本科四年级康复工程专业：老年人机工程学综合设计教案

本科四年级康复工程专业：老年人机工程学综合设计教案

一、课程定位与设计哲学

本课程属于康复工程专业核心必修模块，前置课程为人机工程学基础、老年生理与病理学，后接毕业设计与临床实习。课程性质为“理论-实践一体化综合设计”，学段设定为本科四年级秋季学期。课程设计严格对标《普通高等学校本科专业类教学质量国家标准（康复工程类）》与国际人机工程学会（IEA）老年工效学能力框架，以“真实问题驱动、多元协同创新、全生命周期包容”为核心理念，强调从“疾病治疗”向“功能补偿与潜能激发”的范式转换。教学内容不再局限于传统的人机界面尺寸适配，而是将老年人的认知衰退、感知代偿、社会参与障碍、居住环境风险等要素整合为系统性设计命题。

二、教学目标体系（【根本纲领】）

（一）知识与技能目标

1.能准确复述老年人体尺度衰减百分位、认知负荷阈值、视听觉老化工效学参数，并熟练查阅中国老年人体测量数据库、GB/T33170-2016《老年人家用产品通用技术要求》等权威文献。【基础】【高频考点】

2.能运用“能力-需求平衡模型”对老年人典型生活场景进行人机工程学诊断，独立完成从问题定义、参数提取到原型方案生成的全流程设计。【核心】【非常重要】

3.能使用JACK或AnyBody人体建模仿真软件进行老年人生理负荷可视化分析，并依据ISO9241-210以用户为中心的设计流程输出设计报告。【热点】【难点】

（二）过程与方法目标

4.通过沉浸式老年模拟体验装置，建立对老化特征的具身认知，形成共情驱动的设计思维。【重要】

5.在跨专业小组协作中，运用六西格玛设计（DFSS）工具包对设计方案进行迭代优化，提升复杂问题拆解与证据权衡能力。【非常重要】

6.通过真实社区老年人参与式评估工作坊，掌握人机交互测试中知情同意、数据匿名化及伦理豁免申请等研究规范。【基础】

（三）情感态度与价值观目标

7.深刻理解适老化设计的本质并非降低标准，而是通过技术公平实现数字包容与社会正义。【非常重要】

8.确立“从缺陷视角转向资产视角”的老年观，抵制年龄歧视在设计中的隐性渗透。【热点】

9.培养在技术限制与用户真实需求之间寻找伦理平衡点的职业责任感。【重要】

三、教学核心锚点

（一）【重点】

1.老年人多维功能衰退与产品交互失效模式的耦合机制。【非常重要】

2.基于灰色预测模型的人机界面尺寸动态适配方法。【难点】【高频考点】

3.认知老化的工效学测量指标（如反应时、工作记忆容量、注意力分配效率）。【基础】

（二）【难点】

4.老年用户隐性知识（tacitknowledge）的外显化萃取技术。【热点】

5.在低成本约束下实现通用设计与个别化补偿的平衡。【非常重要】

6.智能养老产品交互逻辑中的“技术恐怖”消解策略。【难点】

四、教学策略与资源矩阵

本课程不采用单一的讲授法，而是构建“微课导学—案例解剖—仿真验证—实物迭代—社会路演”五阶混合式教学模式。课前通过SPOC平台发布由三甲医院康复科拍摄的老年吞咽障碍、跌倒瞬间高速摄像等稀缺视频资源，引发认知冲突。课中采用“旋转门”专家角色扮演法：学生分别以康复工程师、老年用户、护工、医保支付方等身份参与设计评审，强制破除学科本位思维。课后依托校内人因工程实验室与社区老年日间照料中心，形成“实验室-家庭-社区”三元验证闭环。

五、教学实施过程（【主干】篇幅占比85%）

本过程共计12学时，每学时50分钟，拆解为4个阶段，阶段间以“设计马拉松”工作坊贯通。

（一）阶段一：老化具身与问题发现（3学时）

1.老化模拟沉浸体验（1学时）【非常重要】

学生穿戴老年模拟服（含白内障模拟眼罩、关节限制绑带、触觉衰减手套）完成系扣子、读药品说明书、使用智能手机挂号三项任务。教师全程不干预，仅记录完成任务时间及错误次数。体验结束后，学生立即绘制“用户体验旅程图”，强制区分“物理困难”“感知困难”“认知困难”三类痛点。在此环节，教师重点讲授老化过程的异质性原理，指出75岁与85岁老年人在握力、平衡感、近视力等指标上存在显著性差异，不可笼统使用“老年人”单一标签。随即引入国际通用功能分级ICF框架，要求学生将个人体验到的障碍映射到ICF的身体功能、身体结构、活动和参与三个维度。【高频考点】

2.人种志观察与深度访谈模拟（2学时）【重要】

播放经伦理委员会审核的社区老年人居家生活纪实片段，每段时长8分钟，分别聚焦浴室、厨房、卧室三个高风险场景。学生以4人小组为单位，采用“出声思维法”对视频中老年人的操作迟疑、代偿行为（如用牙撕包装）进行行为标记。教师同步引入“关键事件技术”，指导学生从海量行为数据中筛选出高频、高危、高挫败感的触点。随后进行标准化病人模拟访谈，由一位组员扮演听力下降且轻度认知障碍的老人，其余组员轮流以康复工程师身份采集需求。教师在此处穿插罗杰斯共情层次理论，要求访谈话术至少达到“情感反映”层级，禁止使用“您应该……”等专家姿态表述。访谈后各组使用亲和图法将原始语料聚类，形成问题机会图谱。【非常重要】【热点】

（二）阶段二：参数提取与设计基准（3学时）

1.老年人体测量学数据的批判性使用（1.5学时）【基础】【高频考点】

教师首先展示中国、日本、欧盟老年人体尺寸对比数据，提问为何同一身高百分位的中国老年人坐姿眼高普遍低于欧洲同龄人。由此引出数据年代、抽样偏倚、测量标准差异等信效度问题。学生分组计算给定样本（n=120，年龄70-85岁）的握力、指鼻测试时间、最大步高五项统计量，并使用Mann-WhitneyU检验比较不同年龄组间差异。教师强调：设计时不可直接套用第5百分位至第95百分位，必须结合老年人常伴有的骨质疏松、关节炎等共病状态对数据进行“减值系数”修正。随后发布真实设计任务：为一款智能药盒规划按键尺寸与按压力阈值。各组需查阅GB/T14775-93操纵器一般人类工效学要求，并基于中国老年女性第5百分位指腹接触面积数据反推最小按键直径。【非常重要】

2.认知工效学负荷量化（1.5学时）【难点】【热点】

以某三甲医院门诊自助机交互界面为靶向，使用NASA-TLX量表和眼动追踪设备同步采集10名社区老年被试的任务负荷指数与注视热点图。学生现场操作数据分析软件，计算主任务完成时间与次任务反应时的双任务成本。教师引入Wickens多资源理论，指出老年人在听觉-认知叠加任务中的绩效衰减尤为显著，并引导学生推导出“为轻度认知障碍者设计时，视觉通道不应与空间工作记忆同时占用”的设计准则。在此基础上，各组针对原自助机界面提出修改方案，并使用Fitts定律预测修改后触摸目标的选择时间。所有参数取值、计算公式、检验结果必须整理为《设计输入规格书》，此文档将作为后续原型评估的基准。【非常重要】

（三）阶段三：方案生成与仿真验证（4学时）

1.概念发散与形态综合（1学时）【基础】

采用TRIZ理论中的分割原理、局部质量原理、动态性原理，针对阶段一识别的“服药依从性差”问题生成不少于15个解决方案草图。教师强制要求方案必须跨越产品、服务、环境三个层面，例如不仅设计智能药盒，还需设计社区药品分装服务与家庭药品存储环境改造。各组通过加权决策矩阵从技术可行性、用户接受度、成本增量三个维度筛选出三个最优概念，并使用Rhino建立快速三维模型。

2.数字人建模与生物力学仿真（2学时）【非常重要】【难点】

引入西门子JACK软件，分别构建第5百分位中国高龄女性数字人及第95百分位中国高龄男性数字人，并设置驼背姿势、关节活动度下降、握力减半等老化参数。学生将三维模型导入虚拟场景，模拟老人开启药盒防盗盖、分拣一周药量两个动作。教师讲授“低背部受力分析”“腕关节力矩曲线”判读方法，要求学生输出L4/L5椎间盘压力与时间历程图，并与NIOSH抬举方程计算出的推荐限值进行对比。当仿真显示椎间盘压力超过3400N时，学生必须修改药盒开启方式（如改为侧推式）或增加辅助杠杆。此环节所有决策必须记录在设计历史文档中，并标注修改依据所引用的生理学阈值文献。【高频考点】

3.快速原型与启发式评估（1学时）【重要】

使用3D打印制作1：1泡沫原型，邀请3名社区老年用户体验。评估采用“共构法”，即老年用户与设计师并肩而坐，用户直接触摸原型并实时提出修改建议，设计师当场用油泥修改形态或调整按键布局。教师在此环节着重训练学生识别“用户出于礼貌而掩盖真实困难”的微表情与肢体语言，并教会学生使用“再问一遍”技术挖掘深层需求。所有用户话语及修改动作均全程录像，课后需剪辑出3分钟亮点片段作为设计证据。【热点】

（四）阶段四：综合路演与伦理审议（2学时）

1.模拟医疗器械注册答辩（1学时）【非常重要】

各组按照NMPA《医疗器械人因设计技术审查指导原则》框架，制作12页以内PPT，依次陈述预期用途、使用场景、用户特征、操作任务、人因风险分析、风险控制措施、验证与确认摘要。台下评委由教师、高年资康复医师、工业设计师、老年消费者代表组成，评委有权随时打断并要求解释“为何此项风险未降至可接受水平”或“验证样本中为何缺失75岁以上独居老人”。答辩全程采用计时器，超时立即终止。此环节旨在强制学生将技术语言转化为监管语言与用户语言，并直面设计决策中的伦理张力。【非常重要】【高频考点】

2.包容性设计承诺书签署（1学时）【热点】

每名学生撰写一份200字左右的个人设计宣言，必须包含三项承诺，例如“不在未经认知负荷测试的前提下为老人添加语音交互功能”“拒绝使用年龄作为拒绝提供定制化尺寸的理由”等。宣言当堂签署并存入课程档案，教师总结时指出：人机工程学的终极目的不是使人适应机器，更不是机器取代人，而是通过技术透明化维护使用者的尊严与自主。

六、学习证据与评价体系

本课程取消传统试卷考试，实施“档案袋评价+关键节点答辩+社会影响评估”三维认证。

（一）形成性评价（占50%）【非常重要】

1.课前SPOC平台微课测验：自动批阅，主要针对人体测量百分位换算、Fitts定律计算、ICF分类等基础知识，未通过者需在虚拟仿真平台完成自适应练习直至达标。【基础】

2.课堂小组贡献度：通过同伴互评及教师观察笔记，评价个体在建模、仿真、访谈中的实质参与，采用增益模型而非绝对水平评价，重点关注从“技术本位”向“用户本位”转变的幅度。

3.迭代轨迹记录：要求学生每次修改方案时必须附500字以上反思日志，解释为何放弃原有方案、新证据来源、妥协了什么、坚守了什么。该记录直接反映元认知能力的发展。【重要】

（二）终结性评价（占50%）【非常重要】

4.设计作品技术审查报告（3000字以上）：必须包含完整的人机界面参数表、生物力学仿真载荷云图、可用性测试原始数据及统计分析表，格式参考《人类工效学》期刊论文。盲审由两位校外专家（一位学界、一位业界）独立评分，评分冲突超过20分时启动第三方仲裁。【高频考点】

5.用户接受度实测：每组需在社区或养老机构招募5名真实老年人试用迭代后的原型，收集系统可用性量表（SUS）得分，得分低于68分者需进行第二轮修改。实测过程必须有照片或视频佐证，且附带经当事人签署的知情同意书复印件。

6.口头答辩：围绕设计伦理设置压力问题，例如“如果预算有限，你是优先降低售价惠及更多低收入老人，还是优先采用更昂贵但防错率更高的传感器？”，学生需援引课程涉及的《赫尔辛基宣言》及联合国老年人原则进行辩护。【热点】【难点】

七、跨学科视域融合路径

在课程实施中，强制嵌入三次跨学科联合工作坊。第一次与计算机科学专业合作，由计算机系学生讲解机器学习基本原理，康复工程学生提出“非接触式生命体征监测”的功能需求与误报容忍阈值，双方共同定义训练数据集采集标准；第二次与心理学系合作，使用认知老化量表对设计方案的界面复杂度进行前置筛查，筛选出超出老年人工作记忆负荷的交互层级；第三次与土木工程专业合作，针对老旧住宅卫浴间改造难题，基于BIM模型进行轮椅回转空间与抓杆预埋件的碰撞检测。每次联合工作坊均产出双签名的协同设计备忘录，作为创新学分认定依据。【非常重要】【热点】

八、教学反思与持续改进机制

本设计颠覆了传统人机工程学课程以静态尺寸为中心的知识结构，将老化视为动态的、情境化的、充满代偿