手,因此,实用人机工程设计能帮助学生从细节出发,分析解决细节问题,在解决问题过程中熟练掌握技术工具,提升应用能力。目前,企业产品设计已细分为需求、规划、原型、三维、仿真、详细设计、测试等阶段,产品的生产过程更复杂; 无论产品设计还是制造,每个细分阶段都需要不同的技术软件,需要专业团队长期反复地讨论、比较、验证和设计; 并且,产品和技术越先进,对人机工程应用的要求越多、越高。人机工程课程设计是链接人机工程理论课和企业产品实践的纽带,因此,人机工程课程设计只有注重创新和应用能力的培养,学生才可能适应企业实践要求。

与实践相比,目前人机工程课程设计存在以下主要问题:

一是偏于理论验证,设计内容偏于围绕教材案例,设计内容单调^[5-6]。二是企业产品设计生命周期的每个阶段应用系列化技术软件,企业产品开发周期一般需要半年以上; 但是,目前课程设计周期一般安排1周左右,课程设计时间过短。课程设计多采用Word、AutoCAD等少量工具软件,设计内容少,技术软件应用种类少、应用水平低,应用新媒体表达产品细节少,学生解决实际问题的机会少^[7-8],理论与实践结合更少^[9-10]。三是课程设计组织以单个学生为单位,要求单个学生独立完成设计题目^[11],因此,团队学习与合作少; 与课程设计相比,企业产品设计以产品项目组为单位,强调团队的深入学习与合作。

可见,传统人机工程课程设计与企业实践脱节大,难以提升学生创新意识和应用能力。为解决以上问题,本研究对设计内容、技术手段、组织管理等进行了改进,并应用于课程设计教学实践。

相对整机系统,细节问题更易解决,更易获得成就感,更易激发创新动机和兴趣,进而提升创新意识,因为创新意识包括创新动机、创新兴趣、创新情感和创造意志^[12]。在产品实践中,人、机器、环境及其关系考虑得越多越细致,就越可能从司空见惯中发现细节问题,而点滴细节的改进积累到一定程度就可能发生“质变”,就可能创造出更安全、舒适、高效的新产品。为此,笔者从日常生活和学习的体验中凝炼课程设计内容,引导学生挖掘产品的人机工程设计要素,改进后的课程设计主要内容见表1。

表1 人机工程课程设计主要类型和内容
Table 1 Main types and contents of curriculum design of ergonomics

以电饭煲面板优化设计主题为例,首先要求学生结合家庭煮饭体验,从产品说明中分析每个功能的操作流程,绘制清晰流程图; 然后,分析流程中每个节点操作对安全性、舒适性、实用性和效率的影响,以培养学生从细节入手分析和解决问题的习惯,使其感受细节对产品创新的推动力。图1为2017年苏泊尔在京东销售的电饭煲预约功能宣传图片,促销价为499元,属国产中高档电饭煲,大多数国产电饭煲与图1预约操作相同。

假设当晚20:00预约次日早晨6:30煮熟,根据图1苏泊尔电饭煲预约说明,绘制预约操作流程图2。对多数工薪家庭而言,一般预约周一至周五工作日早晨煮饭,估算每年有230个工作日,从图2发现当前预约操作流程存在以下问题:一是每次预约必须计算当前时刻和煮熟时刻间的时长,日复一日,需要大量的重复计算; 二是每次预约必须反复按动【时】和【分】键,日复一日,需要大量的重复按键。

图1 预约说明
Fig.1 Reservation function description

图2 预约煮米操作流程
Fig.2 Reservation process for rice cooking

根据教材中人机功能分配和匹配理论,尽量将精确计算、简单重复的工作交给机器完成,尽量将分析、总结、归纳、推理等工作交给人完成,发挥人和机器各自所长,以达到人机系统整体最佳效能^[13]。为此,在适当增加软件研发投入,基本上不增加材料、生产等成本的前提下,充分利用触摸屏等成熟技术,对电饭煲预约流程改进如下:1)将输入参数由时长改为时刻。采用预约时刻参数后,预约操作只考虑煮熟时刻,无需考虑当前时刻,无需计算煮熟时刻和当前时刻间的时长。这就大幅减少了预约操作信息处理时间,大幅减少了反应时间,预约信息输入界面可采用图3或图4方案。2)用触摸屏替换液晶屏与实体键组合面板,简化信息输入操作。采用触摸屏面板后,或按图3上下滑动手指,或按图4选择指定数字,就直接输入预约时刻06:30,减少了大量反复按键动作。3)增加存储预约时刻功能,实现一键智能预约。该功能可存储早晚2个预约时刻,能消除图2流程中时长计算、按动【时】键、按动【分】键等操作节点。以每周工作日和休息日为例,第1次按动【定时器】键,自动预约工作日早餐煮熟时刻; 第2次按动【定时器】键,自动预约非工作日早餐煮熟时刻; 反复按【定时器】键,两个预约时刻反复循环,实现一键预约。

图3 定时预约输入界面1
Fig.3 Timing reservation input interface 1

图4 定时预约输入界面2
Fig.4 Timing reservation input interface 2

由此,学生综合运用人机系统、反应时、人机功能分配、人机界面等理论,大幅简化了电饭煲预约流程,还考虑了流程改造的经济性和技术可行性。绘制产品操作清晰流程图,从安全性、舒适性、效率等多个维度,分析流程中每节点人机操作合理性,就可能发现更多产品细节问题,然后运用人机理论和技术改进细节,将细节提升作为产品创新的起点,使学生逐渐积累“大处着眼、小处着手”的创新意识。

工欲善其事,必先利其器。产品设计、制造和销售的每个细分阶段须应用各类专业软件,理论、经验和专业软件等的熟练应用就是“器”,而且企业越来越注重产品开发过程完整性、技术融合性^[14],为此,课程设计内容要求应用各类软件,使学生通过大量地应用主流软件,初步掌握设计流程、方法、技术,达到“利器善事”的目的。

以内容为无线插卡音箱的课程设计为例,传统课程设计一般分2个阶段,先采用AutoCAD设计产品平面图,然后采用Word撰写课程设计报告。传统设计运用技术工具单一,没有表达实物的三维模型,难以精确表达产品细节,难以发现产品可用性、适用性存在的问题,对设计缺陷的改进过程繁琐,设计原型与产品最终形态差距过大。为解决以上问题,根据企业产品开发实践,将设计过程划为需求分析、原型设计、三维建模、图像处理、视频处理、网站制作等细分阶段,每阶段进行大量充分的人机交互,主要工作如下。

1)需求分析:运用Word或Axture制作产品需求文档,设计功能操作流程,根据音箱使用群体,以外观和操作界面设计为主,确定设计目标、适用和约束条件; 查阅、收集整理目标人群手掌结构和尺寸,确定人机设计要素及原则; 确定蓝牙、AUX音频输入、SD卡播放、收音等功能操作流程。

2)原型设计:运用Axture分析产品原型,清晰表达产品业务流程和功能实现。

3)三维建模:运用3Dmax或Pro/E实现音箱三维建模,实体模型包括箱体、界面显示、操作输入、喇叭等主要部件。

4)图像处理:3DMax或Pro/E输出产品图片,运用PhotoShop处理展示产品。

5)视频合成编辑:3DMax或Pro/E输出产品视频,运用Corel制作视频片头、片尾、字幕,合成编辑视频音频,完成展示产品外观、操作、功能等细节的小电影。

6)网站设计:运用DreamWaver设计音箱展示网站,网站集成产品图文、音视频等媒体,实现良好人机互动。

在课程设计过程中,每阶段要求学生制作规范文档,初步掌握产品设计主流技术工具,在大量反复应用中锻炼并积累基本的技术能力,通过三维实体展现获得设计成就感。

改进课程设计后,设计内容更多、更具体,饱满的实践任务驱动学生进行大量自主学习,自主探索技术和应用实践。传统课程设计只安排约1周时间,相对企业产品实际开发周期过于仓促,1周左右时间内学生难以熟练应用专业软件,难以深入产品细节,很难有实践能力的收获。因此,为保证课程设计实效,对设计周期、组织及其评价改进如下。

1)分散设计和集中设计相结合。将课程设计所在的整个学期安排为分散设计期,将学期末1周时间安排为集中设计期,分散设计贯穿整个学期的课余时间,强化学生的自主学习能力。利用人机工程课程所在学期的第1次理论课,讲解并发布设计说明书,明确设计目标、题目、内容、流程、主要技术软件等。要求学生从第1周起就自主分组,从学习和应用技术软件工具开始,进入分散设计阶段。

2)自主搭建设计小组。要求学生按2～3人自主搭建小组,每个小组选择一题目,组内自主分工,团队合作开展设计,分析产品需求、技术关键和方案,随着人机工程理论课程的展开,设计内容逐步深入。

3)集中课程设计安排在期末,以交流讨论为主。通过近一学期的分散设计,近三分之一设计能达到基本目标; 利用集中设计的固定场地,让学生能充分深入地讨论,切磋设计思路和技术,在大量讨论中碰撞思维火花,提升实践和创新能力^[15]。

4)设计效果评价综合考虑过程表现、技术软件先进性、文档专业性、产品实用性和适用性,并且结合个人在组内的角色和作用。

表2为改进课程设计前后的实践提升部分要素的比较。

表2 改进前后的实践提升比较
Table 2 Comparison of practice improvement before and after improvement

以内容实用化、技术专业化为原则,凝炼设计内容,规范设计过程,使学生经历较长期的自主学习和设计实践。学生从人、机器、环境及其关系思考,能发现更实用的产品细节; 大量反复应用技术软件,学生会掌握更多更深入的实用技术。笔者将课程设计与理论教学相结合,将课程设计改革延伸至讲授的其他专业课,使部分学生的创新意识和实践能力明显提升,体现在近3年毕业生实习和就业质量的逐渐提升,例如进入海康威视等顶级企业的毕业生逐渐增加,入职上市公司和IPO排队期准上市公司的毕业生逐渐增加。凭借较强实践能力和严谨作风,近年毕业的校友成为企业骨干人数逐渐增多; 近年毕业的校友为本企业招聘团代表,返校回本专业招聘实现零突破,并逐年增加。