产品设计工程学课程实验创新探析

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摘要：为了提高产品设计专业的学生对人机工程学课程知识的把握和实际应用能力。通过在人机工程学的课程实验中引入3D打印技术，结合产品设计实践，让学生直观地去感受一件产品从概念到实物的过程，在过程中体会尺寸对产品的影响，了解建模前期确定产品尺寸的重要性，掌握科学的产品设计流程。通过课程实验，学生进一步了解3D打印技术，深刻体会尺寸对一件产品的重要性，对产品尺度也有了全新认识，加深了对课程相关内容的理解，掌握了科学的产品设计流程。为产品设计专业的人机工程学课程提供了一个可以实施的实验方向。

关键词：人机工程学；3D打印技术；产品设计；实验创新；教学研究

引言

随着社会进步和科技发展，人们的生活水平不断提高，对产品的需求也从生理层次扩展到心理层次[1]。人们更关注产品的宜人性、易用性以及使用过程中人与产品的和谐性，以人为中心的设计思想在产品设计中变得越来越重要。人机工程学作为产品设计专业的必修课，其课程设置的主要目的就是培养学生“以人为中心”的设计思想，提高学生解决人-机-环境三者之间关系的能力。其课程内容为产品设计中考虑人的因素提供了人体尺寸参数，为进行人-机-环境系统设计提供了理论依据，为坚持以人为核心的设计思想提供了系统的工作程序。因此，人机工程学的课程内容对产品设计专业学生设计思想的培养及设计过程中尺度的把握都有着极其重要的引导作用。但目前产品设计专业的人机工程学课程内容大多停留在枯燥的理论教学中，课程中只有少量的实践或实验课时。实践多是学生主观的感受和体会，少有理性和定量的支持，设计手段也多停留在三维建模设计阶段[2]；实验则多是人体测量、人体感知、记忆特征等验证性的简单实验[3]，专业针对性较弱，不管是环境设计、工业设计、产品设计甚至工业工程专业的学生也是进行这些实验，对于提高产品设计专业学生的实际设计能力效果较差。当在产品设计过程中需要进行人机工程设计或分析时，虽然学习过相关的人机工程学理论，却不知如何将学过的理论知识应用到设计实践中，导致学生在设计说明中提到的“符合人机工程学”的说法浮于表面，常常难以说出所设计的产品哪里符合了人机工程以及产品是如何符合人机工程的，因此产品在实际使用时难以达到人与机的和谐统一[4]。如何通过教学中的实验环节建立理论教学与实际应用之间的联系，使学生能够真正掌握人机工程学课程所提供的设计理念和设计方法，增强学生对产品尺度的把握和课程理论知识的实际应用能力，是人机工程学教学中亟待解决的问题。下面将在产品设计专业的人机工程学课程中结合设计实践提出一个针对性更强、实验性更好的课程实验，并将3D打印技术引入到实验中以期更好地建立起教学中理论与实践的联系，增强学生将理论知识应用到设计实践中的能力。

一、3D打印技术引入人机工程学教学的意义

3D打印是一种快速成型技术，它以计算机三维模型为基础，通过逐层打印黏结，最终叠加成型的方式制造出实体产品[5]。近年，随着3D打印技术的发展，其应用领域也从航天、医学、军事等领域逐渐扩展到汽车、医药科学、工业、设计、文化创意等领域。尤其3D打印技术在产品（工业）设计领域的应用将产品设计与制造融为一体，设计方案能够很快地变成实物样品，可以更快、更准确地进行验证、定型[6]。3D打印技术可以直接快速实现虚拟现实的效果，可以极大地缩短产品的设计周期，减少产品研发的时间，降低设计研发成本[7]，同时也为创客群体提供了全新的动力，为年轻的创业人群提供了一个全新的创业途径[6]。3D打印技术的发展进一步推动了总理提出的“大众创业，万众创新”的构想，也进一步推动着工业设计智能化时代的发展。将3D打印技术引入到人机工程学实验教学环节，让学生能够主动地了解当代科学技术的发展水平，是与时俱进的体现，有利于产品设计专业的学生进行设计实践和创新创业；3D打印技术能够减少设计周期，甚至能让学生在一天内将设计创意进行快速生产，可以将人机工程学中存在的不易理解的抽象理论知识转化为直观可视化的实物模型展现在学生面前，使学生获得更深刻的认知体验[8]，帮助学生深入了解产品尺寸与产品使用体验之间的联系，建立起从“用户定位”到“人机参数”到“产品设计”再到“产品3D打印制造”最后到“用户体验与评估”的科学设计流程，进一步提高产品使用过程中人与产品的和谐性，使产品设计不光具有好看的外表，更具有合理的尺寸和舒适的可使用性。这种理性化、数据化、可操作的设计实验教学，打破了传统设计实践基于感受的定性途径和验证性的简单实验，对设计实物的评估使学生更容易理解产品设计过程中人机数据的应用方法，能够真正将课程知识内化、掌握并应用到具体的产品设计中。让学生在实验中学习理论知识，在理论知识的学习中进行实验，实验与理论学习相辅相成，互相促进。

二、人机工程学课程实验创新设计

（一）实验的意义与目的

人机工程学作为一门渗透型的边缘学科，涉及面广，应用领域宽。教学内容以纯理论型的书籍为参考，不同专业所上内容相似且均以传统的理论框架进行教学，导致其课程内容涵盖的知识点较多且课程内容多为纯理论性知识，还包含一些艺术类学生看到就想打退堂鼓的公式、数据、尺寸等，整体内容较为枯燥和乏味，学生易出现无聊、厌学等现象；课程内容涉及面广且与专业方向联系较弱，难以发挥学生的创新能力[9]，导致产品设计专业学生对课程内容的掌握和应用能力较差。通过实验教学的内容可以加强学生对人机界面的认知、对尺度的感知以及对人体测量相关内容的灵活应用，引导学生进一步认识人机工程学在产品设计中的作用；在实验过程中结合设计实践引导学生掌握人机工程学知识的实际应用方法，通过实物让学生更深刻理解产品设计中的人机工程学，提高人机工程学在产品设计专业的实用性，为后续专业课程的学习和实践打下坚实的基础。实验过程不仅可以锻炼学生的动手能力，还能够提高学生对产品尺寸的敏感度。对产品设计的学生来说，产品尺度的把握是至关重要的，但是枯燥的课堂讲授及简单的验证性实验并不能促进学生对尺度的感知和把握能力，也难以提起学生的学习兴趣。教师需要在真实的实物场景及实验过程的互动中潜移默化地引导学生认识和把握产品尺度，提升学生的学习兴趣。

（二）实验设计

实验过程围绕用户定位、人机参数、产品设计、产品3D打印制造、用户体验与评估五个主要设计流程进行，这五部分内容是产品从概念到产出的五个重要环节，也是产品设计师主要参与的五个环节。其中用户定位指确定设计对象后需要考虑的目标用户群体及目标用户的特征和需求；人机参数指通过对目标用户、产品特点、使用环境、使用状态等的分析后确定的与人相关的产品尺寸；产品设计指与人相关的产品尺寸确定后进行产品功能与形态的构思和表现；产品3D打印制造指通过3D打印技术的引入快速获得产品实物模型；用户体验与评估指通过对人机关系的合理性及用户使用体验对实物模型进行评估，此评估结果可作为评估产品设计是否具有可行性的标准之一。若评估结果为人机关系和谐，用户体验良好则产品设计具有可行性；若评估结果为人机关系不合理或用户体验不好，则产品需重新进行调研分析和优化设计。实验过程加强了老师与学生的互动，调动了学生的积极性和学习兴趣，让学生最大限度地动了起来，潜移默化地在实验中体会到尺寸对一件产品的重要性，认识产品尺度对产品易用性的影响，加深了对课程相关内容的理解，掌握了科学的产品设计流程。实验设计的创新性主要体现在三个方面：一是利用3D打印技术让学生短期内获得产品实物，让学生在实验中了解3D打印设备的相关基础知识，体会3D打印技术为产品设计开发提供的便捷性，更好地激发了学生的创新创业活动；二是实验的专业针对性更强，与专业理论知识的联系更为密切，学生能更好地在实验中验证所学的理论知识，有助于学生更透彻、更系统地理解课程的理论知识点。三是实验过程与设计实践过程相呼应，学生可以在实验中了解产品设计流程，在实践中体会实验的严谨性和人机学知识的实际应用性。实验主要包括以下6个阶段：1.实验导论。包括对整个实验过程、实验安排、实验要求、产品设计时的注意点及3D打印相关设备的认识和操作的讲解。2.设计调研（用户定位）。在本阶段确定产品的目标用户及用户特征与需求。通过调研发现日常生活中手握式产品的人机关系问题，通过对问题的分析确定实验的设计主题和产品的用户定位；对与主题相关的产品进行更深入的人机分析，对目标用户进行针对性的调研与分析。3.设计分析（人机参数）。在本阶段确定与产品相关的人机参数。通过调研分析结果进行产品人体尺寸的设计及产品使用（交互）方式的构思与确定，为后续的产品方案设计奠定基础。4.设计表现（产品设计）。在本阶段进行产品设计表现。根据前期确定的人机参数进行二维手绘草模方案表现，画出可能的设计方案；对手绘模型进行分析优选后进行三维计算机模型表现。5.实物打印（产品3D打印制造）。在本阶段进行产品的3D打印制造。将设计完成的三维计算机模型转为STL格式导入3D打印机进行实物打印。打印过程中引导学生了解3D打印的技术原理，增强学生对与专业相关的新技术的认识，为学生的创新创业打好基础。通过3D打印技术将虚拟的计算机三维模型在数小时（或数十小时）内打印成可触的实物模型，让学生直观地感受到一件产品从概念到实物的过程，在过程中体会尺寸对产品的影响，增强学生对设计过程的感知，加深学生对于书本知识的理解。从三维虚拟模型到产品真实触摸的改变，让学生切实感受到产品尺寸与人体尺寸的关系，掌握该如何在产品设计时灵活调用学过的人机工程学知识。6.实物评估（用户体验与评估）。在本阶段对产品实物进行用户体验与评估。通过给实物模型涂上颜色并模拟真实的使用状态，随后拍照观察手部染色情况，结合人机工程学的课程知识从人机学的合理性方面去评估产品在尺寸和使用方式上能否达到让使用者舒适、健康、提高效率的人机学目的；邀请符合用户定位的被试进行产品实物的使用模拟，通过观察被试的使用过程，记录被试的使用感受，从产品使用的舒适体验感方面去评估产品设计是否是“以人为中心”的设计。评估过程进一步考查了学生对课程知识的掌握，让学生在学习中进行实验，在实验中学习和巩固理论知识，理论知识与实验内容相互促进，相辅相成，形成一个完整的知识链。实验主要阶段的内容、内在逻辑关系及实验过程见图1。

（三）实验过程中的关键注意点

1.确定人机参数。本阶段一定要分析和考虑产品的目标用户、使用状态、使用环境等，并以此考虑相关尺寸的百分位选择及修正量，确保设计的产品是可用、易用的。2.实物打印阶段。打印前需了解3D打印机设备的相关参数及设定方法，并选择最合适的打印材料与打印方式。分析产品是否需要拆解打印，思考如何拆解与组装可以让产品表现出最优的人机关系。3.实物评估阶段：要得到具有统计学意义的数据必须选择符合产品用户定位并能够如实、正确地表述使用体验的被试人群，同时用户体验模拟过程中要确保被试真正完成了产品使用的整个过程，以此保证所得结果的有效性。

三、实验创新研究应用范例——办公鼠标再设计

（一）实验名称与实验内容

1.实验名称：操纵人机界面的人体感知实验。2.实验内容：对各类把手、操纵手柄、鼠标及其他手握式产品抓握部分的形态、尺寸、人机交互方式等进行设计及实验验证（学生自选一项进行实验）。

（二）实验步骤（以学生作业：某学生团队的“办公鼠标再设计”为例）

1.市场现状：发现问题（主要为人机关系问题）。调研发现当前办公鼠标造型复杂，尺寸不合适，使用时手腕状态处于非顺直状态，鼠标按键较多，鼠标表面易出现油光及手心汗液残留等问题。2.确定设计对象。设计对象为：办公鼠标。主要针对当前办公鼠标造型复杂，尺寸不合适，使用时手腕处于非顺直状态，鼠标按键较多，鼠标表面易出现油光及手心汗液残留等问题进行办公鼠标的改良设计。3.提出设计方案：从形状、大小、结构、交互等方面进行方案设计。设计目标：办公鼠标，造型简约，尺寸适当，无线设计，轻薄便于携带满足办公人士的需求。方案草图如图2，方案主要通过降低现有鼠标总体高度让手腕处于顺直状态；通过将鼠标中间挖空来避免掌部组织受压（尤其手心）；通过只保留常用的左右键及滚轮来塑造简约的造型。根据一般通用产品的平均尺寸设计原则结合GB10000-1988中我国成人人体主要尺寸可知，我国50%的成年男性手长在183mm以下，手宽在82mm以下，50%的成年女性手长在171mm以下，手宽在76mm以下。当鼠标宽度过大时手指的灵活性将被限制，既不利于操作，也降低了握持的舒适程度[10]；鼠标过窄时，使用鼠标时手指距离较近会影响鼠标操作的流利性和舒适度；考虑使用鼠标时手处于半屈弓状态，鼠标长度和宽度应小于50%的成年女性手长和手宽值，为方便握持及操作，鼠标的长度选择了112mm，宽度65mm（中间宽度），高度25mm。此尺寸会在后续的实物结果出来后进行使用舒适度的评估。4.完善方案：计算机辅助设计（三维表达）。草图方案确定后进入计算机辅助三维建模设计阶段，建模图如图3所示。5.实物制作：利用3D打印技术快速产出实物。模型建立完成后在数字化设计及3D打印实验实训中心将模型文件以STL格式导入3D打印机，数小时后得到实物模型。打印现场及打印实物图如图4。6.实物评估。学生拿到实物模型后通过五个评估步骤对实物进行评估。评估步骤一：对实物进行涂色，如图5，以便后续模拟使用状态后查看手部色彩，分析手部受力情况。评估步骤二：用实物模拟使用状态，如图6。评估步骤三：拍照观察，分析手部染色情况，对设计方案进行手部生理学方面的评估；通过对手掌着色部分的观察，如图7，可知鼠标使用过程中受力主要集中在大鱼际肌、小鱼际肌和指球肌，这些是手掌上肌肉较丰富的部位，具有天然减震作用，可以适当受压；掌心是肌肉最少部位，不适宜长期受压，由着色部分可知鼠标设计避免了掌心受压，从手的生理特性角度来说设计较为合理。但同时可以看出食指的接触面积较小，后期使用感受评估时可能出现硌手感。评估步骤四：邀请被试对实物进行使用体验和评估。通过邀请被试（20位：男性10位，女性10位，均具有准确表述使用体验的能力）使用鼠标并记录被试的使用体验与评价，如图8。通过观察被试的使用过程可知使用状态下被试手腕处于较顺直状态；其中18位被试反应鼠标的滚轮过于小，难以使用；14位被试反映鼠标长宽可小幅度加大。团队总结分析被试意见后对鼠标的滚轮进行修改，适当增大了鼠标的滚轮的长度及宽度，使其更易用；同时将鼠标的长和宽各增加了5mm。评估步骤五：评估结语（评估结果若有问题则需优化设计后再次评估；若结果为人机关系和谐，用户体验良好则实验结束）。通过前面四个评估步骤的分析发现存在一些尺寸上的问题，团队积极进行方案优化后又重新打印实物。新的实物出来后团队重新进行上述步骤对优化后的实物进行评估。如图9，通过手掌染色部分可发现优化后的鼠标设计符合手部生理学设计要素；再次邀请原先的20位被试进行使用过程的体验和评估，如图10，被试均反应改进后的鼠标使用起来更加舒适，无硌手现象。至此，评估结果为：人机关系和谐，用户体验良好。课程实验最后要求学生提交一份实验报告书，通过报告书主要关注学生实验设计的合理性、实验过程中人机工程学知识的掌握与巩固、实验的总结与分析、对3D打印技术的认识以及对产品设计流程的掌握。此团队第一次打印效果不是很好，鼠标的滚轮尺寸太小，在实物模型出来的一瞬间团队成员就已经感受到尺寸设计的不合适，但是在建模阶段并没有觉得不妥，只有看到实物才切实感觉到不合适的产品尺寸对产品的外观及使用感受上的巨大影响。团队成员深切地认识到在进行产品设计时应密切关注产品与人发生交互的任何一个细节，忽视任何细节都有可能会让我们的设计工作事倍功半。团队成员通过前后两次的实验与评估感受到了设计时关注产品尺寸及按照人机尺寸去设计和建模的重要性。在这之前，大部分学生都是凭感觉去建模，对产品具体的尺寸概念薄弱。当老师问学生设计的产品多长多宽时，多数学生会拿出一只手或两只手比画一下说大概这么长吧，很难确切地说出所设计产品的具体尺寸。实验过程出现过“儿童鼠标”、“巨人螺丝刀”、“Mini菜夹”等令人啼笑皆非的实物。这些实物的出现也让学生认识到在产品设计初期充分考虑与产品发生关系的人和环境，灵活调用人机学知识来确定产品各部分尺寸及交互方式的重要性。

四、小结

本实验已应用于实际教学实践中，教学结果证明学生已经掌握实验方法，且实验效果良好。实验通过3D打印技术的引入使得人机工程学理论与产品设计实践相融合，不仅提高了学生对尺度的认知，也为产品设计专业的人机工程学课程提供了一个可以实施的实验方向，提升了人机工程学的教学水平和质量。在后续的教学实践中将会进一步探索人机工程学的教学模式，让人机工程学的教学更加有效和科学。

作者:张伟伟 张银颖 晏群 单位:马鞍山学院