人-计算机介面.doc

接效益并没有增加, 直接成本却增加了, 只有当事故的后果特别严重时, 第九章 人-计算机介面第一节 概述 人-计算机介面引起人们的重视有不到二十年的历史. 最初只有几个计算机专家从事人-计算机介面的硬件方面的研究, 如CRT屏幕的设计和输入设备的设计, 这里用到一些生物, 人体测量, 人的视觉系统等方面的研究成果. 随着时间的推移, 研究人员的兴趣逐渐转移到信息显示的原则. 人的信息处理系统和认知系统现在成了这类研究的基础. 人-计算机介面现在成了一门介于计算机科学, 人类工效学和行为科学之间的边缘学科. 现在也涉及到一些新的学科, 如语言学和图象设计. 人-计算机介面的一个里程碑是1982年在美国普斯柏格召开的第一届人-计算机介面的学术研讨会, 是由计算机械学会和人类工效学会共同发起的. 从那以后,人-计算机介面得到了飞跃的发展, 研究成果成倍的增加. 同时, 人类工效学专家就业的机会也大大地增加, 许多计算机制造公司和软件开发公司有专职的人类工效学家. 最近的一项调查表明美国50%的人类工效学会员把人-计算机介面作为自己的一个研究领域.第二节 认识系统工程学 一. 认识系统工程学的必要性 计算机和自动化把许多人从体力劳动中解放出来, 现在在西方发达国家绝大部分人的工作, 包括许多办公室办事人员的工作, 都属于脑力工作的范畴. 因此,计算机给人带来了一个更大的认识工程环境. 计算机技术的进步提供了帮助和扩大人的解决问题的能力, 但在这种技术进步的同时也产生了新的认识问题. 例如在新的技术条件下人和机器的分工问题. 而且, 新技术的出现并不能自动地保证好的系统行为, 因为系统是由人操作的, 技术水平提高了, 如果计算机操作人员的水平没有得到提高, 新技术的潜力不仅会发挥不出来, 甚至会产生新的问题. 计算机是一个工具, 一种放大镜, 成功地应用它会带来巨大的效益, 但出现问题时由此带来的损失也越大. 遗憾的是, 当计算机技术在不断飞跃发展的时候, 我们关于人如何使用这种技术的研究的步子并没有跟上. 二. 什么是认识工程学 首先认识工程学研究的对象是复杂系统中的人的行为. 随着技术的进步, 系统的规模越来越大, 功能越来越多越强, 系统本身也变得越来越复杂, 人对系统的操作取决于人对系统的认识, 而系统复杂性的增加也增加了人对系统了解的困难.用分解来简化这样的系统的复杂性往往会使人对系统的理解产生偏差, 使人对系统的认识不够完整. 人必须把系统作为一个整体来看待和研究, 这样传统的研究人的行为的方法就显得不足了. 必须采用新的方法. 其次, 认识工程学是面向一个开放世界的. 传统的对人的研究往往是在各种条件得到控制的闭合的试验室进行的. 这种方法不再适合研究人在复杂系统中的行为. 我们必须研究人在一个开放世界的行为, 要走出试验室, 在现实系统中研究人的行为, 并把这种研究成果直接送到实践者的手中. 认识工程学要研究系统的内容和结构, 也要研究人在系统中随着他对系统认识的变化而产生的行为的变化. 传统的心理学对人的研究方法是由下向上的, 工具驱使的方法. 而认识工程学则认为, 研究人在现代系统中的行为应该是问题驱使的方法, 即首先从系统的目标出发. 人在系统中要达到什么目的, 要解决什么问题, 是什么原因使人在系统中的行为令人满意或不满意. 从这些分析中可以找出解决问题的方法, 找出认识世界对人的要求, 使人能够更好地履行自己的功能, 减少在系统操作中的错误等等. 三. 认识工程学的三驾马车 我们可以把人解决问题的领域看作有三个因素组成的一个相交的系统. 这个系统中的三个因素是: 现实世界, 在世界上发生作用的代理人, 代理人对世界的认识媒介. 我们若能对这三个因素的关系有一个更好的了解, 那么我们对人在复杂系统中解决问题的能力也会有一个更好的了解. 让我们先来看看现实世界, 即被研究的系统. 现代的系统有这样四个特点: (1) 这是一个不断变化的系统; (2) 这个系统中有许多因素, 而这些因素都是高度相关的; (3) 这个系统中包含有许多不确定的因素; (4) 这个系统包含着许多风险. 这些特点都会影响人在解决这个系统中的问题时所采取的策略. 人是通过认识媒介来认识世界的. 认识媒介对现实世界的信息进行搜集, 整理, 抽象, 然后把它提供给解决系统问题的人. 在这个过程中, 有些信息被传送互到人, 而有些信息被遗漏了, 这些都对人的行为会产生深远的影响. 最后一个也是最重要的一个因素是代理人, 即解决问题的人. 人在信息处理过程中使用的资源及其它们之间的结构. 是什么机构或资源影响人对系统的监视,认识系统的非正常状态, 解释不可预见的行为, 以及在上述情况下采取什么样的反应? 四. 认识工程学的主要内容 认识工程学的一个重要内容是找出专家行为的基础, 即专家为什么这样做. 首先我们要找出一种理论, 这种理论可以用来描述人的认识技巧和系统在人的大脑的代表方式. 其次, 这些知识在现实环境中是怎么实现的. 最后, 我们需要了解知识和技能是怎样自我发展和自我更新的. 在认识工程学中, 有大量的关于比较专家和新手之间差别的研究, 这些研究涉及到下棋, 解决物理问题, 病人诊断, 编计算机程序等不同领域. 人们发现专家的知识面要广, 而且这些知识被分类和有机地整理在一起. 认识工程学的第二个内容是启发性的训练. 人的知识是通过训练来获得的, 但仅训练本身是不够的. 获得知识一个有效的方法是启发性训练. 启发性训练通过让学生通过对世界的媒介的操作来了解世界的, 例如, 图形或类比表示法, 系统元素的相互关系, 现实世界的模拟等. 启发性训练的一个内容是让学生了解各种可能解决问题的方法及各种方法产生的结果, 如系统地变化系统中的某一个变量, 让学生全面了解这个变量对系统结果的影响. 这里有两个问题应该注意. 第一, 学生所控制的是现实世界的一个代表(比如模拟), 第二, 学生能够随意地改变系统中的决策变量. 人们对这种方法也进行了一些研究, 结果是比较理想的. 认识工程学也研究人的错误. 谈到人的错误, 什么是人的错误, 什么因素引起人的错误, 人的错误以什么形式出现, 如何发现潜在的错误, 如何预测错误发生的时间和频率, 什么样的工作使人更容易犯错误? 对人的错误研究越来越受到人们的重视. 对人的错误的研究有这样几个主题, 首先是对错误进行分类, 只有那些系统性的错误才是研究的主要内容, 因为我们主要, 也只能防止这类错误的发生. 人们认为人的错误的一个重要原因是人的合理思维的局限性, 即人不可能在任何情况下都知道合理的决策是什么, 在他找不到合理决策时, 他就选一个错误的决策, 发解人对某一问题的决策的局限因素, 给人提供必要的帮助就可以预防这样的错误的发生. 现在对人的错误研究表明, 人的错误实际上是人-机系统不匹配的结果, 因此, 研究人的错误离不开人所处的系统. 人在系统中解决问题的一个方法是事先把各种解决方案计划好, 贮存在大脑里, 当某一种情况与事先设计好的方案所对应的情况一致时, 人们就采用这种方案. 但是这种解决问题的方法是非常脆弱的, 因为在许多情况下, 人们面临着从未见过的问题, 而正是这类问题常常导致事故的发生. 研究人如何在面临新问题时, 怎样扩大自己的已有的知识, 来解决新的问题, 在新问题发生后, 人需要哪些帮助等等也是十分重要意义的内容.第三节 屏幕显示 在人-计算机交往中, 计算机传递给人的信息主要是通过视觉进行的, 今天绝大部分计算机的显示器是荧光屏(CRT), 将来也许多会采用液晶显示或电子发光器等显示. 不管采取什么技术, 显示的信息的内容和格式对人-计算机交往的效率是有着非常重要的意义的. 如果计算机显示的是人所不需要的信息, 而人需要的信息又没有被显示, 人在计算机上的工作效率将受到极大的影响, 甚至于会导致人们放弃使用计算机或某一计算机软件. 人们已经对屏幕显示进行过许多研究, 这些研究证明了屏幕显示的重要性. 例如, Tullis曾对500种显示器进行了比较, 发觉操作人员在使用最差的显示器来获得关于某一航空公司的航班信息所需要的时间比在最好的显示器上时间要长一倍多. 屏幕显示涉及的内容很多, 下面我们只介绍一下主要内容. 一. 屏幕显示与纸上阅读 如果同样的信息显示在屏幕上和白纸上, 绝大部分人更愿意从白纸上获得信息. 试设想一下有一本长篇小说, 你愿意从荧光屏上阅读它还是从书本上阅读它? Zacarias等人在一项研究中发现在同样长的时间内, 从纸上比从屏幕上可以完成更多的工作. 是什么原因使人们更喜欢从纸上阅读信息还不十分清楚, 也许有一些主观因素, 如人的阅读习惯问题, 但也有许多客观因素, 如荧光屏给人带来的视觉疲劳等. 二. 屏幕显示与视觉疲劳 计算机屏幕显示信息, 各种信息实际上是由一串微小的光组成的集合, 人阅读信息时, 眼睛直接与光正面接触, 虽然这种光是较弱的, 但时间长了也会增加眼睛的疲劳, 甚至带来伤害. Dainoff等人1981年对100个使用计算机的办公人员的调查中发现有45%的被调查者有视觉疲劳的症状. 据估计, 仅在美国就大约有1000万人患有与图像终端有关的疾病, 使用计算机的时间越长, 眼睛就越容易疲劳. 与图像显示终端有关的主要视力疾病包括眼睛疲劳, 头痛, 视线模糊, 眼干燥或发红,颈痛或背疼等. 调查表明, 造成视力问题的原因是屏幕反光, 工作安排, 光线不适和屏幕清晰度. 医务工作者, 计算机专家和人类工效学家正在寻找解决这一问题的办法. 可采取的一些方法是: (1)设计更高质量的荧光屏. 高质量的荧光屏可以增加屏幕清晰度, 这样可以使人看清屏幕上的内容而不用过于集中视力, 从而减轻由此带来的疲劳. (2)使用玻璃或其他滤光器, 也可以使用滤光镜等. (3)避免各种亮光直接照在屏幕上. 亮光照在屏幕上有两个坏处. 第一, 它直接降低了字幕的清晰度, 提高了工作对视力的要求标准. 第二, 它增加了操作人员视觉范围内的光亮对比度. 过大的光亮对比度对人的视觉有直接的伤害. 另外, 屏幕的放置高度, 操作人员到屏幕的距离, 经常短时间的休息对减轻计算机对视觉的影响都有积极作用. 三. 屏幕显示的信息量和方式 在屏幕显示中的一个重要内容是在一个屏幕内显示多少信息. 所有的屏幕显示的设计指南中都指出, 显示多余的信息对人的行为是没有帮助, 甚至是有害的. 有些研究人员提出在一个屏幕中信息的密度应不超过整个屏幕可显示信息的面积的25%, 而美国航空航天局则规定, 屏幕上信息的密度不应超过60%. 在同一屏幕内显示的信息越多, 找到所需要的信息需要的时间就越长. 但若同一屏幕显示的信息过少, 则需要更多的换页次数, 也会影响到效率. 在必要时, 对信息进行分类显示比不分类显示可以大大地提高用户的使用效率. 在人的视觉范围的5度内是人的视觉最敏感的区域. 一些研究人员建议把这个值作为每组信息在屏幕所占的空间. 这对应于6-7行, 12-14个英文字母宽. 屏幕显示相对于书面显示的一个最大的优点是它可以随时对一些信息加亮, 使这些信息更加突出, 引起读者的注意. 这被称为计算机的高亮显示技术. 有许多不同的加亮方法, 如简单的加强显示信息的亮度, 改变颜色, 改变底色, 闪光等.这些对吸引读者的注意都有好处. 但在用高亮显示技术时有两点应该注意. 第一是不管采用哪种加亮技术一定要谨慎, 过度的使用加亮会适得其反. 第二是被加亮的信息的选择一定要合适, 如果把不重要的信息加亮了, 这会大大地妨碍读者对找到他所需要的信息. 合理地使用对齐, 空行, 空格等显示方法也可以提高信息的可读性. 在这里一个重要的原则是用列来显示同类的信息, 而不要用行来显示同类的信息. Wolf发现把信息按列分类显示比同样的信息按行分类显示可节省35%的搜索时间. 随着计算机技术的不断进步, 用图形显示已越来越方便了. 常言说一张好图胜过一千个字. 图形显示相对于文字显示有一个很大的好处. 屏幕显示是通过人的视觉把信息传递给人的大脑的, 心理学实验的研究表明人的视觉神经是以图形的方式把信息传递给大脑的, 因此用图形显示把信息传递给人, 可以减少人的信息处理中的把文字变成图象这样一个环节, 从而提高人的工作效率. 因些在信息显示的设计中, 我们提倡尽可能地使用图形显示. 可以预料随着计算机显示技术的进步,图形显示的比重将越来越大.第四节 键盘设计 用键盘打字发明于1868年. 键盘最早是一个有四排平行键的机械装置, 为了能够迅速击键, 打字者必须使手指的排列与键的排列平行, 这就使手的姿式不自然, 使手臂向里弯, 而手腕向外弯. 这种受限制的姿式使人常常感到不舒服, 有时甚至于使手腕处的肌肉腱发炎. 随着电子技术的进步, 机械式的打字机已经被电子式的打字机所替代. 击键时所需要的力已经大大地减少了, 因而击键比以前也方便多了, 但是不自然的姿式依然存在. 计算机中所用的键盘与过去机械式的键盘的设计是相似的, 只有一些微小的差别, 如增加了一些数字键和功能键. 用计算机键盘输入与用打字机输入还有一个差别是有时计算机的操作员有时不得不等待计算机的反应. 有时需要等好几秒钟.根据瑞士学者Johansson等的研究, 当等待时间超过5秒钟会常常会引起操作人员不耐烦, 在这段时间内, 操作人员喜欢把手放有一个较舒服的地方休息. 这个发现使设计人员开始考虑把键盘设计成一个简单的平面, 使操作人员随时可以把手放在桌子上休息. 为此今天许多工效学家建议键盘应该是平的, 中间一行字母键的高度应比桌子面高不到3厘米, 而且操作人员可以在桌面上比较自由地移动键盘. 在计算机键盘设计中下一个值得考虑的问题是如何减少或消除键盘对人的手的不自然姿式的限制. 1965年Kroemer建议把键盘从中破开分成左右两个部分, 这样就可以使避免两个手腕的弯曲. 两个键盘之间成30度角度. 好几个实验结果都表明用这种键盘给手腕带来的疲劳比传统的键盘要小. 但走出实验室, 人们对这种分开的键盘的设计的反应似乎是不冷不热的. 经过几十年的研究和实践, 人们对键盘的设计的原理取得了基本一致的意见, 这些原理是: 中排键高于桌面的高度: 30毫米 键盘前面(接近人的方向)的高度 低于20毫米 倾斜 5-15度 两键之间的距离 17-19毫米 击键所需要的力量 0.4-0.8N 键垂直移动距离 3-5毫米 操作人员应该能够感觉到计算机已接受了他的指令, 这被称为感觉反馈. 当键移动了一半的距离, 阻力突然减少时, 感觉反馈效果最好. 对键盘设计的另一个研究内容是键的排列, 当前我们使用的键被称为QWERT键盘, 因为这种键盘左上角的五个键是QWERT. 在最初设计这种键盘时,人们主要是从机械的角度考虑,尽量把两个经常出现在一起的字母分开,以免使打字机卡住了. 后来人们发现,QWERT键盘的设计有许多不合理的地方.第一是两手的负荷不合理,左手的负荷比右手重得多.第二是最常用的字母并不在中间一行,这增加了许多手指的运动时间.第三,连续出现的字母并不是分在左右两手,这影响人的连打速度.一些研究人员开始根据动作研究的原理设计键盘. 但是人们拒绝接受根据动作研究的原理设计出来的键盘,这并不是因为这样设计出的键盘不科学,而是人们已经习惯于QWERT键盘.用新键盘代替QWERT键盘的代价是难以想象得高,人们使用QWERT键盘已非常熟炼使得所有新键盘的使用者在短期内根本达不到这样高的效率. 现在计算机在我国正在迅速普及.如何通过键盘把汉字输入到计算机是一个非常重要的问题.因为汉字是象形文字,这给用字母方式输入汉字带来许多不便.感谢我国计算机研究人员的努力,我们现在有许多很好的汉字输入方法,如五笔字型,双拼全音等,这些汉字输入系统大大加速了汉字的输入速度. 但是应该指出,从人类工效学的角度来考虑,这些汉字输入系统都有许多地方值得改进.例如,当一个编码下对应几个汉字时,这些系统都是用1,2,3,4 .来选择不同的字,而不是用A, B, C, D .,而在键盘上打数字时手的运行的距离要长些.再例如,五笔字型有词组输入,这大大加快了输入速度,但有些词组的选用并没有根据词组出现的频率来确定,如当你想输入讨论这个词组时,你会敲YFYW,但YGYW对应的是讲座而不是讨论.显然,讨论这个词比讲座这个词出现的概率要大些. 上面这些例子虽然只涉及到零点零几秒的时间,但考虑到使用计算机的人数,考虑到每天使用计算机的时间,这些改进能带来的收益是难以估量的.因此我们建议,我国在现阶段应多投入点钱来研究这些问题.否则当人们已经完全适应某一种方法之后,再要求人们改用更好的方法几乎是不可能的,就象要我们放弃QWERT键盘一样. 随着电子技术的飞跃发展, 现在涌现了许多新的计算机的输入输出方式, 如屏幕接触, 光笔, 图象表格, 鼠标, 跟踪球, 操作杆, 扫描器等. 这些不同的方式都有自己的优点和不足. 另外, 现在人们也在致力于研究人-计算机之间采用谈话式的输入输出方式, 即计算机的语音合成和语音识别问题. 这里特别值得一提的是鼠标和窗口方式显示的出现给人-计算机显示带来了一次意义非常大的革命, 因为窗口式显示把各种可选择的命令已显示出来, 操作人员不用记住命令, 特别是不常用的命令, 这极大地减轻了操作人员的记忆负荷, 大大地减化了计算机的操作, 也不再使人感到计算机深不可测. 同时鼠标的应用, 使命令的选择变得再直接了当不可. 现在在西方发达国家, 几乎看不到有一台计算机没有窗口显示和鼠标. 窗口显示和鼠标的普及的确是人类工效学原则应用的一个成功的典范.第五节 其他有关问题 正如我们前面已经指出过的, 人-计算机介面是人类工效学中一个非常热门的一个研究领域. 美国的人类工效学家Helander教授编辑出版了一本几百万字的. 除了我们上面提到的内容外, 还涉及到以下内容: 1. 编辑与光标移动. 对绝大多数计算机使用者, 计算机只是一个文字处理器. 因此使用合理的文字编辑系统对使用计算机的效率的影响也是很大的. 受计算机技术的影响, 最早的计算机编辑系统只是行编辑(如DOS中的EDLIN命令). 这种编辑系统不能把所有的内容都显示在屏幕中, 人们对编辑只能进行反馈控制, 不能实行实时控制, 显得很不方便. 现在的编辑系统当然基本上都是全屏幕编辑, 用起来就方便多了. 在编辑过程中, 光标的移动对编辑速度影响很大. 许多系统的光标移动方式不一样, 也使使用者感到很不方便. 2. 操作系统的评价. 计算机的操作系统对操作人员使用计算机效率的影响也是很大的, 但是计算机操作系统的设计需要一定的有关计算机的硬件和软件的知识. 因此人类工效学的研究重点是对各种操作系统进行评价, 包括数据系统的比较, 软件包设计的评价, 文件的查址方法的评价以及专家知识系统和计算机辅助决策. 3. 计算机的物理设计. 计算机操作人员都坐着工作, 这样减轻了人的体力负担, 但由于身体长期保持不动, 久而久之会产生许多职业病, 如腰疼, 脖子疼等等. 因此如何设计计算机(包括键盘)的外形, 如何在工作地布置计算机使之适应操作者的生理特性, 使操作者在工作中保持较好的姿式, 减少疲劳是人类工效学者们关心的一个问题. 这是传统的人类工效学中工作地布置的原理在计算机中的应用. 4. 说话式输入输出效果的研究. 说话是人与人之间最有效的交流方式. 当前使用的计算机绝大部分都是键盘式输入. 键盘输入工作量相对来说比较大(特别是数据文件的建立). 操作者长期观察屏幕对眼睛也不无伤害. 因此试图用说话式输入输出代替当前的输入输出方式是顺理成章的. 人-计算机说话式输入输出包括两部分. 第一部分是声音识别, 即计算机接受人的声音后转换成内部文件. 第二部分是声音合成, 即计算机以声音的方式输出结果. 经过几十年的努力, 人-计算机说话式输出输入(特别是输出)的研究已取得很大进展, 已成为可能. 但目前成本较高, 错误也不少, 因而应用的范围还比较有限. 怎样根据人的特点提高人-计算机对话的效率是人类工效学家正在研究的一个大课题. 内容包括: 怎样降低计算机输出的合成音的错误率, 增加合成音的自然性, 人对各种合成音的反应, 改变人的说话方式以便计算机识别等. 现在, 计算机的功能已越来越强, 对比之下, 人的能力显得越来越弱. 为了提高人-计算机系统的效率, 仅靠提高计算机的功能已远远不够,相反, 如何使计算机适应于人已显得越来越重要. 现在一个计算机软件成功与否不再取决于它占多少内存, 它的速度快不快, 而在于用户是否能很快地掌握它. 现在在开发计算机软件时, 计算机专家在设计人-计算机介面上所花的时间常常占总程序时间的40%, 这充分说明了人-计算机介面的重要性.總目錄.doc第十章 重体力劳动 重体力劳动包括各种需要人的力量作为工作动力的工作. 它的特点是人的能量消耗高, 对人的心脏和呼吸系统的压力很大. 人的能量消耗和血液循环能力决定着体力劳动的极限, 这两项指标因此常常被用来作为评估体力劳动的程度. 人作为一种工作动力效率是非常低的, 而且重体力劳动对人的身心健康也有危害, 所以应尽量减少或减轻重体力劳动.从十八世纪开始的机械化及当前的电子化已大大减少了体力劳动的数量和强度. 尽管如此, 重体力劳动在许多工业, 如采矿, 建筑, 运输, 农业, 林业中仍然是广泛存在的. 在我国, 受生产力水平的影响, 重体力劳动更是到处可见的. 因此研究重体力工作, 使之处于对人的身体没有危害的范围内仍然具有十分重要的现实意义.第一节 人体的新陈代谢 一. 新陈代谢 人体的一个基本生物过程是新陈代谢, 在这个过程中人体从食物中吸收营养, 把化学能转换成机械能和热. 食物在肠道里不断地被分解直到可以从内脏的壁进入血液. 大部分营养物进入到肝, 在那里它们作为糖原贮存起来, 作为一种能源原料. 当需要时, 它们作为一种随时可用的化合物糖再次进入到血液. 只在少量的食物被用来补充身体, 或进入脂肪组织作为脂肪贮存起来. 血液把营养物带到身体的各个细胞. 在细胞食物慢慢地被分解成水, 二氧化碳和尿素. 这些过程被统称为新陈代谢. 新陈代谢可以比做一个缓慢的自动调节的燃烧过程. 这样比喻是因为新陈代谢与燃烧一样需要氧气, 氧气可以通过肺和血液得到. 新陈代谢过程可以产生热和机械能. 图10-1是人的新陈代谢图. 二. 能量的消耗 原来人体的能量消耗是用千卡(kcal)来测量的, 现在更常用千焦耳(kJ)来计量的. 两者之间的换算为: 1 kcal = 4.187 kJ 人体能量的消耗可以间接地通过人体氧的消耗来进行, 因为两者是直接相关的. 当一升的氧在人体内被消耗平均有20KJ的能量的产生. 这被称为氧的热当量.为了得到能量消耗, 氧耗必须乘以一个20. 三. 基本新陈代谢 通常当一个人坐着不动时他的能量的消耗是稳定的, 取决于这个人的身材, 重量和性别. 当一个人躺下, 空着肚子, 这时他的能耗被称为基本新陈代谢量. 对于一个重70公斤的人这个量在24小时是大约7000千焦耳, 对于一个60公斤的女人, 是5900千焦耳. 在基本新陈代谢的条件下, 营养中几乎所有的化学能转成了热.第三节 工作时的能耗 体力劳动一开始, 能耗就迅速地增加. 某一职业对肌肉的要求越大, 所需消耗的能量也越大. 工作使人的能耗的增加量被称为工作焦耳. 这可以通过测量工作时的能耗, 然后从这个值中减去休息时的消耗或基本新陈代谢. 一. 工作焦耳 工作焦耳反映了身体的压力水平, 涉及到重体力工作. 它可以用来评估工作的负荷水平, 找出需要的休息时间, 比较各种不同工具的效率, 或不同的工作安排的效率. 在这里应当注意到能量消耗只测量了人的体力情况, 它并没有告诉人的精神负荷或工作所需要的警惕性, 也没有反映特别的物理问题, 如过热, 由于笨拙的姿式所带来的静负荷. 因此能耗应该用来测量费力的体力劳动, 决不能用来研究精神活动和熟炼工作. 二. 生活焦耳 人的日常生活, 如起床, 吃饭, 走动等也要消耗一定的能量, 我们把这些日常活动消耗的能量称为生活焦耳. 一个合理的平均值是对一个男人2400KJ对妇女2000-2200KJ. 因此人的总的能量消耗由以下几部分组成的: (1) 基本新陈代谢; (2) 工作焦耳; (3) 生活焦耳. 三. 各种情况下的能量消耗 在第二次世界大战期间和之后, 一些生理学家系统地研究了各种职业的能耗, 他们主要是用工作焦耳来评估工作负荷的严重性的, 今天这种方法已经不那么流行了. 表10-1和表10-2给出了部分研究成果. 表10-1 各种职业的能量消耗工作种类 职业例 每天的能量消耗(焦耳) 男人 女人坐着的轻度工作 记账员 9600 8400重手工劳动 拖拉机驾驶员 12500 9800中等身体运动 屠夫 15000 12000重体力劳动 扳道员 16500 13500极重的体力劳动 煤矿工 19000 - 表10-2 各种活动形式的能量消耗活动种类 活动条件 能量消耗(焦耳/分钟)走路 平地, 表面光滑, 4公里/小时 8.8负荷走路 30公斤负荷, 4公里/小时 22.3上楼梯 坡度为30度, 17.2米/分钟 57.5骑自行车 16公里/小时 22.0锯木 60来回/分钟 38.0家务劳动 打扫清洁 8-20 四. 姿式对能量消耗的影响 工作时的姿式对能量的消耗也有显著的影响. 图71给出了四种不同姿式下的能耗. 坐着 直立 弯腰 跪着 3-5% 8-10% 50-60% 30-40% 图10-2 四种不同姿式相对于平躺时能量消耗的增加 五. 能量消耗与健康 许多工业化国家的工人现在坐着工作, 如果我们把每天工作时坐着的时间加上他在上下班路上和在家看电视的时间, 20世纪的人显然正在变成一种坐着的动物. 这样坐着的生命使人的身体的许多器官得不到应用. 许多人吸收的能量比消耗的多, 导致超重, 心脏和循环系统疾病的增加. 研究结果表明, 一个健康的职业男职员每天应有12000-15000KJ的能量, 对女职员这个值为10000-12000KJ. 下面职业的能量消耗在这一范围, 邮递员, 机床的操作人员, 制鞋和修鞋者等. 成天坐着工作的人可以通过在业余时间进行锻炼来达到这个值. 下表给出了各种体育活动的能量消耗: 表10-3. 几种体育活动对应的能量消耗 活动 能耗(焦耳/分钟) 快走(5公里/小时) 17 跑步(10公里/小时) 40-48 骑自行车(20公里/小时) 40 登山 32-40 游泳 20-40 跳舞 16-32 人的每天的最大的能量消耗也有一个上限. 今天大多数生理学家认为每天的平均能量消耗20000KJ为体力劳动的一个合理的上限, 这对应于平均每个工作日10500工作焦耳, 如果把它平均地分到8小时,对应于每小时1300KJ. 季节性的工人可以在几个星期甚至于几个月超过这个值, 但对于这些工作, 每年应有休息时间以恢复体力. 的确, 在许多重体力劳动中, 工作一天的能量消耗可达到20000-30000JK好几天而不生病. 上面推荐的20000KJ是为了保持身心健康一年的平均值. 当然这个值是随人而异的, 取决于一个人的身体结构, 训练程度, 年龄, 性别等. 第三节 劳动强度等级的划分 作业时的能量消耗是全身各器官活动时能量消耗的总和. 即使最紧张的脑力劳动的能量消耗也不致超过基础代谢的10%, 而体力劳动的能量代谢却可达基础代谢的10-20倍, 所以用能量消耗或相对代谢率来划分劳动强度, 只适用于以体力劳动为主的作业. 研究表明, 以能量消耗为指标来划分劳动强度时, 耗氧量, 心率, 直肠温度, 出汗率, 乳酸浓度和相对代谢率等具有相同的意义. 下表给出了国际劳工局1983年公布的对工农业生产的劳动强度划分标准. 表10-4. 国际劳工局体力劳动强度划分标准劳动强度等级 很轻 轻 中等 重 很重 极重耗氧量(l/min) 2.0能耗(kcal/min) 12.5心率(次/分) 75-100 125 150 175 175直肠温度 (C) 37.5-38 38.5 39 39排汗率 (毫升/小时) 200-400 600 800 800 一般说来, 测定体力劳动时的能量消耗, 可用来划分和鉴定体力劳动的强度级, 用以制定合理的劳动制度和膳食供应. 所谓合理的膳食供应即维持长期作业而不致于引起体重的减轻. 另外还必须注意到, 在作业过程中除劳动强度之外, 生产环境因素(如温度, 噪声等条件)和心理因素等也会影响能量消耗的变化. 因此在采用能量消耗指标评定或划分劳动强度时, 应注意是否受其它因素的影响. 例如, 在高温环境中作业时, 虽然作业者的耗氧量和代谢量并未增加, 但其心率, 直肠温度和排汗率均有明显增加, 这样, 对于本应属于轻劳动的作业, 此时则应划为中等劳动或重劳动的作业. 因此有人主张除根据能量消耗划分劳动强度等级外, 还应结合作业环境条件, 采用更切合实际的劳动强度双重分级法. 我国根据262个工种工人劳动时, 能量代谢和疲劳感等指标的调查分析,1983年提出了按劳动强度指数来划分体力劳动强度等级的国家标准(GB-3869-83). 它基本上能较全面地反映出作业时人体生理负荷的大小. 其计算方法为: I = 3 * T + 7 * M 式中 I 为劳动强度指数. T 为一个工作日的净作业时间比率. M 是一个工作日内的平均能量代谢率(千卡/平方米.分钟). M 的计算方法为: 根据抽样结果将工作日的各种作业活动和休息加以归类, 分别计算各项作业与休息的能量代谢率M: M = 10 (0.0945X-0.53794) X = 8 式中X 为单位表面积每分钟呼气量. 下表给出了我国的体力劳动强度分级 表10-5. 我国的体力劳动强度分级 劳动强度级别 劳动强度指数 I 25 第四节 重体力的工作效率 一. 效率 从能量的角度出发, 一个人做体力劳动就象是一台发动机. 一个发动机把煤或油转换成机械能, 这当中有一些能量损失. 同样的, 人体在工作时, 把化学能转化成机械能, 这当中绝大部分能量被转换成热而浪费掉了. 对人和机器一样, 效率定义为产生的有用的功与产生这样的功所实际消耗的能量之比. 在理想的条件下, 人的体力活动的效率可以达到30%, 即把消耗掉的能量的30%转换成机械能, 把剩余的转化为热. 但是热并不是能量被浪费的唯一形式. 静负荷也浪费能量. 因此, 只在当尽可能少或根本不持住某一物体不动时, 只有当尽可能多的机械能被转为有用的功时才能达到最大的效率. 机械能被用来支持静负荷的成份越大, 效率就越低. 例如当弯腰工作时, 效率就很低. 在重体力劳动中, 使生理效率最优化十分重要, 这不仅能经济地利用能源, 而且也可以减少人身体的负荷. 因为这个原因, 劳动安全生理学家做了许多尝试来测量各种劳动方法, 使用各种不同的劳动工具和设备的生理效率. 这些结果对于机器, 工具的设计和工作地的布置有重要的指导意义. 表10-6给出了这方面的一些研究结果: 表10-6. 各种体力劳动的最大效率 体力劳动种类 效率百分比 弯腰铲东西 3 拧螺丝 5 正常姿式铲东西 6 举重 9 转动手轮 13 用重锤 15 用背袱东西, 不返回 17 上下梯子 19 扳动曲柄 21 上下楼梯 23 拉车 24 骑车 25 推车 27 平地行走 27 5度的斜坡上行走 30 二. 锹铲的效率 用铁锹铲东西是一种常见的体力劳动. 德国的一个生理所对此进行了彻底的研究. 当每锹的重量在8-10公斤, 每分钟铲12-15次时, 效率可以达到最高. 除了负荷之外, 也应当考虑锹本身的重量. 所以当材料较轻时用大锹, 当材料较轻时用小锹. 对于颗粒式的材料, 锹应该稍微凹进, 象匙子一样头应该尖以便于插进. 对于粗糙的材料, 前边应直, 锹身应平, 两边和后而应圆起来. 对于粘性的材料如泥土, 锹尖可以是圆的或尖的, 但锹身应该是平的. 锹把应有60-65厘米长. 三. 锯的效率 瑞典的科学家研究了木匠使用图 所示的几种锯的效率. 工人在使用各种不同的锯时的氧耗被记录下来, 然后根据他们在使用锯之前的氧耗就可以算出使用各种锯时的工作焦耳. 工作内容是锯断面积为1平方米的圆木. 结果也给出在图中. 结果表明效率最高的锯是两种宽身, 粗齿锯, 木工们也喜欢用这样的锯. 研究中还发现, 当锯木的速度为每分钟42下, 垂直方向的压力为100N时效果最好. 四. 锄头的效率 下图给出了两种不同锄头松地时的效率, 在软土地上, 可旋转的锄头比常用的锄头的更有效. 但在硬土地上, 两种锄头的效率差不多. 五. 步行 一个愉快的也不费力的步调是每分钟75-110步, 步幅在0.5-0.7米之间. 但当用能量消耗来衡量时, 这并不是最有效的步行方法. 下图给出了各种步行速度下的效率, 用每公里所消耗的能量来表示. 根据这项研究, 最有效的步行速度是每小时4-5公里, 当鞋子较重时降为每小时3-4公里. 六. 背东西的效率 劳动生理学家对人背东西特别注意, 因为这是最费力的工作之一. 根据勒曼(Lehmann)的研究结果, 当背50-60公斤时效率最高. 扛少点更方便, 但跑的次数增多, 回返时移动自己的身体需要消耗能量. 如果不考虑返回, 那么根据梯柏尔(Teeple)的研究成果, 当负重是人的重量的35%, 速度为4.5-5公里/小时时效率最高. 七. 表面的光滑程度 地面的光滑程度对一些工作的能耗也有很大的影响. 下面是一个装有一吨重货物的四轮车用1050工作千焦耳所能移动的距离: 轨道 好道 坏道 脏道 850 700 400 150 在手推车的后面推比在它前面拉要省15%的力. 车子的手把应该高出地面一米左右, 手把4厘米厚. 两个轮子的手推车应该使重心尽可能地低, 使重心靠近中轴线, 这样可以更好地掌握平衡和减少人对重力的承受. 八. 坡度 当一项工作需要上下坡时, 坡度为10度时工作效率最好, 下面是用42工作千焦耳可达到的高度: 90度的梯子 11.5米 70度的梯子 14.4米 30度的楼梯 13.2米 25度的斜坡 13.1米 10度的斜坡 15.5米 当梯子放在70度, 每格梯子的间距为26厘米时效率最高. 但是若要扛东西, 则每格17厘米要好些. 当然在可能的情况下, 就尽量地使用机械装置, 既使是手动的吊车也可以事半功倍. 九. 楼梯 爬楼梯是日常生活中最好的锻炼. 从保键的角度, 我们建议人们只要可能就少用电梯, 尽量地利用各种机会爬楼梯这一体育锻炼. 同时楼梯的设计者应该使人上楼梯时效率可以达到最大. 勒曼(Lehmann)发现能量消耗最小的楼梯坡度应为25-30度, 他给出了下列经验值: 每步高度 17厘米 每步宽度 29厘米 这样设计的楼梯不仅能耗小, 而且引起的事故也最少.第五节 用心跳测量体力劳动 一. 能量消耗和脉搏 直到20年前, 能量消耗一直是评估劳动强度的主要方法, 但是现在越来越多的证据表明仅仅测量能量的消耗是不够的. 体力劳动的强度不仅与能量的消耗有关, 也与使用的肌肉数量和静负荷有关. 对于给定的能耗水平, 只包含少数肌肉比包含多个肌肉一费力得多. 同样的, 对于同样的能耗, 静负荷比动负荷要累得多. 另一个反对使用能耗测量劳动负荷的理由是热的存在. 温度的变化对能耗的变化的影响也许较小, 但可能引起心跳的明显变化. 随着工作强度的增加, 心跳的增加将更快, 如果: (1)环境中的温度更高; (2)静负荷的比例更大; (3)包括的肌肉的数目更少. 由于上述原因, 近年来心跳被越来越广泛地用于作为劳动强度的一个指标. 在详细地讨论心跳和脉搏之前, 让我们先考虑一下血液与呼吸之间的关系. 二. 血液与呼吸 体力劳动要求人的身体的各个器官, 纤维组织和液体进行调整. 最重要的调整是: (1)呼吸得更快更深; (2)心跳增加, 伴随着循环能力的增加, 使每分钟的血流量增加; (3) 心管运动调整. 肌肉和心脏的血管扩大, 而其他部位的心管收缩. 这把没用着器官的血液输送到用得着的器官; (4)心压的增加, 增加了由主动脉到扩大了的血管的压力, 增加了血流量; (5)增加了氧的供应, 更多的糖被从肝释放到血液中; (6)体温和新陈代谢的增加, 温度的增加加快了新陈代谢的化学反应, 保证更多的化学能转化为机械能; 随着工作的继续, 人体的第二种新陈代谢发生作用, 特别是身体流