曹晓东 庞丽萍 完颜笑如

[摘 要] 人工智能（AI）技术发展迅猛，在航空航天等众多领域得到了广泛的应用。高等院校作为大学生了解前沿知识的窗口，教学方式也需要适应时代发展现状，将传统的教学方法与新兴的AI技术密切结合，以培养学生的新思维，这对高等院校的招生、培养和就业具有重要影响。主要对具有AI特征的人机工效实践课程教学方法进行研究，并在航空航天人机工效课程体系中引入先进的AI技术，构建航空AI特征基础教学理论方法，开发航空AI实践课程操作系统，形成航空AI实践课程教学与培养方案，提升人机工效课程的活力和对学生的吸引力。

[关键词] 人机工效学;人工智能技术;教学方法

[基金项目] 2019年度北京航空航天大学本科教学改革项目“具有AI特征的人机工效实践课程教学方法研究”（201950508）

[作者简介] 曹晓东（1989—），男，河北乐亭人，工学博士，北京航空航天大学航空科学与工程学院副教授，主要从事人机环境控制研究;庞丽萍（1973—），女，黑龙江海林人，工学博士，北京航空航天大学航空科学与工程学院教授，主要从事飞行器舱室舒适性与人体效能评估研究;完颜笑如（1981—），女，河北涿州人，工学博士，北京航空航天大学航空科学与工程学院副教授，主要从事人机工效研究。

[中图分类号] G642.41   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）26-0121-04   [收稿日期] 2021-03-21

人机工效学是一门具有较强工程应用性和多学科交叉性的学科，它应用系统工程的观点，分析研究人与机器、人与环境以及机器与环境之间的相互作用[1-3]。人机工效实践课程是人机与环境工程专业的一门专业课程。通过系统学习人机工效学课程理论知识，设计并完成人机工效实验，学生能够更加深入地理解知识，并汲取实践经验，这对于未来就业和提高解决实际问题的能力具有积极的意义。北京航空航天大学作为航空航天领域的专业学校，目前所涉及的人机工效学知识主要针对航空航天领域，人机工效实践课程也主要针对航空航天领域的实验操作。

人工智能（Artificial Intelligence，AI）技术被称为21世纪的尖端技术之一，它作为计算机科学的一个分支，在近几年得到了迅速发展。AI技术涉及数学、心理学、认知科学等多个学科，在很多学科领域都获得了广泛应用，并取得了丰硕的成果。在航空航天领域，许多空间站的工作涉及连续的实时过程控制，因此，AI技术被广泛应用于空间系统的监视和诊断，为构造和操作更有效的命令和控制系统提供了可能[4，5]。北京航空航天大学的人机与环境工程专业在国内排名一直位居前列，人机工效实践课程作为人机与环境工程的专业课程，面对科技时代的发展潮流，更需要引入如AI这样的前沿知识和技术，与课程教学紧密结合，以激发学生的兴趣，开拓学生的视野，培养学生的发散思维能力。

一、课程现状分析

（一）人机工效学课程教学现状

人机工效学课程集应用性和实践性于一身，是一门新兴的交叉学科，与心理学、测量学、力学等学科有着广泛的联系，因此，人机工效学与许多专业存在着紧密的联系。对于工业工程专业来说，人机工效学课程的侧重点在于培养学生的项目管理能力，建立学生的职业态度和艺术赏析能力等。对于工业设计专业来说，更加侧重人机的协调性和交互感受。对于安全工程来说，人机工效学则注重于安全的设计和安全的人机交互内容。作为北京航空航天大学人机与环境工程专业来说，开设的人机工效学更加侧重在航空航天领域的应用，并且拥有自己独特的课程教学体系，在人机与环境工程专业课程体系中占有重要地位。在目前的课程教学体系中，以讲授基础理论知识和实践实验相结合的方式开展。在实践实验部分，以传统的人机交互实验为主，主要通过采集生理数据、主观数据以及绩效数据，在后期做分析和处理，使学生了解人机工效学实验的大致流程以及基本处理方法。目前，由于实验设备不够充足、课程时长较短等客观存在的问题，以及实验流程简单、单一等因素，实践实验在实际的课程教学中取得的效果并不明显，学生对于课程的热情度以及创新积极性不足，因此，需要改进课程内容来改善目前的课程状况。AI作为目前比较前沿的科研方向，希望可以通过引入AI特征来改变课程教学中存在的一些问题，以便在人工智能背景下培养学生学习人机工效学课程的热情，实现提高学生自主能力和创新能力的目标。

（二）AI技术应用于高等院校人机工效实践课程教学的重要性

本科生在选择专业时，就业前景是考虑的重要因素，所学内容是否符合时代发展是一个关键问题[6]。在当下社会，人工智能已经成为最前沿的研究方向之一。众多高新技术企业和互联网企业都设立了研究AI技术应用的部门，并提供了大量的就业岗位，因此，对于具有AI背景的复合型人才的需求不断增加。由于AI技术的前沿性和本科生专业选择的倾向性，高等院校的不同专业在教学过程中与AI技术进行紧密结合是一个发展趋势。北京航空航天大学的人机与环境工程专业主要研究人与机器和环境的相互作用机理，具有鲜明的人工智能应用前景，将人机工效实践课程提升为具有AI特色的专业课程，提高学生的专业能力和AI知识储备，将成为吸引本科生的重要吸引点。因此，开展具有AI特征的人机工效实践课程教学方法研究十分必要。

（三）AI技術应用于航空航天人机工效技术领域的重要性

在目前的航空航天领域，人机工效设计所涉及的操作任务与指挥控制系统都是通过驾驶员形成闭环的人机控制系统。按照该传统设计理念，人机工效实践课程主要针对如何优化设计操作界面与控制系统，以最大限度地提高驾驶员的操作效率。但是在新型航空航天飞行器中将面临愈来愈复杂的决策以及更高强度的人机界面操作任务，单独依靠飞行员的个人能力可能难以完成新型飞行任务。因此，必须寻求一种有效的人机融合技术手段，构造新型飞行员AI辅助系统，实现基于人机动态协同机制的智能飞行与控制系统[4，5]。该研究能够将人机工效与AI设计技术完美结合，对于减轻飞行员任务负荷、提高人机效率以及特种战场作业准确性都具有重大的意义。因此，以人机功能分配设计与实现为突破口，在人机与环境工程专业的人机工效实践课程中，结合飞行AI助手特征，建设以人机工效学和AI技术为基础、应用新型飞行器人机工效设计的课程体系，具有重要的教学改革意义。

二、教学方法

（一）引导学生关注人机工效实践课程AI系统的理论方法

AI系统的理论方法是人机工效实践课程教改的基础，要在传统的人机工效实践课程中引入航空AI助手辅助系统的概念，以实现AI技术与课程的融合。航空AI助手以航空动态人机功能分配与智能协作理论为基础，根据学生在实践课上操作模拟飞行任务时的生理状态、心理状态以及当前时段学生操作任务绩效等不同维度的指标，可以智能地进行人机功能的分配，合理分配学生需要操作和决策的任务类型、任务量，以此将学生的任务负荷控制在合理范围内，提高飞行任务的准确性。同时，引导学生关注并研究人机工效实践课程AI系统基础理论方法，提高该课程的AI特征，提高学生的学习兴趣。

（二）人机工效实践课程AI系统的开发

结合AI技术和人机工效学的理论基础，以航空人机系统为实践课程的应用对象，构建系统结构框架，开发航空AI实践课程操作系统，这是本课程教学改革的关键之一。因此，要在AI实践课程操作系统中实现对执行任务的分析、对不同模块的功能分析，并设置人机智能接口、智能模块和机能组件接口，从而实现从理论教学到实践应用教学的衔接。

（三）人机工效实践课程AI系统的教学体系与培养方案

依托人机工效课程的航空AI实践操作系统与航空驾驶环境背景相结合，必须构建基于航空AI系统的人机工效实践课程的教学体系与培养方案。因此，要结合AI操作端的编程方法和具有AI特征的人机工效实验的实现方法，构建基于AI系统的人机工效实践课程教学理论体系，建立实践课程的教学大纲、教学内容及教学实践操作准则，实现在课程中为学生提供AI编程教学、AI功能实现与航空AI功能实践及测试的配套教学体系与培养方案，增强课程的工程应用性。

三、教学实践

具有AI特征的人机工效实践课程教学，应以AI助手为切入点，以人机功能分配设计与实现为突破口，在本专业的人机工效实践课程中开展AI系统的理论研究，调整人机工效学实践课程的内容，围绕人机工效学的设计原理和设计方法，贯穿讲授AI的特征内容;了解现有比较成熟的人工智能知识和算法，开发适用于实践课程的AI系统，将原有的人机工效学实践课程进行智能化、智慧化改善;建立基于AI系统的培养方案，并通过更多新的信息渠道帮助学生获取具有AI特征的人机工效学实践课程信息，改变单一的授课形式。通过从理论到实践的全方位改变，形成具有AI特征的从基础理论到应用技术的人机工效实践课程教学体系。

AI系统功能的实现是实施过程中的关键环节，下面是关于具有AI特征的系统在人机工效实践课程中目前阶段的应用实例构想。AI系统主要是AI助手通过监测任务改变进行人机功能的合理分配。具有AI特征的实践课程的应用实例构想如图1所示，其主要有三名学生共同参与实验，其中一名學生作为主试人员，指导实验的进行，确保实验能够按照实验设计的流程进行，其余两名学生作为被试，互相配合完成实验任务。作为被试的学生需要在实验室中相互配合，共同协作完成航空驾驶环境模拟任务。与此同时，被试学生须由主试学生帮助完成佩戴脑电测量设备、心电测量设备、眼动记录设备，以及皮电设备等，以便在被试执行任务的同时采集获取被试的在线生理数据。此外，在被试执行航空驾驶环境模拟任务的前后，需要填写关于自身情绪的评估量表、关于当前脑力负荷的评估量表，以及对自己操作情况的评价量表等，以此获得被试的主观数据。被试在完成航空驾驶环境模拟任务后也会获得关于本次模拟任务的作业绩效数据。将在实验中获取的三方面数据输入AI的人体效能评估子系统中，对数据进行处理，利用系统中的人体效能模型进行评估，可以获取被试学生当下的人体效能水平。以人体效能评估系统获得的人体效能水平为依据，AI助手可以根据人体效能的变化情况，利用人工智能的算法及先验经验对当前正在执行的航空驾驶环境模拟任务进行调控，将任务系统中人的任务与机器的任务进行调配，按照预计情况降低或者升高操作者当前的航空驾驶环境模拟任务的难度水平，以此实现合理的人机功能分配，并以此来调控操作者当前的人体效能，使操作者的人体效能维持在一个高效合理的水平上。

学生在人机工效实践课程中通过具有AI特征的实验，可以学习人机工效学实验中关于生理测量、主观测量以及绩效测量的基本理论、操作方式和数据处理等过程，了解实验的设计思路和主要流程。此外，通过AI助手这一具有AI特征的实验系统，可以让学生感受到AI对于人机工效学课程的意义，以及让学生了解前沿的知识是如何与本课程相结合的，并为学生提供一个实践实验设计改善的思路。在实验的过程中，还可以提高学生对人机工效学基本知识的学习理解，更愿意探索前沿科学在人机工效学中的应用，不仅仅局限于书本上的理论，也能开拓学生的思路，培养学生的创新能力。

四、结语

AI技术是当前科技领域最前沿的研究方向之一。高等院校通过专业课的教学，可以使学生了解到更多的AI知识，增加学生的知识储备，完善学生的知识体系并提高就业竞争力。结合人机工效实践课程的教改项目，通过引入航空AI助手系统的概念，构建人机工效实践课程AI系统的理论体系，开发人机工效实践课程的航空AI操作系统，并建立以AI实践操作系统为基础的课程培养方案，对于培养学生的实践能力起到关键的作用。

参考文献

[1]刘刚田，陈卓.《人机工程学》研究生优质课程教学改革与实践[J].轻工科技，2020（36）：177-178.

[2]汪惠芬，刘婷婷.“人机工程学”课程教学模式探索与实践[J].机械设计与制造工程，2007（9）：71-75.

[3]张勇，袁光杰，严良文.人工智能背景下工业工程专业《人机工程学》课程教学改革探索[J].产业与科技论坛，2019（18）：155-156.

[4]徐振耀.人工智能在航空航天领域中的应用[J].系统工程与电子技术，1993（3）：49-53.

[5]戴家樹，严楠，刘涛，等.人工智能时代的“人机交互技术”课程教学改革研究[J].电脑知识与技术，2018（14）：146-148.

[6]陆旖婷.大学生工科专业选择影响因素研究[D].上海：上海师范大学，2016.

Teaching Method of Ergonomics Integrated with the Characteristics of Artificial Intelligence Technology

CAO Xiao-dong， PANG Li-ping， WANYAN Xiao-ru

（School of Aeronautic Science and Engineering， Beihang University， Beijing 100191， China）

Abstract： Artificial intelligence（AI） technology has developed rapidly and has been widely used in many fields such as aerospace. It is necessary for colleges and universities that serve as a window for students to understand the frontier knowledge to make their teaching methods meet the needs of the development of the times. The traditional teaching methods and the emerging AI technology are recommended to be closely combined to cultivate students creativity， which has an important impact on the enrollment， training and employment of colleges and universities. The research on the teaching method of Ergonomics integrated with AI characteristics was carried out by introducing the AI technology into the aerospace Ergonomics course system， constructing the basic aviation teaching theories with AI characteristics， developing the operating system of aviation AI practice course， and forming the teaching and training plan. The teaching method of Ergonomics integrated with the characteristics of AI technology is conducive to enhancing the vitality of the Ergonomics course and the attractiveness to students.

Key words： Ergonomics; artificial intelligence technology; teaching method