CDIO模式下安全人機工程學(xué)的教學(xué)方法探索

趙維生，梁 維

(貴州理工學(xué)院礦業(yè)工程學(xué)院，貴州貴陽 550003)

0 引言

安全人機工程學(xué)是從安全的角度和著眼點出發(fā)，研究“人—機—環(huán)境”的關(guān)系，運用人機工程學(xué)的原理和方法解決人機結(jié)合面安全問題的一門新型交叉學(xué)科，它既是人機工程學(xué)的一個重要分支，涉及人體測量學(xué)、光學(xué)、醫(yī)學(xué)、心理學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、社會學(xué)、管理學(xué)和工程技術(shù)學(xué)等學(xué)科理論和知識，又是安全工程學(xué)的重要分支學(xué)科[1]。

傳統(tǒng)教學(xué)模式基于長期以來的經(jīng)驗沉淀，課堂交流較少，通常是教師一味地講授，學(xué)生通過聽課被動接受知識，教學(xué)過程顯得單調(diào)乏味，也很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[2]。安全人機工程這門新興交叉學(xué)科，因其涉及學(xué)科類型眾多，要求任課老師具有較豐富的知識儲備。缺乏引導(dǎo)、啟發(fā)和互動的教學(xué)模式已很難滿足安全人機工程學(xué)的教學(xué)效果，達到工程教育質(zhì)量要求。

由瑞典皇家工學(xué)院和麻省理工學(xué)院等四所高校，歷時四年探索研究后創(chuàng)立的CDIO工程教育模式，是近年來國際工程教育改革的最新和最先進研究成果之一[3]。CDIO工程教育模式在我國已經(jīng)歷十余年的發(fā)展與推廣，并于2016年在汕頭成立“CDIO工程教育聯(lián)盟”。目前，我國有100余所高校參與了CDIO工程教育模式研究與實踐工作。CDIO工程教育模式的通過其4個基本理念——構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(Design)、實現(xiàn)(Implement)和運作(Operate)，將課程內(nèi)容與實際生活和工程問題有機結(jié)合，有效促進工科學(xué)生積極主動的思考和學(xué)習(xí)[4]。

礦業(yè)在我國經(jīng)濟發(fā)展和社會建設(shè)中起基礎(chǔ)性的支撐作用，采礦過程中的安全問題越來越得到重視。近年來，我國開始推廣智能化采礦機械，亟需一批安全人機工程的專業(yè)工程技術(shù)人才?；贑DIO基本理念，根據(jù)安全人機工程學(xué)的主要教學(xué)內(nèi)容，以實際工程機械產(chǎn)品的設(shè)計為導(dǎo)向，將專利和科研等成果申報作為激發(fā)點，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)、思考和創(chuàng)新的積極性與能動性，并提高教學(xué)質(zhì)量。

1 傳統(tǒng)教學(xué)過程中存在的問題

安全人機工程學(xué)是一門新型交叉學(xué)科，涉及的學(xué)科門類相對較多，影響課程教學(xué)質(zhì)量的主要因素有：授課老師的知識面、教材內(nèi)容及案例分析、學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

授課老師的知識面是影響安全人機工程學(xué)教學(xué)質(zhì)量的最根本因素，由于本課程所涉及的學(xué)科門類較多，要求任課教師具有較為廣闊的知識面，并能較好的與課程所對應(yīng)的章節(jié)內(nèi)容進行融合貫通。相反，若采用傳統(tǒng)的教學(xué)手段，照本宣科，講授過程中枯燥乏味，難以將書本知識表達清楚，且不能將原理等知識與礦業(yè)工程學(xué)科進行有機結(jié)合。

其次，教材更新速度通常遠滯后于社會經(jīng)濟的發(fā)展速度，書本上原理性闡述較多、案例少且缺乏新意，新印刷的教材往往也是新瓶裝舊酒，課程內(nèi)容涉及的學(xué)科門類多、教材篇幅有限、案例分析老舊、案例與礦業(yè)學(xué)科專業(yè)脫節(jié)等問題通常也是新出版教材的一個通病。

另外，學(xué)生在上述機械式傳統(tǒng)被動的教育模式下，由于缺乏刺激、交流和激勵等機制，學(xué)習(xí)的積極性和主觀能動性得不到充分體現(xiàn)，同時易導(dǎo)致學(xué)生對學(xué)習(xí)產(chǎn)生抵觸情緒，且所學(xué)知識與所學(xué)專業(yè)不能有機結(jié)合，不利于專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)。

2 CDIO模式與安全人機工程學(xué)結(jié)合

將CDIO工程教育模式的基本理念(即：構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運作)運用到安全人機工程學(xué)的課堂教學(xué)上，并將相關(guān)熱點的人機系統(tǒng)問題作為案例進行分析，彌補教材上案例的單一性和枯燥特點，同時可充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)、思考、討論和分析問題的積極性和主觀能動性。CDIO工程教育模式下安全人機工程學(xué)的教學(xué)方法示意圖，如圖1所示。

3 CDIO模式下的教學(xué)案例

3.1 案例一

在講授“人的視覺及其特征”部分內(nèi)容時，需介紹暗適應(yīng)和明適應(yīng)的概念，如果僅按照教材文字進行論述，學(xué)生理解起來比較抽象，印象不會很深刻。根據(jù)CDIO工程教育模式中的“構(gòu)思”理念，通過現(xiàn)實案例提問，誘導(dǎo)學(xué)生積極主動思考什么是暗適應(yīng)和明適應(yīng)，可提出如下兩個問題。問題一：為什么在駕車進入隧道前通常要減速，礦井工人被營救上井后為什么要把眼睛蒙?。勘粏栴}二：瞳孔與相機光圈有什么相似之處，為什么大光圈鏡頭手機比較受大眾喜歡？當(dāng)學(xué)生完成思考和討論后，再對上述問題進行解釋，更加有利于學(xué)生對該知識點的掌握并留下較為深刻印象。課后思考問題，在進行礦井智能化機械的攝像頭設(shè)計時，該攝像頭的光圈值是大點好還是小點好？

圖1 CDIO模式與安全人機工程學(xué)

3.2 案例二

在講授“人機界面設(shè)計”部分內(nèi)容時，考慮到“人機系統(tǒng)模型”和“三要素基本模型”比較抽象，同時為了提高課堂的教學(xué)氛圍，實現(xiàn)寓教于樂的教育理念，根據(jù)CDIO工程教育模式中的“設(shè)計、實現(xiàn)和運作”理念，以曾廣為大家熟知的“鐵路12306驗證碼的辨識難”事件作為人機界面設(shè)計的典型案例，引入人機界面設(shè)計的重要性，并提出問題，請學(xué)生分析鐵路12306驗證碼識別的優(yōu)缺點，有沒有更好的優(yōu)化方案？通過提問，充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，并以該案例的組成部分，介紹人、機、人機界面、人機系統(tǒng)和人機界面三要素的定義和概念。

在開展信息顯示裝置、視覺顯示裝置、聽覺顯示設(shè)計、控制器的設(shè)計和布置等內(nèi)容講授時，結(jié)合礦業(yè)工程的學(xué)科特色向?qū)W生提問，如開展礦井化機械設(shè)計，考慮礦井生產(chǎn)過程中的噪聲、粉塵和高溫高濕環(huán)境下，如何進行人機界面的設(shè)計和布置。

4 課程考核方式

針對原有安全人機工程學(xué)的課程考核方式相對呆板、缺乏靈活性和科學(xué)性等問題，根據(jù)CDIO模式下的教學(xué)理念，考慮了不同學(xué)生的特點，為充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，在保留傳統(tǒng)的課程考核方式的基礎(chǔ)上，提出了一種新的考核方式，即：加大了實踐作業(yè)環(huán)節(jié)和課堂互動環(huán)節(jié)的比例，相應(yīng)降低期末試卷成績所占的權(quán)重，如圖2所示。

圖2 兩種課程考核方式

學(xué)生根據(jù)自身情況自主選擇考核方式，對于新的考核方式，重點考察學(xué)生實踐動手能力，要求學(xué)生根據(jù)礦業(yè)學(xué)科特點和本課程涵蓋的知識點，進行礦業(yè)類安全人機工程系統(tǒng)設(shè)計，借助大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺，開展大創(chuàng)課題申報、專利申報或?qū)嵨镌O(shè)計(三選一)，提交申報或設(shè)計成果，任課教師從安全人機工程學(xué)所涉及的人機系統(tǒng)類型、人機界面設(shè)計和人機系統(tǒng)尺寸等方面進行實踐作業(yè)的考核打分。

5 結(jié)語

采用最新發(fā)生的社會事件和最新的科技創(chuàng)造成果對課程內(nèi)容中枯燥單一的原理性解釋進行闡述分析，做到課程講授內(nèi)容的與時俱進和生動活潑，尤其對于人機界面設(shè)計、作業(yè)疲勞、人的特征、作業(yè)環(huán)境和作業(yè)空間、機的特性與可靠性等內(nèi)容方面，將最近發(fā)生的人機系統(tǒng)事故等新聞熱點作為案例進行分析講解，一方面將課本內(nèi)容與最新現(xiàn)實案例充分結(jié)合，另外一方面利用熱點新聞或消息，更利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，充分調(diào)動學(xué)習(xí)和課堂交流互動氛圍，彌補教材更新過程中存在的不足問題，對最新熱點人機事故案例分析后，再對課本內(nèi)容和知識點進行分析總結(jié)歸納，將該知識點與本學(xué)科(礦業(yè)工程)發(fā)展動態(tài)相結(jié)合，尤其是對于國家推動發(fā)展煤礦智能化機械過程中，將所涉及到的各種智能化煤炭開采人機系統(tǒng)問題作為案例提出，根據(jù)CDIO工程教育模式的基本理念，供課堂教學(xué)、分析和討論所用，以大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目為平臺，以專利和科研成果申報為誘導(dǎo)，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，提高課堂教學(xué)質(zhì)量。