產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程學(xué)課程實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新探析

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摘要：為了提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生對(duì)人機(jī)工程學(xué)課程知識(shí)的把握和實(shí)際應(yīng)用能力。通過(guò)在人機(jī)工程學(xué)的課程實(shí)驗(yàn)中引入3D打印技術(shù)，結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)踐，讓學(xué)生直觀(guān)地去感受一件產(chǎn)品從概念到實(shí)物的過(guò)程，在過(guò)程中體會(huì)尺寸對(duì)產(chǎn)品的影響，了解建模前期確定產(chǎn)品尺寸的重要性，掌握科學(xué)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程。通過(guò)課程實(shí)驗(yàn)，學(xué)生進(jìn)一步了解3D打印技術(shù)，深刻體會(huì)尺寸對(duì)一件產(chǎn)品的重要性，對(duì)產(chǎn)品尺度也有了全新認(rèn)識(shí)，加深了對(duì)課程相關(guān)內(nèi)容的理解，掌握了科學(xué)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程。為產(chǎn)品設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)的人機(jī)工程學(xué)課程提供了一個(gè)可以實(shí)施的實(shí)驗(yàn)方向。

關(guān)鍵詞：人機(jī)工程學(xué)；3D打印技術(shù)；產(chǎn)品設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新；教學(xué)研究

引言

隨著社會(huì)進(jìn)步和科技發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，對(duì)產(chǎn)品的需求也從生理層次擴(kuò)展到心理層次[1]。人們更關(guān)注產(chǎn)品的宜人性、易用性以及使用過(guò)程中人與產(chǎn)品的和諧性，以人為中心的設(shè)計(jì)思想在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中變得越來(lái)越重要。人機(jī)工程學(xué)作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)的必修課，其課程設(shè)置的主要目的就是培養(yǎng)學(xué)生“以人為中心”的設(shè)計(jì)思想，提高學(xué)生解決人-機(jī)-環(huán)境三者之間關(guān)系的能力。其課程內(nèi)容為產(chǎn)品設(shè)計(jì)中考慮人的因素提供了人體尺寸參數(shù)，為進(jìn)行人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，為堅(jiān)持以人為核心的設(shè)計(jì)思想提供了系統(tǒng)的工作程序。因此，人機(jī)工程學(xué)的課程內(nèi)容對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)學(xué)生設(shè)計(jì)思想的培養(yǎng)及設(shè)計(jì)過(guò)程中尺度的把握都有著極其重要的引導(dǎo)作用。但目前產(chǎn)品設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)的人機(jī)工程學(xué)課程內(nèi)容大多停留在枯燥的理論教學(xué)中，課程中只有少量的實(shí)踐或?qū)嶒?yàn)課時(shí)。實(shí)踐多是學(xué)生主觀(guān)的感受和體會(huì)，少有理性和定量的支持，設(shè)計(jì)手段也多停留在三維建模設(shè)計(jì)階段[2]；實(shí)驗(yàn)則多是人體測(cè)量、人體感知、記憶特征等驗(yàn)證性的簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)[3]，專(zhuān)業(yè)針對(duì)性較弱，不管是環(huán)境設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)甚至工業(yè)工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生也是進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)，對(duì)于提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的實(shí)際設(shè)計(jì)能力效果較差。當(dāng)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中需要進(jìn)行人機(jī)工程設(shè)計(jì)或分析時(shí)，雖然學(xué)習(xí)過(guò)相關(guān)的人機(jī)工程學(xué)理論，卻不知如何將學(xué)過(guò)的理論知識(shí)應(yīng)用到設(shè)計(jì)實(shí)踐中，導(dǎo)致學(xué)生在設(shè)計(jì)說(shuō)明中提到的“符合人機(jī)工程學(xué)”的說(shuō)法浮于表面，常常難以說(shuō)出所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品哪里符合了人機(jī)工程以及產(chǎn)品是如何符合人機(jī)工程的，因此產(chǎn)品在實(shí)際使用時(shí)難以達(dá)到人與機(jī)的和諧統(tǒng)一[4]。如何通過(guò)教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)建立理論教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用之間的聯(lián)系，使學(xué)生能夠真正掌握人機(jī)工程學(xué)課程所提供的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)產(chǎn)品尺度的把握和課程理論知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用能力，是人機(jī)工程學(xué)教學(xué)中亟待解決的問(wèn)題。下面將在產(chǎn)品設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)的人機(jī)工程學(xué)課程中結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)踐提出一個(gè)針對(duì)性更強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)性更好的課程實(shí)驗(yàn)，并將3D打印技術(shù)引入到實(shí)驗(yàn)中以期更好地建立起教學(xué)中理論與實(shí)踐的聯(lián)系，增強(qiáng)學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用到設(shè)計(jì)實(shí)踐中的能力。

一、3D打印技術(shù)引入人機(jī)工程學(xué)教學(xué)的意義

3D打印是一種快速成型技術(shù)，它以計(jì)算機(jī)三維模型為基礎(chǔ)，通過(guò)逐層打印黏結(jié)，最終疊加成型的方式制造出實(shí)體產(chǎn)品[5]。近年，隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也從航天、醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域逐漸擴(kuò)展到汽車(chē)、醫(yī)藥科學(xué)、工業(yè)、設(shè)計(jì)、文化創(chuàng)意等領(lǐng)域。尤其3D打印技術(shù)在產(chǎn)品（工業(yè)）設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用將產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造融為一體，設(shè)計(jì)方案能夠很快地變成實(shí)物樣品，可以更快、更準(zhǔn)確地進(jìn)行驗(yàn)證、定型[6]。3D打印技術(shù)可以直接快速實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的效果，可以極大地縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，減少產(chǎn)品研發(fā)的時(shí)間，降低設(shè)計(jì)研發(fā)成本[7]，同時(shí)也為創(chuàng)客群體提供了全新的動(dòng)力，為年輕的創(chuàng)業(yè)人群提供了一個(gè)全新的創(chuàng)業(yè)途徑[6]。3D打印技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步推動(dòng)了總理提出的“大眾創(chuàng)業(yè)，萬(wàn)眾創(chuàng)新”的構(gòu)想，也進(jìn)一步推動(dòng)著工業(yè)設(shè)計(jì)智能化時(shí)代的發(fā)展。將3D打印技術(shù)引入到人機(jī)工程學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生能夠主動(dòng)地了解當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平，是與時(shí)俱進(jìn)的體現(xiàn)，有利于產(chǎn)品設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)踐和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)；3D打印技術(shù)能夠減少設(shè)計(jì)周期，甚至能讓學(xué)生在一天內(nèi)將設(shè)計(jì)創(chuàng)意進(jìn)行快速生產(chǎn)，可以將人機(jī)工程學(xué)中存在的不易理解的抽象理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為直觀(guān)可視化的實(shí)物模型展現(xiàn)在學(xué)生面前，使學(xué)生獲得更深刻的認(rèn)知體驗(yàn)[8]，幫助學(xué)生深入了解產(chǎn)品尺寸與產(chǎn)品使用體驗(yàn)之間的聯(lián)系，建立起從“用戶(hù)定位”到“人機(jī)參數(shù)”到“產(chǎn)品設(shè)計(jì)”再到“產(chǎn)品3D打印制造”最后到“用戶(hù)體驗(yàn)與評(píng)估”的科學(xué)設(shè)計(jì)流程，進(jìn)一步提高產(chǎn)品使用過(guò)程中人與產(chǎn)品的和諧性，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)不光具有好看的外表，更具有合理的尺寸和舒適的可使用性。這種理性化、數(shù)據(jù)化、可操作的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，打破了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐基于感受的定性途徑和驗(yàn)證性的簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)物的評(píng)估使學(xué)生更容易理解產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中人機(jī)數(shù)據(jù)的應(yīng)用方法，能夠真正將課程知識(shí)內(nèi)化、掌握并應(yīng)用到具體的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)理論知識(shí)，在理論知識(shí)的學(xué)習(xí)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)與理論學(xué)習(xí)相輔相成，互相促進(jìn)。

二、人機(jī)工程學(xué)課程實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

（一）實(shí)驗(yàn)的意義與目的

人機(jī)工程學(xué)作為一門(mén)滲透型的邊緣學(xué)科，涉及面廣，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)挕＝虒W(xué)內(nèi)容以純理論型的書(shū)籍為參考，不同專(zhuān)業(yè)所上內(nèi)容相似且均以傳統(tǒng)的理論框架進(jìn)行教學(xué)，導(dǎo)致其課程內(nèi)容涵蓋的知識(shí)點(diǎn)較多且課程內(nèi)容多為純理論性知識(shí)，還包含一些藝術(shù)類(lèi)學(xué)生看到就想打退堂鼓的公式、數(shù)據(jù)、尺寸等，整體內(nèi)容較為枯燥和乏味，學(xué)生易出現(xiàn)無(wú)聊、厭學(xué)等現(xiàn)象；課程內(nèi)容涉及面廣且與專(zhuān)業(yè)方向聯(lián)系較弱，難以發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新能力[9]，導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的掌握和應(yīng)用能力較差。通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)人機(jī)界面的認(rèn)知、對(duì)尺度的感知以及對(duì)人體測(cè)量相關(guān)內(nèi)容的靈活應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)人機(jī)工程學(xué)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的作用；在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)踐引導(dǎo)學(xué)生掌握人機(jī)工程學(xué)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用方法，通過(guò)實(shí)物讓學(xué)生更深刻理解產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的人機(jī)工程學(xué)，提高人機(jī)工程學(xué)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)的實(shí)用性，為后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)和實(shí)踐打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程不僅可以鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，還能夠提高學(xué)生對(duì)產(chǎn)品尺寸的敏感度。對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品尺度的把握是至關(guān)重要的，但是枯燥的課堂講授及簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)并不能促進(jìn)學(xué)生對(duì)尺度的感知和把握能力，也難以提起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。教師需要在真實(shí)的實(shí)物場(chǎng)景及實(shí)驗(yàn)過(guò)程的互動(dòng)中潛移默化地引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)和把握產(chǎn)品尺度，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（二）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程圍繞用戶(hù)定位、人機(jī)參數(shù)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品3D打印制造、用戶(hù)體驗(yàn)與評(píng)估五個(gè)主要設(shè)計(jì)流程進(jìn)行，這五部分內(nèi)容是產(chǎn)品從概念到產(chǎn)出的五個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是產(chǎn)品設(shè)計(jì)師主要參與的五個(gè)環(huán)節(jié)。其中用戶(hù)定位指確定設(shè)計(jì)對(duì)象后需要考慮的目標(biāo)用戶(hù)群體及目標(biāo)用戶(hù)的特征和需求；人機(jī)參數(shù)指通過(guò)對(duì)目標(biāo)用戶(hù)、產(chǎn)品特點(diǎn)、使用環(huán)境、使用狀態(tài)等的分析后確定的與人相關(guān)的產(chǎn)品尺寸；產(chǎn)品設(shè)計(jì)指與人相關(guān)的產(chǎn)品尺寸確定后進(jìn)行產(chǎn)品功能與形態(tài)的構(gòu)思和表現(xiàn)；產(chǎn)品3D打印制造指通過(guò)3D打印技術(shù)的引入快速獲得產(chǎn)品實(shí)物模型；用戶(hù)體驗(yàn)與評(píng)估指通過(guò)對(duì)人機(jī)關(guān)系的合理性及用戶(hù)使用體驗(yàn)對(duì)實(shí)物模型進(jìn)行評(píng)估，此評(píng)估結(jié)果可作為評(píng)估產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否具有可行性的標(biāo)準(zhǔn)之一。若評(píng)估結(jié)果為人機(jī)關(guān)系和諧，用戶(hù)體驗(yàn)良好則產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有可行性；若評(píng)估結(jié)果為人機(jī)關(guān)系不合理或用戶(hù)體驗(yàn)不好，則產(chǎn)品需重新進(jìn)行調(diào)研分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程加強(qiáng)了老師與學(xué)生的互動(dòng)，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性和學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生最大限度地動(dòng)了起來(lái)，潛移默化地在實(shí)驗(yàn)中體會(huì)到尺寸對(duì)一件產(chǎn)品的重要性，認(rèn)識(shí)產(chǎn)品尺度對(duì)產(chǎn)品易用性的影響，加深了對(duì)課程相關(guān)內(nèi)容的理解，掌握了科學(xué)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是利用3D打印技術(shù)讓學(xué)生短期內(nèi)獲得產(chǎn)品實(shí)物，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中了解3D打印設(shè)備的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，體會(huì)3D打印技術(shù)為產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供的便捷性，更好地激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動(dòng)；二是實(shí)驗(yàn)的專(zhuān)業(yè)針對(duì)性更強(qiáng)，與專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)的聯(lián)系更為密切，學(xué)生能更好地在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證所學(xué)的理論知識(shí)，有助于學(xué)生更透徹、更系統(tǒng)地理解課程的理論知識(shí)點(diǎn)。三是實(shí)驗(yàn)過(guò)程與設(shè)計(jì)實(shí)踐過(guò)程相呼應(yīng)，學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)中了解產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程，在實(shí)踐中體會(huì)實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性和人機(jī)學(xué)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用性。實(shí)驗(yàn)主要包括以下6個(gè)階段：1.實(shí)驗(yàn)導(dǎo)論。包括對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)安排、實(shí)驗(yàn)要求、產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)的注意點(diǎn)及3D打印相關(guān)設(shè)備的認(rèn)識(shí)和操作的講解。2.設(shè)計(jì)調(diào)研（用戶(hù)定位）。在本階段確定產(chǎn)品的目標(biāo)用戶(hù)及用戶(hù)特征與需求。通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)日常生活中手握式產(chǎn)品的人機(jī)關(guān)系問(wèn)題，通過(guò)對(duì)問(wèn)題的分析確定實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)主題和產(chǎn)品的用戶(hù)定位；對(duì)與主題相關(guān)的產(chǎn)品進(jìn)行更深入的人機(jī)分析，對(duì)目標(biāo)用戶(hù)進(jìn)行針對(duì)性的調(diào)研與分析。3.設(shè)計(jì)分析（人機(jī)參數(shù)）。在本階段確定與產(chǎn)品相關(guān)的人機(jī)參數(shù)。通過(guò)調(diào)研分析結(jié)果進(jìn)行產(chǎn)品人體尺寸的設(shè)計(jì)及產(chǎn)品使用（交互）方式的構(gòu)思與確定，為后續(xù)的產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。4.設(shè)計(jì)表現(xiàn)（產(chǎn)品設(shè)計(jì)）。在本階段進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)表現(xiàn)。根據(jù)前期確定的人機(jī)參數(shù)進(jìn)行二維手繪草模方案表現(xiàn)，畫(huà)出可能的設(shè)計(jì)方案；對(duì)手繪模型進(jìn)行分析優(yōu)選后進(jìn)行三維計(jì)算機(jī)模型表現(xiàn)。5.實(shí)物打?。óa(chǎn)品3D打印制造）。在本階段進(jìn)行產(chǎn)品的3D打印制造。將設(shè)計(jì)完成的三維計(jì)算機(jī)模型轉(zhuǎn)為STL格式導(dǎo)入3D打印機(jī)進(jìn)行實(shí)物打印。打印過(guò)程中引導(dǎo)學(xué)生了解3D打印的技術(shù)原理，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)與專(zhuān)業(yè)相關(guān)的新技術(shù)的認(rèn)識(shí)，為學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)打好基礎(chǔ)。通過(guò)3D打印技術(shù)將虛擬的計(jì)算機(jī)三維模型在數(shù)小時(shí)（或數(shù)十小時(shí)）內(nèi)打印成可觸的實(shí)物模型，讓學(xué)生直觀(guān)地感受到一件產(chǎn)品從概念到實(shí)物的過(guò)程，在過(guò)程中體會(huì)尺寸對(duì)產(chǎn)品的影響，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程的感知，加深學(xué)生對(duì)于書(shū)本知識(shí)的理解。從三維虛擬模型到產(chǎn)品真實(shí)觸摸的改變，讓學(xué)生切實(shí)感受到產(chǎn)品尺寸與人體尺寸的關(guān)系，掌握該如何在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)靈活調(diào)用學(xué)過(guò)的人機(jī)工程學(xué)知識(shí)。6.實(shí)物評(píng)估（用戶(hù)體驗(yàn)與評(píng)估）。在本階段對(duì)產(chǎn)品實(shí)物進(jìn)行用戶(hù)體驗(yàn)與評(píng)估。通過(guò)給實(shí)物模型涂上顏色并模擬真實(shí)的使用狀態(tài)，隨后拍照觀(guān)察手部染色情況，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)的課程知識(shí)從人機(jī)學(xué)的合理性方面去評(píng)估產(chǎn)品在尺寸和使用方式上能否達(dá)到讓使用者舒適、健康、提高效率的人機(jī)學(xué)目的；邀請(qǐng)符合用戶(hù)定位的被試進(jìn)行產(chǎn)品實(shí)物的使用模擬，通過(guò)觀(guān)察被試的使用過(guò)程，記錄被試的使用感受，從產(chǎn)品使用的舒適體驗(yàn)感方面去評(píng)估產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否是“以人為中心”的設(shè)計(jì)。評(píng)估過(guò)程進(jìn)一步考查了學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的掌握，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)和鞏固理論知識(shí)，理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相互促進(jìn)，相輔相成，形成一個(gè)完整的知識(shí)鏈。實(shí)驗(yàn)主要階段的內(nèi)容、內(nèi)在邏輯關(guān)系及實(shí)驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)圖1。

（三）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的關(guān)鍵注意點(diǎn)

1.確定人機(jī)參數(shù)。本階段一定要分析和考慮產(chǎn)品的目標(biāo)用戶(hù)、使用狀態(tài)、使用環(huán)境等，并以此考慮相關(guān)尺寸的百分位選擇及修正量，確保設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是可用、易用的。2.實(shí)物打印階段。打印前需了解3D打印機(jī)設(shè)備的相關(guān)參數(shù)及設(shè)定方法，并選擇最合適的打印材料與打印方式。分析產(chǎn)品是否需要拆解打印，思考如何拆解與組裝可以讓產(chǎn)品表現(xiàn)出最優(yōu)的人機(jī)關(guān)系。3.實(shí)物評(píng)估階段：要得到具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的數(shù)據(jù)必須選擇符合產(chǎn)品用戶(hù)定位并能夠如實(shí)、正確地表述使用體驗(yàn)的被試人群，同時(shí)用戶(hù)體驗(yàn)?zāi)M過(guò)程中要確保被試真正完成了產(chǎn)品使用的整個(gè)過(guò)程，以此保證所得結(jié)果的有效性。

三、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新研究應(yīng)用范例——辦公鼠標(biāo)再設(shè)計(jì)

（一）實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：操縱人機(jī)界面的人體感知實(shí)驗(yàn)。2.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：對(duì)各類(lèi)把手、操縱手柄、鼠標(biāo)及其他手握式產(chǎn)品抓握部分的形態(tài)、尺寸、人機(jī)交互方式等進(jìn)行設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（學(xué)生自選一項(xiàng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)）。

（二）實(shí)驗(yàn)步驟（以學(xué)生作業(yè)：某學(xué)生團(tuán)隊(duì)的“辦公鼠標(biāo)再設(shè)計(jì)”為例）

1.市場(chǎng)現(xiàn)狀：發(fā)現(xiàn)問(wèn)題（主要為人機(jī)關(guān)系問(wèn)題）。調(diào)研發(fā)現(xiàn)當(dāng)前辦公鼠標(biāo)造型復(fù)雜，尺寸不合適，使用時(shí)手腕狀態(tài)處于非順直狀態(tài)，鼠標(biāo)按鍵較多，鼠標(biāo)表面易出現(xiàn)油光及手心汗液殘留等問(wèn)題。2.確定設(shè)計(jì)對(duì)象。設(shè)計(jì)對(duì)象為：辦公鼠標(biāo)。主要針對(duì)當(dāng)前辦公鼠標(biāo)造型復(fù)雜，尺寸不合適，使用時(shí)手腕處于非順直狀態(tài)，鼠標(biāo)按鍵較多，鼠標(biāo)表面易出現(xiàn)油光及手心汗液殘留等問(wèn)題進(jìn)行辦公鼠標(biāo)的改良設(shè)計(jì)。3.提出設(shè)計(jì)方案：從形狀、大小、結(jié)構(gòu)、交互等方面進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)目標(biāo)：辦公鼠標(biāo)，造型簡(jiǎn)約，尺寸適當(dāng)，無(wú)線(xiàn)設(shè)計(jì)，輕薄便于攜帶滿(mǎn)足辦公人士的需求。方案草圖如圖2，方案主要通過(guò)降低現(xiàn)有鼠標(biāo)總體高度讓手腕處于順直狀態(tài)；通過(guò)將鼠標(biāo)中間挖空來(lái)避免掌部組織受壓（尤其手心）；通過(guò)只保留常用的左右鍵及滾輪來(lái)塑造簡(jiǎn)約的造型。根據(jù)一般通用產(chǎn)品的平均尺寸設(shè)計(jì)原則結(jié)合GB10000-1988中我國(guó)成人人體主要尺寸可知，我國(guó)50%的成年男性手長(zhǎng)在183mm以下，手寬在82mm以下，50%的成年女性手長(zhǎng)在171mm以下，手寬在76mm以下。當(dāng)鼠標(biāo)寬度過(guò)大時(shí)手指的靈活性將被限制，既不利于操作，也降低了握持的舒適程度[10]；鼠標(biāo)過(guò)窄時(shí)，使用鼠標(biāo)時(shí)手指距離較近會(huì)影響鼠標(biāo)操作的流利性和舒適度；考慮使用鼠標(biāo)時(shí)手處于半屈弓狀態(tài)，鼠標(biāo)長(zhǎng)度和寬度應(yīng)小于50%的成年女性手長(zhǎng)和手寬值，為方便握持及操作，鼠標(biāo)的長(zhǎng)度選擇了112mm，寬度65mm（中間寬度），高度25mm。此尺寸會(huì)在后續(xù)的實(shí)物結(jié)果出來(lái)后進(jìn)行使用舒適度的評(píng)估。4.完善方案：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（三維表達(dá)）。草圖方案確定后進(jìn)入計(jì)算機(jī)輔助三維建模設(shè)計(jì)階段，建模圖如圖3所示。5.實(shí)物制作：利用3D打印技術(shù)快速產(chǎn)出實(shí)物。模型建立完成后在數(shù)字化設(shè)計(jì)及3D打印實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心將模型文件以STL格式導(dǎo)入3D打印機(jī)，數(shù)小時(shí)后得到實(shí)物模型。打印現(xiàn)場(chǎng)及打印實(shí)物圖如圖4。6.實(shí)物評(píng)估。學(xué)生拿到實(shí)物模型后通過(guò)五個(gè)評(píng)估步驟對(duì)實(shí)物進(jìn)行評(píng)估。評(píng)估步驟一：對(duì)實(shí)物進(jìn)行涂色，如圖5，以便后續(xù)模擬使用狀態(tài)后查看手部色彩，分析手部受力情況。評(píng)估步驟二：用實(shí)物模擬使用狀態(tài)，如圖6。評(píng)估步驟三：拍照觀(guān)察，分析手部染色情況，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行手部生理學(xué)方面的評(píng)估；通過(guò)對(duì)手掌著色部分的觀(guān)察，如圖7，可知鼠標(biāo)使用過(guò)程中受力主要集中在大魚(yú)際肌、小魚(yú)際肌和指球肌，這些是手掌上肌肉較豐富的部位，具有天然減震作用，可以適當(dāng)受壓；掌心是肌肉最少部位，不適宜長(zhǎng)期受壓，由著色部分可知鼠標(biāo)設(shè)計(jì)避免了掌心受壓，從手的生理特性角度來(lái)說(shuō)設(shè)計(jì)較為合理。但同時(shí)可以看出食指的接觸面積較小，后期使用感受評(píng)估時(shí)可能出現(xiàn)硌手感。評(píng)估步驟四：邀請(qǐng)被試對(duì)實(shí)物進(jìn)行使用體驗(yàn)和評(píng)估。通過(guò)邀請(qǐng)被試（20位：男性10位，女性10位，均具有準(zhǔn)確表述使用體驗(yàn)的能力）使用鼠標(biāo)并記錄被試的使用體驗(yàn)與評(píng)價(jià)，如圖8。通過(guò)觀(guān)察被試的使用過(guò)程可知使用狀態(tài)下被試手腕處于較順直狀態(tài)；其中18位被試反應(yīng)鼠標(biāo)的滾輪過(guò)于小，難以使用；14位被試反映鼠標(biāo)長(zhǎng)寬可小幅度加大。團(tuán)隊(duì)總結(jié)分析被試意見(jiàn)后對(duì)鼠標(biāo)的滾輪進(jìn)行修改，適當(dāng)增大了鼠標(biāo)的滾輪的長(zhǎng)度及寬度，使其更易用；同時(shí)將鼠標(biāo)的長(zhǎng)和寬各增加了5mm。評(píng)估步驟五：評(píng)估結(jié)語(yǔ)（評(píng)估結(jié)果若有問(wèn)題則需優(yōu)化設(shè)計(jì)后再次評(píng)估；若結(jié)果為人機(jī)關(guān)系和諧，用戶(hù)體驗(yàn)良好則實(shí)驗(yàn)結(jié)束）。通過(guò)前面四個(gè)評(píng)估步驟的分析發(fā)現(xiàn)存在一些尺寸上的問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)積極進(jìn)行方案優(yōu)化后又重新打印實(shí)物。新的實(shí)物出來(lái)后團(tuán)隊(duì)重新進(jìn)行上述步驟對(duì)優(yōu)化后的實(shí)物進(jìn)行評(píng)估。如圖9，通過(guò)手掌染色部分可發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的鼠標(biāo)設(shè)計(jì)符合手部生理學(xué)設(shè)計(jì)要素；再次邀請(qǐng)?jiān)鹊?0位被試進(jìn)行使用過(guò)程的體驗(yàn)和評(píng)估，如圖10，被試均反應(yīng)改進(jìn)后的鼠標(biāo)使用起來(lái)更加舒適，無(wú)硌手現(xiàn)象。至此，評(píng)估結(jié)果為：人機(jī)關(guān)系和諧，用戶(hù)體驗(yàn)良好。課程實(shí)驗(yàn)最后要求學(xué)生提交一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告書(shū)，通過(guò)報(bào)告書(shū)主要關(guān)注學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中人機(jī)工程學(xué)知識(shí)的掌握與鞏固、實(shí)驗(yàn)的總結(jié)與分析、對(duì)3D打印技術(shù)的認(rèn)識(shí)以及對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程的掌握。此團(tuán)隊(duì)第一次打印效果不是很好，鼠標(biāo)的滾輪尺寸太小，在實(shí)物模型出來(lái)的一瞬間團(tuán)隊(duì)成員就已經(jīng)感受到尺寸設(shè)計(jì)的不合適，但是在建模階段并沒(méi)有覺(jué)得不妥，只有看到實(shí)物才切實(shí)感覺(jué)到不合適的產(chǎn)品尺寸對(duì)產(chǎn)品的外觀(guān)及使用感受上的巨大影響。團(tuán)隊(duì)成員深切地認(rèn)識(shí)到在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)密切關(guān)注產(chǎn)品與人發(fā)生交互的任何一個(gè)細(xì)節(jié)，忽視任何細(xì)節(jié)都有可能會(huì)讓我們的設(shè)計(jì)工作事倍功半。團(tuán)隊(duì)成員通過(guò)前后兩次的實(shí)驗(yàn)與評(píng)估感受到了設(shè)計(jì)時(shí)關(guān)注產(chǎn)品尺寸及按照人機(jī)尺寸去設(shè)計(jì)和建模的重要性。在這之前，大部分學(xué)生都是憑感覺(jué)去建模，對(duì)產(chǎn)品具體的尺寸概念薄弱。當(dāng)老師問(wèn)學(xué)生設(shè)計(jì)的產(chǎn)品多長(zhǎng)多寬時(shí)，多數(shù)學(xué)生會(huì)拿出一只手或兩只手比畫(huà)一下說(shuō)大概這么長(zhǎng)吧，很難確切地說(shuō)出所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的具體尺寸。實(shí)驗(yàn)過(guò)程出現(xiàn)過(guò)“兒童鼠標(biāo)”、“巨人螺絲刀”、“Mini菜夾”等令人啼笑皆非的實(shí)物。這些實(shí)物的出現(xiàn)也讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期充分考慮與產(chǎn)品發(fā)生關(guān)系的人和環(huán)境，靈活調(diào)用人機(jī)學(xué)知識(shí)來(lái)確定產(chǎn)品各部分尺寸及交互方式的重要性。

四、小結(jié)

本實(shí)驗(yàn)已應(yīng)用于實(shí)際教學(xué)實(shí)踐中，教學(xué)結(jié)果證明學(xué)生已經(jīng)掌握實(shí)驗(yàn)方法，且實(shí)驗(yàn)效果良好。實(shí)驗(yàn)通過(guò)3D打印技術(shù)的引入使得人機(jī)工程學(xué)理論與產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)踐相融合，不僅提高了學(xué)生對(duì)尺度的認(rèn)知，也為產(chǎn)品設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)的人機(jī)工程學(xué)課程提供了一個(gè)可以實(shí)施的實(shí)驗(yàn)方向，提升了人機(jī)工程學(xué)的教學(xué)水平和質(zhì)量。在后續(xù)的教學(xué)實(shí)踐中將會(huì)進(jìn)一步探索人機(jī)工程學(xué)的教學(xué)模式，讓人機(jī)工程學(xué)的教學(xué)更加有效和科學(xué)。

作者:張偉偉 張銀穎 晏群 單位:馬鞍山學(xué)院