1.实验教学过程与实验方法

实验教学方法

本实验教学项目坚持“学生中心、问题导向、学科融合、创新实践”的实验教学理念，依托广东省人才培养模式创新试验区——艺术设计应用型人才培养模式创新实验区、中央与地方共建广东省实验教学示范中心——艺术实验教学中心，利用现代化信息技术等手段，大力推进实验教学改革，结合学校的实际教学情况，自主研究并实行了艺术与科技相融合，人机数据开源共建的“三融合一共享”仿真案例教学法——沉浸漫游、问题导向、交互测量、自主检测、线上引导、反思验证，把艺术思维与设计思维相融合，艺术训练与设计训练相结合，与人机测量深度配合，深化理论基础，共享实测数据，引导学生把“人-机-环境”作为一个整体来研究，致力于培养学生的问题意识、创新精神、主动学习和自我反思的能力。

（1）使用目的

①激发学生学习兴趣

在虚拟的环境中，学生可以直接观察结构精准的人体骨骼肌肉及运动透视形态，能通过对人体测点的测量了解在“人-机-环境”系统中影响人的关键部位和数值，通过对实验对象的各项调节检测，使学生深入细致地了解在产品设计中，如何以人为主导进行设计思考。这种直观、实时和互动的特点不仅激发了学生了解和掌握人体结构、人体工效、人机关系的兴趣，也有助于学生进行学习迁移、直观记忆和深入理解。

②提升学生学习能力

虚拟仿真实验解决了现有真实教学过程中实验条件欠缺、实验对象匮乏的问题。在虚拟环境中，学生可以针对人体测量结构反复记忆，可以对应实验分段要求反复学习关键测点和测量知识，在调节家具设备尺度的过程中，反复观测、模拟试验，深化理解理论知识，以点带面习得科学敏锐的设计思维能力；学生在教师指定的实验练习中可以进行一定区间的数值调节，通过试错加深印象，也可以在同级别不同设计案例间进行切换，获取所需要的相关数据，这种灵活的方式既能够激发学生养成主动掌握知识和不断反思的习惯，又能推动学生将理论知识应用于实践。在实验过程中，学生的学习能力不断得到提升。

③提高学生学习效率

本实验为学生提供了泛在化的网络虚拟实验室和24小时在线的“空中课堂”，使学生可以不受时间和空间限制，学生沉浸其中，能够随时随地进行实验，大大缩短了实验周期；系统自动评分功能有助于学生得到及时反馈，从而及时发现问题和解决问题，学生学习效率也因此大幅度提高。

（2）实施过程（见图５）

①沉浸漫游

学生进入虚拟的实验空间，直观形象、立体生动地体验、感知、操作人体结构动态，室内外空间中人与设备的尺度、物理环境空间的布局、结构；学会人体测量的关键知识、掌握人体构造的要点、物理环境与人的关系、设备设施的尺度规范；规划室内空间及合乎标准的家具及室内外设备。

②问题导向

依序进入人体数据虚拟测量、人体数据填充、座椅家具交互合理性分析、空间产品虚拟展示等阶段后，系统以图示填空形式提问，要求学生对人体尺寸、与某产品对应的人体测点、家具模型的尺度、空间产品模型尺度等进行分析，以文字形式评价其合理性。

③交互测量

进入练习环节后，学生与虚拟人体、各类设备和材料实时互动，进行测量操作练习。系统具有错误提示、正确操作提示和自动评价的功能，学生填写的数据可以直接显示在教师端，与线上教师进行互动提问与答疑，教师可以在教师端批阅学生填写的数据，并对人体模型的相关部位做标记。学生通过人机交互的方式，实现边练习、边学习、边调整，错误和不足之处及时得到改正和补充。

④自主检测

在练习环节中，学生可根据兴趣进入各分段案例练习，调用相关数据设置实验对象尺度，学生练习的基本框架为教师设定，但可以自主选择调节各类数值，在实验时允许较大幅度试错。在自主调节的练习模式下，学生通过较大区间的数据调节自主设计，学习整体考虑人机工效、人的健康、安全、舒适性等问题，建立正确的人机数据认知，提高了创新能力，并能有针对性地进行实验练习。

⑤线上引导

“练习模式”和“考核模式”均从数据库中随机出题及自动评分，能够自动生成可追溯实验全过程的记录，便于学生及时了解与掌握学习的进程，进行自我纠错；教师也能够通过后台看到每一个学生的实验操作，并且通过个性化、差异化的出题模式考核每一个学生，线上教师与学生进行互动提问与答疑，引导学生的实验操作。

⑥反思验证

实验操作结束后，通过填写实验报告，学生可以反思自己的全部操作，并对自己掌握的情况作出评价。学生根据评价结果和兴趣，反复进行虚拟仿真实验，进而提高学习效果。此外，在线下，学生可在教师指导下，在人机工程学课程、人体写生课程、设计效果图课程、造型设计课程中，融汇和实践人体测量点知识；选择现实中的实验群体进行实际测量练习。通过线下练习获得的数据，可以上传至本项目数据库，教师对学生的实际操作进行点评、计分，学生之间相互点评，实现了师生互动与生生互动。

 

图5 实验教学方法实施过程

（3）实施效果

①提升教学效率

本项目建构了一个类真实环境，目前支持并发访问达787人，解决了现实课堂教学中由于教学内容、专业知识，难以讲授艺用人体测量知识点的问题；也解决了学生无法用各类真实人体模特进行认知、交互操作和反复练习、大批量学生高频次实习见习的难题。在虚拟仿真实验中，学生与虚拟人体、环境和设备、装置、家具等进行互动，不仅能把线下课堂中所学的理论知识应用于线上实验中，而且激发了学生对专业的求知欲和兴趣，大大提升了教学效率。

②提高人才培养质量

本项目的开发突破了时间和空间的限制，学生可以随时随地进行实验。同时，软件中设有纠错和提示功能，学生可以反复进行练习。本项目的应用，大大便利了学生对人体结构尺寸的直观学习，提升了造型设计与相关设计能力的专业化水平，大大加强了学生运用人机工学理论知识和实测方法进行设计实践的专业化、标准化、系统化的能力。

③降低教学成本

本项目使学生足不出校在课堂上就能进行系统完整的艺用人体结构的直观学习和人机测量交互练习，节省了使用大量特定人体模型、真实人体模特、大量真实人物角色和专业课室场地的消耗，以及往返各类型室内外场景进行空间实践的时间和交通成本。不仅如此，学生通过与虚拟的实验对象和实验设备进行互动，大大节省了实验设备与材料的购置租借费用。

④共享教学资源

该项目可通过互联网访问使用，能够方便地开展大范围班级实验并向社会开放。目前，该虚拟仿真教学资源不仅惠及本学院开设了“人机工程学”课程的产品设计、服装设计、环境设计、动画等专业和美术学课程的师生，也支持了我校其它相近专业的虚拟仿真实验教学。并可与国内开设相关专业的高校共享该虚拟仿真实验教学项目。

⑤服务社会效果明显

本项目在夯实设计专业能力、培养专业化产品设计人才上具有显著优势，涉及的课程是产品设计专业教学的基础和核心，吸引了许多社会人员主动接受该项目的培训。自2019年6月至今，提升了从业人员的专业化水平。同时，通过软件，对认知、记忆艺用人体结构和人机学测量关键指标与正确方法可以提供精准指导，推动了产品设计教学训练的专业化提升。

实验方法：

①模型法

本项目通过建构模型的方法模拟人体构造与人机工程学虚拟测量的情境，训练并评价学生在各种模拟情境下的交互操作、认知反应、实验方法和调节结果，以便学生在真实设计项目和设计行为中能做到造型准确、表达精准，能全面考虑“人-机-环境”关系中与人相关的各项关键指标，从而进行系统性的设计思考。为后继学习和终生发展奠定坚实基础。

本项目中的人体模型、人物角色、设备数据模型经过筛选，具有典型性和普适性，是通过多年的课堂教学实践经验检验得出的。环境中使用的设备、家具等，均以常规办公设备为蓝本进行建模；各种人物模型人体模型均以真实人物和国标范例为参照建模。实验者以第一视角自主选择学习各个模型和角色，虚拟的双手可在虚拟仿真展示情境中对虚拟仿真产品和空间模型进行互动、评价和分析。本项目除了自动记录实验者的实验过程，还收集学生在课后实际测量的大量数据，经过分类整理后导入系统，建立并不断完善精细化的人机工程学数据库。

②仿真实测法

本项目为学生提供结构精准的人体模型、仿真度高的人群角色、产品设备、空间环境模型等，学生在虚拟环境中，不仅可以分解认知记忆人体各部分骨骼+肌肉+皮肤结构、人体构造尺寸（静态尺寸）、人体功能尺寸（动态尺寸），还通过人体和设备测量，学习如何精确地把握人体尺度，更充分地利用空间，合理地调配设备材料，使设计的设备与人体尺度、身体的形态、结构、活动相协调，从而使人更舒适、省力、安全、高效。

③情境法

本项目为学生提供了与人机环境全面交互的机会。学生在虚拟的环境中，不仅可立体、生动的获知艺用人体测量的基本知识、人体测量学的规范、设备设施、材料配备、室内外空间的结构布局等标准，也可通过交互学习并掌握人体测量的主要方法，还可开展人机工程学作业练习，并接受考核。学生沉浸其中，进行人机工程学作业练习时，系统有提示与纠错功能，允许学生“试误”；系统也会对学生的整个操作过程进行记录和评分，学生针对多项预设练习实验进行自主练习，反映学生对艺用人体测量与人机工程学规范与标准的理解与掌握程度。通过交互操作该虚拟仿真实验，学生也将习得四种关系：对艺用人体测量与人体工程学的关系的深度认知；如何选择人机关键测点进行测量；如何选择与配备工具材料；如何按人机学关键指标进行合理调节与分析。

 

图6实验教学过程与实验方法