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基于人机工程学的人体、机器与环境的和谐共处

作者:admin 更新时间:2018年08月24日 10:20:28

  摘要:通过介绍人机工程学的历史背景和发展现状,分析欧美国家对人机工程学的重视及对肌肉骨骼疾病的预防措施。通过权威数据和图示解释全面分析人机工程学对日常工作学习的影响、预防骨骼肌肉疾病的有效措施并提出人机工程学教育未来研究发展的趋势。


  关键词:人机工程学;历史背景;国际发展趋势;设备摆放;教育与培训;


  作者简介:谷新胜,男,高级工程师,研究方向为信息技术教育,guge.2009@163.com。


  0引言


  各种科技设备的迅猛发展已使人类的日常生活、学习和工作方式产生了翻天覆地的变化,不仅体现在全球即时通讯、电子邮件和云端应用技术的普及,还体现在多媒体、远程和网络教学的发展。计算机监控的全自动生产线、快捷的电子政务网站、先进的电子医疗设备、计算机即时控制的交通情况无不对人类日常生活工作方式产生深远影响。然而,大量依赖于计算机等科技设备在极大提高工作效率的同时也对人体健康造成不小的威胁。由于长时间在电脑上工作学习,缺乏关于人机工程学的相关知识,很多用户产生了骨骼和肌肉方面的疾病。


  1人机工程学的历史背景


  人机工程学(HumanEngineering或Ergonomics)是通过研究为计算机和其他设备用户制定的,为保证他们工作效率的同时,保证身体健康和安全的行为标准。正确的符合人体工程学的设计、计算机键盘的摆放、坐姿、灯光等条件是必要的,遵守这些标准可以帮助用户防止由于长时间使用计算机而造成的重复性劳损和其他肌肉骨骼疾病[1]。


  20世纪40年代,基于科技设备和仪器的迅猛发展,人们逐渐意识到要想最大限度发挥科技设备的功效,就必须注重调整人类和机器设备之间的关系。在此时期,人机工程学作为一门科学学科逐渐建立并受到越来越多科学家和各部门的重视。


  最初,人类和机器的关系在军队里最为明显,二战时期,各国军队需要军人对机器操作进行严格的操作和认知训练。二战后,随着科技和机械的迅猛发展,各类仪器和科技设备开始进入人类的日常工作学习中。机械设备在帮助人类提高工作效率的同时,开始对人体健康造成负面影响,这些影响主要由于人类对机器操作不当或操作机械设备时间过长、姿势不正确造成。在同一时期,大量分析这类问题的资料涌现出来,这些资料最初被称为“人机系统”,随着时间的推移,记载人类在操作机械、仪器、设备时对身体产生不良影响的资料越来越多,这一现象受到了包括生理学家、心理学家等资深学者的广泛关注。越来越多的科学家开始研究人类、机器和周围环境的关系。人机工程学也对电脑、汽车、桌椅以及其他设备的设计和生产起到了积极的影响[2]。


  1949年,一小队著名的英国生理学家和心理学家组织了一个小型学术会,在会议上第一次提出“人机工程学”的概念。同年下半年,专家以及同行正式创立了“人机工程学研究学会”(ErgonomicsResearchSociety,ERS)。这个学会作为第一个人机工程学方面的专业学会,对人机工程学的研究发展起到重要历史意义。在接下来的60余年里,ERS扩大成国际研究学会,其学术活动丰富,不但涉及日常人机工程学的实践,而且对人机工程学界理论的发展有很大促进作用。


  2人机工程学的重要性


  人机工程学主要是要保障人类与他们接触的设备、物体和环境保持和谐状态。因此,所有的产品、家居和设备在设计阶段都要充分考虑人机工程学的特点,但现实生活中,基于节省时间、减少开销等原因,很多商家在生产设备、家居、仪器时并没有考虑到人机工程学的重要性。这种做法尽管在短时间内会带来经济效益,但从企业长远发展角度看,会导致用户身体的损害及对产品的不满,长此以往商家会因缺乏回头客户而损失大量经济利益。人类的身体高度、体重、比例、活动能力、文化和情感都有所不同,设计机器设备的初期就需要对这些因素进行充分研究和实验,目前很多企业雇佣专职的人机工程师与产品设计师合作调研、测量和设计计算机、汽车、家居、厨房设备等物件,以保证设备的可用性和健康使用环境[3]27。


  由于设备操作不当或设备设计缺乏对人机工程学的考虑,目前很多企业员工、学生和教师都患上了“肌肉骨骼疾病”(MusculoskeletalDiscorders)。在欧美,因工作产生的残疾及疾病案例中,有很大一部分是由于缺乏对人机工程学的认识而导致的肌肉骨骼疾病,这些症状包括颈部、神经系统和腰部的损伤。根据美国2011年劳动局的统计数据,在所有307000份上报的和工作有关的疾病和残疾案例中,有33%都是由于忽略人机工程学而引起的骨骼肌肉损伤。无论在哪个行业,全职工作人员都会受到这类损伤,最有危险性的活动主要包括搬运重物、经常重复的行为(如弯腰、伸手探东西),坐姿不正、电脑高度不合适等。患病率更高的职业包括护士、运输、搬运、零售业和建筑工程职业等[3]235。尽管肌肉骨骼疾病的隐患无处不在,预防这类疾病的方法还是有的,主要指导原则是“根据个人人体的需要调整工作环境和设备”,这种方法能帮助工作人员减少肌肉的疲劳,提高生产率,最重要的是可以帮助减少肌肉骨骼疾病的患病率。


  3欧美对人机工程学的重视


  自1949年人机工程学会在英国建立以来,这个学科就在不停发展,在欧洲的带动下,美国和其他国家逐渐加大了对人机工程学研究和普及的投入。与此同时,各类专有词汇也不断涌现,美国学术界最常使用“人因工程学”(HumanFactor),而在英国“人机工程学”(Ergonomics)是最常使用的术语。到目前为止,这些概念的意思一样,可以互换,但有些专家认为这两个概念虽然意义相当,但是各有侧重。“人因工程学”侧重人类情感、心理、记忆、认知方面和设备、环境的关系;而“人机工程学”主要注重于身体与环境和机械的关系,如工作设备的摆放、灯光、噪音、冷热度对人体的影响等[4]。


  在美国,很多企业、院校、政府单位都配有专门的“人机工程学咨询办公室”以提供辅导、工作环境检测、预防肌肉骨骼疾病普及等多项服务。他们的理念是与其在对职员身体损伤后再付钱给保险公司和医院给职员疗伤,不如早早投入资金对骨骼肌肉疾病进行预防,这样不但可以减少员工身体的损伤,而且提高工作效率,对整个组织也有好处。美国高校和企业主要采取以下几方面措施减少肌肉骨骼疾病对其雇员健康产生的影响。


  3.1领导层对人机工程学的重视


  所有领导都要参加人机工程培训并经常与员工沟通,对于他们的任何疑问和需求要全力解答和满足,如员工提出身体不适,经人机工程师测定后确认这个员工需要更新电脑等相关设备,领导层就会立即为其更换合适的设备。


  3.2员工人机工程学知识培训


  由于个人情况不同,人机的和谐最终还是需要个人通过自己对人机工程学和骨骼肌肉疾病的认识,和人机工程师交流,以此决定最适合自己身体的设备和工作环境。通过培训,员工对早期骨骼肌肉疾病的症状也有了深度了解,这样可以及早发现问题,及早上报,对治疗和预防骨骼肌肉疾病都有很大帮助。笔者会在第4部分具体分析预防肌肉骨骼疾病的措施[5]。


  3.3测量标准和防治计划


  各单位和部门都有专门的人机工程学测量标准和防治计划,以定期评定员工的人机工程学健康状况,判断本单位、部门的人机工程学成效。同时,各单位每年在做经济预算时,都会投入一笔不小的数额到人机工程学中。


  4如何减少日常工作学习期间的肌肉骨骼损伤


  人机工程学主要研究用户、计算机与工作环境和谐共处的条件和方法、设备和环境。遵守以下标准可以帮助用户防止由于长时间使用计算机而造成的重复性劳损和其他肌肉骨骼疾病:要求用户了解人机工程学的基本概念;了解显示器的摆放位置、座椅的位置、计算机的摆放位置、键盘和鼠标的位置以及采光的角度;学习在使用计算机时如何保护自己的身体。


  总而言之,人机工程学主要通过科学手段保持用户与计算机、工作环境的良好协调关系。人机工程学研究在设计人机系统时应考虑人的特性和能力以及人受机器、作业和环境条件的限制,还研究人的训练、人机系统设计和开发以及人机系统有关的生物学或医学问题。对于这些研究,北美称之为人因工程学或人机工程学;苏联称之为工程心理学;欧洲、日本和其他国家称之为工效学。


  4.1显示器放置


  显示器的摆放位置和维护直接影响到用户眼睛和骨骼肌肉系统的状态和疲劳程度。掌握了显示器摆放位置及注意事项,可以防止用户在长时间使用计算机时产生视觉和颈部疲劳以及颈部疼痛[6]:(1)确保计算机屏幕干净无尘;(2)调整亮度和对比度;(3)将显示器摆放在用户的正前方,以避免颈部过度扭曲;(4)调整显示器的位置至离用户约50~70厘米(手臂的长度);(5)显示器向后倾斜10~20度;(6)显示器与窗户成直角,以减少眩光;(7)显示器的摆放位置应远离直射灯光,以避免过度眩光,也可考虑使用眩光过滤器;(8)当用户坐在直立的位置时,屏幕的顶部应该与眼睛保持水平(注:双光配戴者可能需要把显示屏稍微降低些)。


  4.2座椅调整


  人们通常认为坐下来是一种放松的方式,但事实并非如此,久坐对背部的压力很大,不但会增加椎间盘的压力而对其造成损害,更会对脊柱、大脑和神经起到负面影响。久坐对脚和腿的压力也很大,重力往往将血液循环到脚步和腿部,而减少了循环到心脏的血液。如下建议可以帮助计算机用户增加舒适度,用户可参见图1所示的正确坐姿示意图。


  (1)保持“动态坐姿”,不要长时间保持同一坐姿。


  (2)当执行日常任务时,注重坐姿和站姿之间交替。


  (3)调整座椅靠背的高度,以支撑下背部的自然向内弯曲。


  (4)调整椅子高度,使脚平放在地板,需要时可以使用脚蹬。


  4.3台式机放置


  台式电脑放置一般都遵循这样的规律:显示器、键盘和鼠标都放在办公桌或一台便携式电脑工作站。虽然桌面高度不统一,但是办公桌的理想高度约为用户伏案工作时的肘部高度。


  为了保证手臂的正常放松,键盘应离用户大腿约3~5厘米,桌面高度需要在64~74厘米(这也取决于工作者的身高),建议用户使用键盘托盘。在桌子下方的区域,应有足够的空间允许使用者不时地伸展腿部肌肉。


  频繁使用的资料和办公用品应摆放在用户触手可及的地方。计算机用户经常使用的文件架应该被放置在显示器附近相同的高度,它与眼睛的距离应与眼睛到显示器的距离相等,这样可以防止眼睛在屏幕和参考材料之间频繁移动。


  另外还要注意笔记本的最佳装备,笔记本虽然便携,但是在设计上却存在一些先天缺陷:屏幕高度太低,导致用户不自觉地含胸低头,引起颈椎和腰椎的疲劳;屏幕与键盘之间距离太近,迫使我们必须僵着脖子近距离盯着屏幕。因此,想在任何地方合理地使用它,便携式电脑桌、可调节高度的散热支架、落地式电脑支架必不可少,借助支架按需调节健康角度,很有必要[7]。


  4.4键盘和鼠标放置


  由于使用计算机而造成的身体损伤大多数集中在前臂、手腕和手关节上,在电脑上连续工作容易使手和前臂的软组织被重复和过度使用因而造成损伤。


  为防治这些与人机工程学有关的上肢健康问题,建议用户对桌子和计算机做出以下调整:(1)调整键盘的高度,使肩膀和手臂都自然放松(为达到这个目的,往往需要安装键盘托盘),建议使用符合人机工程学的键盘;(2)键盘应接近用户,以避免过度伸展手臂;(3)前臂平行于地板(与肘关节成约90°);(4)鼠标应放在与键盘相邻处并处于相同高度,如有必要,需使用键盘托盘;(5)手腕应始终处于放松位置,在使用键盘和鼠标时,避免过度伸展、提升和弯曲;(6)不使用鼠标时不要将手放在鼠标上,不使用键盘和鼠标时最好将手放在腿上放松。


  4.5工作环境采光


  工作环境的照明不适合使用显示器是造成视觉疲劳、眼部发痒、势力模糊和复视的主要原因之一。典型的办公室环境中有大约23~30米的烛光照明水平,但根据美国国家标准协会(ANSI)的数据,在计算机上工作的最佳灯光照明度是5.5~16米烛光照明水平[8]。


  长期使用计算机的用户要多做运动,如放风筝和游泳。放风筝时,挺胸抬头,左顾右盼,可保持颈椎、脊柱的肌张力,保持韧带的弹性和脊椎关节的灵活性,有利于增强骨质代谢和颈椎、脊柱的代偿功能,既不损伤椎体,又可预防椎骨和韧带的退化;游泳时,头总是向上抬,颈部肌肉和腰肌都得到锻炼,而且人在水中没有任何负担,也不会对椎间盘造成任何的损伤,是比较惬意的锻炼颈椎方式。


  5人机工程学教育从微观到宏观的发展方向


  从教育学角度讲,对于人机工程学的重要性,人体与工作、学习环境的设计研究在2000年前很少在学术界受到重视。进入21世纪以来,人机工程学才逐渐走进了学校,尤其是中小学阶段的预防教育。人机工程学应当从小抓起,教师在中小学校普及人机工程学的益处,积极加强学生和教师对坐姿、站姿、操作电脑等经常性重复动作对肌肉和骨骼损伤的认知,已经成为促进未来社会劳动力身体健康的主要推动力。构建人机工程教学的主要理论是基于全方位人机工程学教育理论以及中学人机工程学教学理论[9]。


  人机工程学教育主要分为5个方向:一是学习人机工程学的基本常识,二是设计人机工程学的教学,三是对于教育环境的人机工程学设计,四是教学设备以及人机工程学的审查,五是人机工程学与学生的教学环境。其中,学习人机工程学的基本常识主要研究学习技能、书写、绘画以及其他需要经常使用工具的教学项目;设计人机工程学的教学重点涵盖了人体工程学设计的教材、教学设备、教学技巧、讲座的准备;教育环境的人机工程学设计,主要是讲实验室和图书馆的人体工程学设计以及教室和办公室的设计和设备配置;教学设备以及人机工程学需求的调查分析包括C/D的设计、设备配置、性能分析等;教学环境的人类工效学包括照明、色彩、噪音、空间利用率和设备配置[10]。


  在学校,人机工程学一直专注于“微观”人体工程学的问题,如学生的身体尺寸与课桌椅之间的距离、书包的重量与肌肉骨骼发展之间的关系,但人机工程学的理论比较少被利用到中小学实践中。从另一个方面来讲,欧美的学校一直注重“微观”人机工程学的细节,却忽视了“宏观”人机工程学的教育,如人机工程学的原理以及重要性。可喜的是国际人机工程学会在最近一次的儿童与环境分组会上,正式通过了中小学人机工程学教学的指导大纲。值得一提的是英国工效学学会专门成立了人机工程学的学校;新西兰工效学学会组织了人机工程学再教育特别兴趣小组,对人机工程学的研究进行普及,尤其注重宏观工效学问题,如学习环境、人体工程学教学课程内容和结构设置[11]。很多国家的教育部已经把人机工程学的教学大纲列入了中小学必修课的内容,并鼓励教师参加多种人机工程学培训项目,在教学实践方面进行探索,通过教授宏观人机工程学知识提高学生的人机工程学修养。这些提早教育在多年后会极大地促进国家整体工作力的健康和工作效率的提高。


  6结语


  进入新千年以来,在科技和经济迅猛发展的同时,由于过度使用电脑或使用姿势不当而造成的肌肉骨骼疾病已对人体健康构成极大的威胁。目前国内对人机工程学重视程度在逐渐增加,但跟欧美发展情况相比,系统预防和加强人机工程学意识方面还有一定的差距。国内人机工程学的硬件方面发展与提高工作人员人机工程学意识教育发展的速度不均衡。随着计算机设备和学科的国际化,未来研究趋势需要从三方面着手,一是要普及人机工程学的教育与培训;二是需要在主要工作单位和高等院校专设人机工程学部门,由人机工程师对工作人员的设备仪器进行全面评测;三是需要与国际接轨,全面采集人机工程学数据,有计划性、有建设性地提高人类与机器、电脑的和谐共处。从长远角度讲,这是发展经济和保持工作人员健康最理想、最可持续性的发展方式。