教室中的人机工程学研究.doc

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教室人机工程学的应用
摘要：运安全人机工程学作为一门集合各种学科的综合学科,对安全起着至关重要的作用，其研究方法具有科学性、流程性。而基础设施是我校学生与教职工生活学习中很普遍的直接或间接接触的,更是我们安全生活的一种保障,跟人体也是息息相关的.因此,安全人机工程学在其中的应用也是显得异常重要。用人机工程学的有关原理，探讨了大学院校里教室中的设施（黑板、讲台、课桌、课椅）的布置和尺寸与人（教师、学生）的功能尺度相协调的关系,得出了一组合理的数据,从而达到减少教师和学生上课时的疲劳，提高教学效果的目的。
关键词:人机工程人体测量课桌课椅 讲台
一引则
1 安全人机工程学
（1） 安全人机工程学定义
安全人机工程学是从安全的角度和着眼点出发来研究人与机的关系的一门学科,其立足点放在安全上面，对在活动过程中的人实行保护目的,主要阐述人与机保持什么样的关系，才能保证人的安全.也就是说,在实现一定的生产效率的同时,如何最大限度地保障人的安全健康与舒适愉快.这主要是从活动者的生理、心理、生物力学的需要与可能等诸多因素，去着重研究人从事生产或其他活动过程中实现一定活动效率的同时最大限度地考虑外界因素的机理和预防与消除危害的标准与方法提供科学依据，从而达到实现安全卫生的目的，确保人类能在安全健康、舒适愉快的条件与环境中从事各项活动。
人类社会进步的重要标志，就是创造一个适合人类生存与发展的优美舒适的劳动条件和生活、生存环境。即让人类劳动、生活、生存在一个安全卫生和谐的社会之中。所以从安全的角度和着眼点来说，即以人类活动效率为条件和以人的身心安全为目标，将安全人机工程学从安全人机工程学中分解出来，并作为安全工程学的一个重要分支学科而自成体系。这就是现代科学技术发展的必然趋势，是文明生产、生活生存的象征。
（2）安全人机工程学研究方向
在任何一个人类活动场所,总是包括人和机（此处的机是广义的,即系统中除人之外、与人有关联的其它因素）两大部分。这两种性质截然不同的要素—-人与机，彼此之间存在着物质、能量和信息不停的交换(即输入、输出）和处理上的本质差异。而人机结合面起着人机间沟通的作用，各自发挥功能,提高系统的效率,保证系统的安全。因此,人机系统是一个有机的整体。
2 教室概况
教室是学校从事教学活动的一个重要的基地,是教师和学生工作、学习的场所.如何创造一个宜人的教室环境是关系到教师教学和学生学习效果的一个重要因素.由于人体各部位的尺度因人而异，为使各种与人体尺度有关的教室设施（黑板、讲台、课桌、课椅）的设计,能符合人的生理特性，让人在使用时处于舒适的状态和适宜的环境之中，就必须在教室设施的布置和尺寸设计过程中,运用人机环境之间相互关系的系统理论来进行分析研究和设计。
在人机工程学中，人体尺度的测量数据常以百分位数来表示，最常用的是第5％、第50%、第95%三种百分位数。其中第五百分位是代表‘小’身材,是指有5%的人群身材尺寸小于此值，而有95%的人群身材尺寸大于此值；第五十百分位是代表‘中'身材，是指大于和小于此人群身材尺寸的各为50％；第九十五百分位代表‘大’身材，是指有95％的人群身材尺寸均小于此值，而有5％的人群尺寸大于此值.
二 黑板尺寸的设计
黑板是教师上课时板书、挂图及学生注视的地方。在当前的讲课或作报告的过程中，传统的黑板还是主要的教学设施之一，黑板高度设置的合理性,对于教师充分利用黑板的空间,减少书写的不适性,以及板书的工整、学生清晰地观看到黑板上的板书或挂图,都具有实质上的意义.
黑板高度的设计，涉及两个尺寸的定位,一个是黑板下缘的高度，根据人机工程原理和人体的生理结构特点，在人体保持正常的站立姿势时，手执握粉笔板书的最低高度应是人立姿肘部高度，也即人上臂下垂、前臂水平前伸时肘高（上臂与前臂形成90°夹角)。若此高度低于肘高,这时上臂与前臂之间的夹角大于90°，则书写时笔形很难掌握.
根据我国GB10000—88《中国成年人体尺寸》所提供的数据（见表1）,黑板下缘高度应按男性第九十五百分位的肘高来设计，同时考虑鞋高及学生坐姿观察的高度,所以黑板下缘的高度以1100～1200mm为宜。另一个是黑板上缘的高度,需要考虑两个方面因素:一是教师手执握粉笔上举的高度,二是黑板板书的容量。从表1可见，我国成年女性平均手上举高度为1900mm（表中数据加鞋高）左右，男性为2100mm左右，所以黑板上缘高度以2000~2100mm为宜。当然，此高度为满足个子较矮的女性教师的需要，还需加200~250mm左右的脚垫。
三 讲台设计尺寸
讲台是教师上课的舞台，是教师上课时摆放书籍和教案的地方。教师在上课时有时要翻阅讲台上的教案，从人机工程学角度来讲，当人站着工作时，桌面高应与人的肘部相平或稍低于人的肘部高时，人体最不易疲劳讲台高度若过高，则个子较矮的人翻阅教案时，手臂外展较大,使人不舒服若讲台过低，则个高的教师眼睛到教案距离过远不易看清教案,需弯腰弓背方能看清，这样极易造成腰酸背痛的感觉.综合分析，讲台高度以较矮女性站立时肘高设计较好见表1，此高度为900~1000mm.这样可满足个矮人的需要，对于个子较高的人眼睛至讲台面的距离在710mm左右，此距离在人的正常视距范围之内。
讲台的长度以人肘部上展与肩峰同高时，两肘之间的距离为宜，通常在900～1100mm之间。
讲台的宽度以人前臂向前平伸(上臂下垂）时的长度(包括手长）为宜，通常为400～500mm。
四 桌椅的设计总体要求
学生用座椅的设计应以稳定性为主。人体重量要均匀分布于座面上,设计不能过于舒适，以免学生精力不集中，产生懒散的感觉。座面应有适当的硬度，使其有助于体重压力均匀分布在坐骨结节区域，同时座椅设计还应结构简单、节省材料并应有利于地面清扫。
为便于学生正向观看黑板倾听教师讲课，现就教室连排固定座椅的尺寸设计作一分析。
1 桌面高度设计
适宜的椅面高度应使就坐者大腿近于水平,小腿自然垂直,脚掌平放在地面上。座面不能过高，否则矮身材的人小腿悬空时，使大腿受椅面前缘压迫,坐者感到不适,长时间这样坐,则使小腿血液循环受阻，产生麻木肿胀感。如座面过低，则高身材的人坐时骨盆后倾，正常腰椎曲线被拉直，增加背部肌肉负荷，易产生腰酸背痛感。所以椅面高度以矮身材的人的小腿加足高的数值来设计（见表2），此高度以380～400mm为宜。
2 桌面宽度设计
椅面的宽度必须能容纳身材粗壮的人，对于单人使用的座椅,通常以女性臀宽尺寸的第九十五百分位数值进行设计,同时还要考虑冬季着装的需要对于教室中成排相邻放置(固定)的座椅，则常以肘间距群体上限值为设计基准,以避免拥挤压迫感.同时考虑扶手的宽度，使人的双臂得到支承，如座宽太大，则肘部必须向两侧外伸展以寻求支承，这样会引起肩部疲劳,所以座宽以400～450mm为宜.对于扶手椅其扶手宽应以500～550mm为宜(见表2)。
3 椅面设计要求
椅面深度是指椅面的前后距离，其尺寸应满足三个条件：使臀部得到充分的支持，腰部得到靠背的支持，椅面前缘与小腿之间留有适当的距离，以保证大腿肌肉不受挤压，小腿可以自由活动。如果坐深大于身材矮小的学生大腿长(表2中坐深）,则座面前缘将压迫膝窝处压力敏感部位,这样坐的时间长了会不舒适，因此椅面深度的设计应以坐深的第五百分位数值进行设计(表2）这样,身材矮小的学生坐着舒服，而身材高大的学生，只要臀部能得到支持，也不会在大腿部位引起压力疲劳。
综上分析,椅面深度应以400mm左右为宜.
4 背靠设计
人正坐足踏地时,倘若躯干得不到支持,则背部肌肉紧张,很易疲劳为了减轻正坐下的背肌紧张，必须使躯干得到支持，最常用方法就是用靠背.
靠背的高和宽与坐姿肩高和肩宽有关。对于有两个支承面的靠背，一个应为肩靠，另一个为腰靠。而对于只有一个支承面的靠背，则必须支承于腰部，并使靠背的凸出压入腰凹之内，以保证腰部得到充分的支持.
对于学生用坐椅，在警觉条件下，只需有腰靠支持即可，而我国成年人腰椎部中心位置约在座位上230~260mm处，为支持背部重量,腰椎支点应略高此尺度，因此,靠背高以350～400mm为宜.靠背宽以第九十五百分位肩宽（见表3）数据即400mm左右为宜.靠背角度指座面与靠背的夹角,学生用椅，在警觉条件下,以95°～100°为宜。
五 课桌设计
1 课桌设计要求
课桌高度通常应与学生坐姿肘高相近或稍高于坐姿肘高.一旦椅座面的高度决定了，则坐姿肘高取决于椅高。因此，课桌高度应与一定的椅高相适应.学生用课桌主要用于记笔记及放置课本，其高度的设计应满足学生记笔记时手臂肘部很舒服地得到依靠。如桌面过低，又要保持身体较正常的腰椎曲线,则必悬臂书写，这时，虽然笔的重量很轻,但是由于力臂较长（笔到肩部的距离)，手臂肌肉需同时支持手臂本身重量和笔的重量，使人的肌肉很易疲劳,若寻求肘部依靠在桌面上，则必弯腰弓背,引起腰部不适.如果课桌过高，则桌面的前沿压着前臂,或者手的上臂在肩部外展角度过大,都会造成不舒服。
设计课桌高度时，需从两个方面加以考虑。一是当座椅高度未定时,通常是以群体坐姿肘高的上限数来设计,这样的设计高度可使手臂肘部得到依靠，减少学生书写时的疲劳；二是当座椅高度一定时,桌面下缘至座椅面的距离，应以群体坐姿大腿厚的上限值来设计，并考虑使膝部有一定的上下活动的余地。而桌面上缘至下缘的距离则考虑学生放书包、书籍用.
若以前面分析的椅面高度400mm来设计，见表3,大百分位坐姿大腿厚为151mm，着装修正量加13mm,同时考虑膝部上下活动需要，取170~180mm。桌面上下缘距取150mm，则课桌高度以720～730mm为宜.
2 桌面宽度设计
桌面宽度的设计一般以学生前臂长加手长下限来设计，通常以350～400mm为宜.
3 课桌前后排的间距设计
此间距设计常以坐深加上大腿厚的上限数值为设计依据，这样可以使人较方便地进出，一般以550～600mm为宜。
4 桌面长度设计
以稍大于坐宽，即以500～550mm左右为宜.
六前排到黑板的距离
1 讲台的宽度设计
此空间距离主要是考虑教师转身板书伸展自如，及教师具有较舒适的活动空间。在具体的设计过程中，以人的手臂前伸长度的上限来设计。讲台后缘距黑板距离以上臂长加前臂长再加手长的第九十五百分位为设计依据，此距离以800～1000mm为宜。
2 讲台前缘（靠课桌一侧）距前排距离
此距离以一个人通过方便为设计参考，一般取500～600mm.
综上所分析,前排至黑板距离应为上两项数据加上讲台宽度,以2000mm左右为宜。
七结论
本文通过以上各部分的分析、研究，得出了一组较合理的数据，即黑板上缘高度以2000～2100mm为宜,下缘高度以1100～1200mm为宜.讲台以高900～1000mm、长900～1100mm、宽400～500mm为宜。座椅以高380～400mm左右为宜。靠背以高350～400mm、宽400mm左右。靠背角度（指座面与靠背的夹角）95°~100°为宜.课桌以高720～730mm、宽350～400mm（前后距)为宜。课桌前后排间距以550～600mm为宜。课桌前排至黑板距离以2000mm左右为宜。
以上这些数据试图为学校教室设施的有关尺寸设计,提供人机工程学的理论指导思想。为今后学校教室设施的设计中创造出符合使用要求的、宜人的人(教师、学生）-机（教室、设施)—环境（教室）系统。
参考文献
[1] 赵江洪主编。人机工程学。高等教育出版社，2006。
［2］ 康兹SA，魏润柏合著。人与室内环境。中国建筑出版社，1985。
［3] 马江彬主编.人机工程学及应用。机械工业出版社。1993.
［4] 曹琦。人机工程设计.西南交通大学出版社,1988。