基于驾驶仿真的人因实验教学的探索

　　 论文 关键词：驾驶仿真 人因工程 实验教学 虚拟现实

　　论文摘要：人因工程是 工业 工程主要的专业方向之一，驾驶仿真是基于虚拟现实技术、研究驾驶安全的重要手段和方法。该文介绍了基于驾驶仿真开展综合型开放的人因教学实验的设计和实施，以及所取得的教学效果，为人因教学实验的设计和实施提供了可以借鉴和 参考 的实验教学经验。

　　人因工程 (human factors engineering或 ergonomics)是研究人与系统其他元素之间的交互作用的学科，是一个运用理论、原则、数据、方法进行设计，以提升人类福利并优化整体系统表现的专业。人因工程涉及 的领域广，应用性和实践性很强。

　　培养学生具备人因学的眼光，去发现问题和解决现实问题的能力以及灵活运用人因理论方法和技术的能力，仅靠传统的人因工程教学实验是不够的。传统的人因工程教学大多侧重于某项内容的测定，形式比较单一，比如环境噪声的测定、环境照明的测定、心率与耗氧量的测定、劳动强度的测定等。仅这些测定内容，对于学生创新能力、综合能力的培养是远远不够的。

　　随着我国机动车的增长和 交通 系统的 发展 ，道路交通形势极为严峻，应用人因工程专业知识解决道路及汽车驾驶问题是十分重要和必要的。而且，学生对现实生活中的交通系统问题感同身受，易于学生对问题的认识和理解。为此，我们以驾驶仿真为基础，通过开设实验培养学生从人因的角度去发现问题的能力，培养学生综合、系统地应用人因理论知识去分析和解决实际问题的能力，使学生加深对人因理论和方法的理解与掌握。

　　1 实验实施基础

　　1．1 硬件基础

　　清华大学工业工程系人因工程实验室自行研制了多通道宽屏幕固定式驾驶仿真系统，见图 1所示。该系统由真车改造，具有可用性、柔性、整体性好和成本低等特点。系统的多个模块具有可配置性，能灵活地运用于各种驾驶仿真任务的模拟，可随时根据实验任务和研究对象的变化对系统的各个软硬件进行调整，以适用不同研究课题或实验教学的设计需要。

　　通过驾驶仿真系统可以对驾驶员在驾驶过程中的行为、感知、认知、决策和态度进行观察、测量和分析，具有安全性、可控制性、可重复性、易于采集客观数据等特点。

　　1．2 软件及仿真场景模型库

　　驾驶仿真系统的主要构成部分之一是虚拟驾驶场景的仿真，它基于虚拟现实技术，具有沉浸、交互、构想的特性，使驾驶员身临其境，与驾驶仿真的场景环境 自然 交互。驾驶场景的构建主要是根据科研或教学内容，构造交通场景的三维模型或再现真实的交通场景。可以采用 muhigen paradigm公司的 creator建模软件或常见的3ds max造型软件进行虚拟驾驶场景的建模，采用 muhigen paradigm公司vega软件构建模拟驾驶的仿真平台。

　　我们目前已拥有具有一定素材，可用性强的仿真场景模型库，如图2所示，具有多种形象逼真的交通环境、车辆和行人模型，具备各种机动车辆等可配置交通模块，还具备模拟特殊天气下的交通环境，如雪天、雾天、夜间等驾驶环境。这些丰富的仿真场景设计元素大大增加了系统的柔性和可用性，方便研究人员及学生根据实验目的，设计和开展各种有关驾驶员行为的研究。

　　1．3 知识基础

　　基于驾驶仿真的人因实验教学要求学生已经具备一定人因工程基础理论和方法的基础，例如反应时的测定、标识的设计理念、人因设计的基本思路及应用的方法等。另外，还需学生具备一定的 计算 机软件应用的基础和经验，以便能更快地学会相关模型软件的使用。

　　2 人因实验教学的设计与实施

　　结合驾驶仿真所设计的人因教学实验，使学生的实践内容更加贴近实际应用，以培养学生的综合素质、创新精神和实践能力为目标，我们在设计实验时，主要着重于以下几个方面。

　　2．1 发挥学生的自主性

　　以交通标志设计与评估实验为例，交通标牌的字体大小、图样设计，直至放置实施均由学生以团队的组织形式分工协作，独立完成。要求交通标牌设计合理，易于道路使用者识别；模型设计后，可以直接使用驾驶仿真系统进行实车、实路驾驶；对设计成果进行有效、合理的评估。学生在做实验的过程中充满了挑战性，因此大大地激发了学生的兴趣和主动性 。

　　2．2 实验的开放性

　　实验室仅提供驾驶仿真系统及配套模型软件，模型的设计以及对模型评估的方法和手段都由学生根据需要自行确定，这为学生的创造性思维发展提供了很大的自由度。例如，针对驾驶安全某个主题的研究，学生可以自行设计模型，自行设计调查问卷，组织实验的实施，并分析实验的结果。

　　2．3 实验内容的综合性

　　实验的设计思想是让学生在课程学习的．同时，培养理论联系实际，灵活应用人因工程理论解决实际问题的思路及方法的能力。正如学生在实验报告里所说：“在整个实验中，从发现问题、提出问题到解决问题，我们都遵循了在人因学中起核心作用的以人为本的思想。实验中我们面对的是一个现实生活中的复杂问题，我们实践了一个完整的应用人因学原理到实际系统设计的全过程，即确定设计目标和绩效评价标准一系统定义一基本设计一界面设计一测试评估一方案改进的过程，课堂上学习到的理论知识在此得到了实践与巩固。”

　　2．4 实验教学模式的创新性

　　我们应用驾驶仿真系统的相关软件和硬件，给予学生全新的集成体验，加深理论知识的学习，并感知复杂的系统和理论。使学生的方案设计和改进措施更加符合实际，利于学生的实践实施，使学生对实验充满兴趣和积极性。学生在实验报告中说到：“我们体会到了虚拟现实技术在系统研究中的巨大作用。就这次实验来说，我们利用现有的模型，屏幕上谈兵，就完成了系统的分析以及再设计。虚拟现实技术已经成为现在我们研究现实世界的有力工具。我们学习到了很多应用案例，也更加深入地理解了人因课上所讲到的一些理论与原则性的知识。理论结合实践，是学习知识的最佳方式。不过，我们的实践，不是传统意义上的实践，而是在虚拟的现实世界中进行的实践。”

　　我们针对不同的教学需求，可以开设如下不同类型、不同形式的人因教学实验。

　　(1)体验式教学。可以把复杂的难于理解的人因工程理论通过驾驶交互体验来领会和学习。

　　(2)研究型教学。学生自主设计实验场景或测试方案，开展针对特定理论或者原则的实验研究。例如，有准备的反应模式与无准备的反应模式区别，有分神或者无分神的反应模式区别，疲劳和正常精神状态下的反应模式区别等。

　　(3)专题教学。例如： 交通 险情专题实验主要针对险情反应模式、反应时间的测定，学生也可进行交通险情的体验；交通标识专题实验可以对交通路标进行主观、客观的评估。

　　3 实验教学效果

　　基于驾驶仿真，我们已经开设了人机系统仿真体验式实验、汽车贴膜研究型实验和以北京西直门为案例开展了交通标志设计与评估的专题实验等。这些实验贴近生活实际的应用，培养了学生综合应用理论知识分析和解决实际问题的能力。教学实验很好地达到了预期效果，受到了学生的肯定与好评。

　　(1)学生感受到人因理论方法与技术在实际生活中的重要地位，真正理解了人因工程的内涵，有助于学生在实践中加深对理论知识的理解和运用，加强了对所学知识的感性认识。

　　(2)利于创新能力的培养，提高了学生的创新意识和创造性解决问题的能力。

　　(3)培养了团队协作能力。实验需要学生合理分工，相互协作，进行有效的团队沟通，共同解决问题，才能成功地完成。

　　(4)提高了学习的兴趣。实践教学内容目的性强，贴近实际应用，给学生充分的自由度，学生学习热情高，自主、积极地查阅资料，确定解决方法。

　　(5)提高了实践教学效果。利用驾驶仿真系统使教学环境生动、逼真、安全，学生能够多方体验，吸引了学生学习和研究的兴趣，也有利于学生对方案结果的检验和评估。

　　4 结束语

　　基于驾驶仿真，我们开设了多种类型的自主性、综合性、开放型的实验，并得以顺利实施让学生有机会尝试、体验、研究并解决人因工程的实际问题，受到了学生的广泛赞誉。实验锻炼了学生综合运用理论和方法解决实际项目问题的能力，为他们后续的学习和去 企业 实习打下了良好的基础。

　　今后，我们还将不断 总结 实验教学的经验，不断地完善和提高实验教学的水平，不断丰富实验教学内容，为培养创新型、综合型高素质人才而服务。

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