產品設計工程學課程實驗創新探析

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摘要：為了提高產品設計專業的學生對人機工程學課程知識的把握和實際應用能力。通過在人機工程學的課程實驗中引入3D打印技術，結合產品設計實踐，讓學生直觀地去感受一件產品從概念到實物的過程，在過程中體會尺寸對產品的影響，了解建模前期確定產品尺寸的重要性，掌握科學的產品設計流程。通過課程實驗，學生進一步了解3D打印技術，深刻體會尺寸對一件產品的重要性，對產品尺度也有了全新認識，加深了對課程相關內容的理解，掌握了科學的產品設計流程。為產品設計專業的人機工程學課程提供了一個可以實施的實驗方向。

關鍵詞：人機工程學；3D打印技術；產品設計；實驗創新；教學研究

引言

隨著社會進步和科技發展，人們的生活水平不斷提高，對產品的需求也從生理層次擴展到心理層次[1]。人們更關注產品的宜人性、易用性以及使用過程中人與產品的和諧性，以人為中心的設計思想在產品設計中變得越來越重要。人機工程學作為產品設計專業的必修課，其課程設置的主要目的就是培養學生“以人為中心”的設計思想，提高學生解決人-機-環境三者之間關系的能力。其課程內容為產品設計中考慮人的因素提供了人體尺寸參數，為進行人-機-環境系統設計提供了理論依據，為堅持以人為核心的設計思想提供了系統的工作程序。因此，人機工程學的課程內容對產品設計專業學生設計思想的培養及設計過程中尺度的把握都有著極其重要的引導作用。但目前產品設計專業的人機工程學課程內容大多停留在枯燥的理論教學中，課程中只有少量的實踐或實驗課時。實踐多是學生主觀的感受和體會，少有理性和定量的支持，設計手段也多停留在三維建模設計階段[2]；實驗則多是人體測量、人體感知、記憶特征等驗證性的簡單實驗[3]，專業針對性較弱，不管是環境設計、工業設計、產品設計甚至工業工程專業的學生也是進行這些實驗，對于提高產品設計專業學生的實際設計能力效果較差。當在產品設計過程中需要進行人機工程設計或分析時，雖然學習過相關的人機工程學理論，卻不知如何將學過的理論知識應用到設計實踐中，導致學生在設計說明中提到的“符合人機工程學”的說法浮于表面，常常難以說出所設計的產品哪里符合了人機工程以及產品是如何符合人機工程的，因此產品在實際使用時難以達到人與機的和諧統一[4]。如何通過教學中的實驗環節建立理論教學與實際應用之間的聯系，使學生能夠真正掌握人機工程學課程所提供的設計理念和設計方法，增強學生對產品尺度的把握和課程理論知識的實際應用能力，是人機工程學教學中亟待解決的問題。下面將在產品設計專業的人機工程學課程中結合設計實踐提出一個針對性更強、實驗性更好的課程實驗，并將3D打印技術引入到實驗中以期更好地建立起教學中理論與實踐的聯系，增強學生將理論知識應用到設計實踐中的能力。

一、3D打印技術引入人機工程學教學的意義

3D打印是一種快速成型技術，它以計算機三維模型為基礎，通過逐層打印黏結，最終疊加成型的方式制造出實體產品[5]。近年，隨著3D打印技術的發展，其應用領域也從航天、醫學、軍事等領域逐漸擴展到汽車、醫藥科學、工業、設計、文化創意等領域。尤其3D打印技術在產品（工業）設計領域的應用將產品設計與制造融為一體，設計方案能夠很快地變成實物樣品，可以更快、更準確地進行驗證、定型[6]。3D打印技術可以直接快速實現虛擬現實的效果，可以極大地縮短產品的設計周期，減少產品研發的時間，降低設計研發成本[7]，同時也為創客群體提供了全新的動力，為年輕的創業人群提供了一個全新的創業途徑[6]。3D打印技術的發展進一步推動了總理提出的“大眾創業，萬眾創新”的構想，也進一步推動著工業設計智能化時代的發展。將3D打印技術引入到人機工程學實驗教學環節，讓學生能夠主動地了解當代科學技術的發展水平，是與時俱進的體現，有利于產品設計專業的學生進行設計實踐和創新創業；3D打印技術能夠減少設計周期，甚至能讓學生在一天內將設計創意進行快速生產，可以將人機工程學中存在的不易理解的抽象理論知識轉化為直觀可視化的實物模型展現在學生面前，使學生獲得更深刻的認知體驗[8]，幫助學生深入了解產品尺寸與產品使用體驗之間的聯系，建立起從“用戶定位”到“人機參數”到“產品設計”再到“產品3D打印制造”最后到“用戶體驗與評估”的科學設計流程，進一步提高產品使用過程中人與產品的和諧性，使產品設計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、數據化、可操作的設計實驗教學，打破了傳統設計實踐基于感受的定性途徑和驗證性的簡單實驗，對設計實物的評估使學生更容易理解產品設計過程中人機數據的應用方法，能夠真正將課程知識內化、掌握并應用到具體的產品設計中。讓學生在實驗中學習理論知識，在理論知識的學習中進行實驗，實驗與理論學習相輔相成，互相促進。

二、人機工程學課程實驗創新設計

（一）實驗的意義與目的

人機工程學作為一門滲透型的邊緣學科，涉及面廣，應用領域寬。教學內容以純理論型的書籍為參考，不同專業所上內容相似且均以傳統的理論框架進行教學，導致其課程內容涵蓋的知識點較多且課程內容多為純理論性知識，還包含一些藝術類學生看到就想打退堂鼓的公式、數據、尺寸等，整體內容較為枯燥和乏味，學生易出現無聊、厭學等現象；課程內容涉及面廣且與專業方向聯系較弱，難以發揮學生的創新能力[9]，導致產品設計專業學生對課程內容的掌握和應用能力較差。通過實驗教學的內容可以加強學生對人機界面的認知、對尺度的感知以及對人體測量相關內容的靈活應用，引導學生進一步認識人機工程學在產品設計中的作用；在實驗過程中結合設計實踐引導學生掌握人機工程學知識的實際應用方法，通過實物讓學生更深刻理解產品設計中的人機工程學，提高人機工程學在產品設計專業的實用性，為后續專業課程的學習和實踐打下堅實的基礎。實驗過程不僅可以鍛煉學生的動手能力，還能夠提高學生對產品尺寸的敏感度。對產品設計的學生來說，產品尺度的把握是至關重要的，但是枯燥的課堂講授及簡單的驗證性實驗并不能促進學生對尺度的感知和把握能力，也難以提起學生的學習興趣。教師需要在真實的實物場景及實驗過程的互動中潛移默化地引導學生認識和把握產品尺度，提升學生的學習興趣。

（二）實驗設計

實驗過程圍繞用戶定位、人機參數、產品設計、產品3D打印制造、用戶體驗與評估五個主要設計流程進行，這五部分內容是產品從概念到產出的五個重要環節，也是產品設計師主要參與的五個環節。其中用戶定位指確定設計對象后需要考慮的目標用戶群體及目標用戶的特征和需求；人機參數指通過對目標用戶、產品特點、使用環境、使用狀態等的分析后確定的與人相關的產品尺寸；產品設計指與人相關的產品尺寸確定后進行產品功能與形態的構思和表現；產品3D打印制造指通過3D打印技術的引入快速獲得產品實物模型；用戶體驗與評估指通過對人機關系的合理性及用戶使用體驗對實物模型進行評估，此評估結果可作為評估產品設計是否具有可行性的標準之一。若評估結果為人機關系和諧，用戶體驗良好則產品設計具有可行性；若評估結果為人機關系不合理或用戶體驗不好，則產品需重新進行調研分析和優化設計。實驗過程加強了老師與學生的互動，調動了學生的積極性和學習興趣，讓學生最大限度地動了起來，潛移默化地在實驗中體會到尺寸對一件產品的重要性，認識產品尺度對產品易用性的影響，加深了對課程相關內容的理解，掌握了科學的產品設計流程。實驗設計的創新性主要體現在三個方面：一是利用3D打印技術讓學生短期內獲得產品實物，讓學生在實驗中了解3D打印設備的相關基礎知識，體會3D打印技術為產品設計開發提供的便捷性，更好地激發了學生的創新創業活動；二是實驗的專業針對性更強，與專業理論知識的聯系更為密切，學生能更好地在實驗中驗證所學的理論知識，有助于學生更透徹、更系統地理解課程的理論知識點。三是實驗過程與設計實踐過程相呼應，學生可以在實驗中了解產品設計流程，在實踐中體會實驗的嚴謹性和人機學知識的實際應用性。實驗主要包括以下6個階段：1.實驗導論。包括對整個實驗過程、實驗安排、實驗要求、產品設計時的注意點及3D打印相關設備的認識和操作的講解。2.設計調研（用戶定位）。在本階段確定產品的目標用戶及用戶特征與需求。通過調研發現日常生活中手握式產品的人機關系問題，通過對問題的分析確定實驗的設計主題和產品的用戶定位；對與主題相關的產品進行更深入的人機分析，對目標用戶進行針對性的調研與分析。3.設計分析（人機參數）。在本階段確定與產品相關的人機參數。通過調研分析結果進行產品人體尺寸的設計及產品使用（交互）方式的構思與確定，為后續的產品方案設計奠定基礎。4.設計表現（產品設計）。在本階段進行產品設計表現。根據前期確定的人機參數進行二維手繪草模方案表現，畫出可能的設計方案；對手繪模型進行分析優選后進行三維計算機模型表現。5.實物打?。óa品3D打印制造）。在本階段進行產品的3D打印制造。將設計完成的三維計算機模型轉為STL格式導入3D打印機進行實物打印。打印過程中引導學生了解3D打印的技術原理，增強學生對與專業相關的新技術的認識，為學生的創新創業打好基礎。通過3D打印技術將虛擬的計算機三維模型在數小時（或數十小時）內打印成可觸的實物模型，讓學生直觀地感受到一件產品從概念到實物的過程，在過程中體會尺寸對產品的影響，增強學生對設計過程的感知，加深學生對于書本知識的理解。從三維虛擬模型到產品真實觸摸的改變，讓學生切實感受到產品尺寸與人體尺寸的關系，掌握該如何在產品設計時靈活調用學過的人機工程學知識。6.實物評估（用戶體驗與評估）。在本階段對產品實物進行用戶體驗與評估。通過給實物模型涂上顏色并模擬真實的使用狀態，隨后拍照觀察手部染色情況，結合人機工程學的課程知識從人機學的合理性方面去評估產品在尺寸和使用方式上能否達到讓使用者舒適、健康、提高效率的人機學目的；邀請符合用戶定位的被試進行產品實物的使用模擬，通過觀察被試的使用過程，記錄被試的使用感受，從產品使用的舒適體驗感方面去評估產品設計是否是“以人為中心”的設計。評估過程進一步考查了學生對課程知識的掌握，讓學生在學習中進行實驗，在實驗中學習和鞏固理論知識，理論知識與實驗內容相互促進，相輔相成，形成一個完整的知識鏈。實驗主要階段的內容、內在邏輯關系及實驗過程見圖1。

（三）實驗過程中的關鍵注意點

1.確定人機參數。本階段一定要分析和考慮產品的目標用戶、使用狀態、使用環境等，并以此考慮相關尺寸的百分位選擇及修正量，確保設計的產品是可用、易用的。2.實物打印階段。打印前需了解3D打印機設備的相關參數及設定方法，并選擇最合適的打印材料與打印方式。分析產品是否需要拆解打印，思考如何拆解與組裝可以讓產品表現出最優的人機關系。3.實物評估階段：要得到具有統計學意義的數據必須選擇符合產品用戶定位并能夠如實、正確地表述使用體驗的被試人群，同時用戶體驗模擬過程中要確保被試真正完成了產品使用的整個過程，以此保證所得結果的有效性。

三、實驗創新研究應用范例——辦公鼠標再設計

（一）實驗名稱與實驗內容

1.實驗名稱：操縱人機界面的人體感知實驗。2.實驗內容：對各類把手、操縱手柄、鼠標及其他手握式產品抓握部分的形態、尺寸、人機交互方式等進行設計及實驗驗證（學生自選一項進行實驗）。

（二）實驗步驟（以學生作業：某學生團隊的“辦公鼠標再設計”為例）

1.市場現狀：發現問題（主要為人機關系問題）。調研發現當前辦公鼠標造型復雜，尺寸不合適，使用時手腕狀態處于非順直狀態，鼠標按鍵較多，鼠標表面易出現油光及手心汗液殘留等問題。2.確定設計對象。設計對象為：辦公鼠標。主要針對當前辦公鼠標造型復雜，尺寸不合適，使用時手腕處于非順直狀態，鼠標按鍵較多，鼠標表面易出現油光及手心汗液殘留等問題進行辦公鼠標的改良設計。3.提出設計方案：從形狀、大小、結構、交互等方面進行方案設計。設計目標：辦公鼠標，造型簡約，尺寸適當，無線設計，輕薄便于攜帶滿足辦公人士的需求。方案草圖如圖2，方案主要通過降低現有鼠標總體高度讓手腕處于順直狀態；通過將鼠標中間挖空來避免掌部組織受壓（尤其手心）；通過只保留常用的左右鍵及滾輪來塑造簡約的造型。根據一般通用產品的平均尺寸設計原則結合GB10000-1988中我國成人人體主要尺寸可知，我國50%的成年男性手長在183mm以下，手寬在82mm以下，50%的成年女性手長在171mm以下，手寬在76mm以下。當鼠標寬度過大時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]；鼠標過窄時，使用鼠標時手指距離較近會影響鼠標操作的流利性和舒適度；考慮使用鼠標時手處于半屈弓狀態，鼠標長度和寬度應小于50%的成年女性手長和手寬值，為方便握持及操作，鼠標的長度選擇了112mm，寬度65mm（中間寬度），高度25mm。此尺寸會在后續的實物結果出來后進行使用舒適度的評估。4.完善方案：計算機輔助設計（三維表達）。草圖方案確定后進入計算機輔助三維建模設計階段，建模圖如圖3所示。5.實物制作：利用3D打印技術快速產出實物。模型建立完成后在數字化設計及3D打印實驗實訓中心將模型文件以STL格式導入3D打印機，數小時后得到實物模型。打印現場及打印實物圖如圖4。6.實物評估。學生拿到實物模型后通過五個評估步驟對實物進行評估。評估步驟一：對實物進行涂色，如圖5，以便后續模擬使用狀態后查看手部色彩，分析手部受力情況。評估步驟二：用實物模擬使用狀態，如圖6。評估步驟三：拍照觀察，分析手部染色情況，對設計方案進行手部生理學方面的評估；通過對手掌著色部分的觀察，如圖7，可知鼠標使用過程中受力主要集中在大魚際肌、小魚際肌和指球肌，這些是手掌上肌肉較豐富的部位，具有天然減震作用，可以適當受壓；掌心是肌肉最少部位，不適宜長期受壓，由著色部分可知鼠標設計避免了掌心受壓，從手的生理特性角度來說設計較為合理。但同時可以看出食指的接觸面積較小，后期使用感受評估時可能出現硌手感。評估步驟四：邀請被試對實物進行使用體驗和評估。通過邀請被試（20位：男性10位，女性10位，均具有準確表述使用體驗的能力）使用鼠標并記錄被試的使用體驗與評價，如圖8。通過觀察被試的使用過程可知使用狀態下被試手腕處于較順直狀態；其中18位被試反應鼠標的滾輪過于小，難以使用；14位被試反映鼠標長寬可小幅度加大。團隊總結分析被試意見后對鼠標的滾輪進行修改，適當增大了鼠標的滾輪的長度及寬度，使其更易用；同時將鼠標的長和寬各增加了5mm。評估步驟五：評估結語（評估結果若有問題則需優化設計后再次評估；若結果為人機關系和諧，用戶體驗良好則實驗結束）。通過前面四個評估步驟的分析發現存在一些尺寸上的問題，團隊積極進行方案優化后又重新打印實物。新的實物出來后團隊重新進行上述步驟對優化后的實物進行評估。如圖9，通過手掌染色部分可發現優化后的鼠標設計符合手部生理學設計要素；再次邀請原先的20位被試進行使用過程的體驗和評估，如圖10，被試均反應改進后的鼠標使用起來更加舒適，無硌手現象。至此，評估結果為：人機關系和諧，用戶體驗良好。課程實驗最后要求學生提交一份實驗報告書，通過報告書主要關注學生實驗設計的合理性、實驗過程中人機工程學知識的掌握與鞏固、實驗的總結與分析、對3D打印技術的認識以及對產品設計流程的掌握。此團隊第一次打印效果不是很好，鼠標的滾輪尺寸太小，在實物模型出來的一瞬間團隊成員就已經感受到尺寸設計的不合適，但是在建模階段并沒有覺得不妥，只有看到實物才切實感覺到不合適的產品尺寸對產品的外觀及使用感受上的巨大影響。團隊成員深切地認識到在進行產品設計時應密切關注產品與人發生交互的任何一個細節，忽視任何細節都有可能會讓我們的設計工作事倍功半。團隊成員通過前后兩次的實驗與評估感受到了設計時關注產品尺寸及按照人機尺寸去設計和建模的重要性。在這之前，大部分學生都是憑感覺去建模，對產品具體的尺寸概念薄弱。當老師問學生設計的產品多長多寬時，多數學生會拿出一只手或兩只手比畫一下說大概這么長吧，很難確切地說出所設計產品的具體尺寸。實驗過程出現過“兒童鼠標”、“巨人螺絲刀”、“Mini菜夾”等令人啼笑皆非的實物。這些實物的出現也讓學生認識到在產品設計初期充分考慮與產品發生關系的人和環境，靈活調用人機學知識來確定產品各部分尺寸及交互方式的重要性。

四、小結

本實驗已應用于實際教學實踐中，教學結果證明學生已經掌握實驗方法，且實驗效果良好。實驗通過3D打印技術的引入使得人機工程學理論與產品設計實踐相融合，不僅提高了學生對尺度的認知，也為產品設計專業的人機工程學課程提供了一個可以實施的實驗方向，提升了人機工程學的教學水平和質量。在后續的教學實踐中將會進一步探索人機工程學的教學模式，讓人機工程學的教學更加有效和科學。

作者:張偉偉 張銀穎 晏群 單位:馬鞍山學院