人类工效学_甜梦文库
人类工效学
人类工效学 (讲义)廖建桥 编 一九九四年九月目录 第一章 概述.............................................1 第二章 人体测量学 ......................................9 第三章 人体的肌肉系统 .................................23 第四章 人体的神经系统 .................................37 第五章 人的信息处理系统 ...............................47 第六章 工作地设计 .................................... 67 第七章 信息显示 ...................................... 77 第八章 控制器 ........................................ 95 第九章 人---计算机介面 .............................. 111 第十章 重体力劳动 ................................... 123 第十一章 搬运 ....................................... 143 第十二章 疲劳 ........................................ 151 第十三章 脑力负荷 .................................... 165 第十四章 照明 ........................................ 181 第十五章 噪音 ........................................ 197 第十六章 微气候 ...................................... 219 第十七章 环境污染与环境保护 .......................... 235 第十八章 安全生产 .................................... 251第一章 概述 第一节 人类工效学的定义 人类工效学是一门新兴的边缘学科, 它作为一门独立的学科已有四十多年 了. 人类工效学这一名称是根据英文&Ergonomics&翻译过来的, &Ergonomics& ? 这个词是由两个希腊词根组成的, ergo 是出力, 工作的意思, nomics 是正常化, 规律的意思. 因此 Erginomics 的含义是人的工作规律问题. 也就是说, 这门学科 是研究人在生产和工作中合理地, 适度地劳动的问题. 在我国,这门学科尚处于初创阶段, 所用名称也不一致. 除用人类工效学这 一名称外, 也用工效学, 人机工程等其他名称. 国际工效学会给人类工效学下的定义为: &研究人在某种工作环境中的解剖 学, 生理学和心理学等方面的各种因素, 研究人和机器及环境的相互作用条件下, ?在工作中, 家庭中和休假时, 怎样统一考虑工作效率, 人的健康, 安全和舒适等 达到最优化的问题.&我国在&&中国企业管理百科全书&&中, 对人类工效学所下的定义为: &研究 人和机器, 环境的相互作用及其结合, 使设计的机器和环境系统适合人的生理, 心理等特点,达到在生产中提高效率, 安全, 健康和舒适的目的.& 关于人类工效学还有许多其他的定义, 我们不在此一一赘述. ?从上面的定 义我们可以看出, 人类工效学是研究人, 机器, 环境三者之间的关系, 以便使人 工作, 学习, 生活的更有效, 更安全, 更舒适的一门介于心理学, 生理学, 人体 测量学, 工程技术和管理之间的边缘学科. 第二节 人类工效学的内容 由于人类工效学涉及到人的工作, 学习和生活, ?因此人类工效学的内容非 常多. 概括起来, 主要包括以下几个方面: 1 人的能力. 这包括人的基本尺寸, 人的作业能力, ?各种器官功能的限度 及影响因素等. 对人的能力有了了解, 才可能在系统的设计中考虑这些因素, 使 人所承受的负荷在可接受的范围之内. 例如, 人的短期记忆容量是七个元素左右, 在系统的设计中如果某一工作对人的短期记忆有要求, 就不能超过这一限度, 否 则人将会遗忘过多的信息, 导致错误的发生. 再比如人在直立时向上推举的平均 最大力是人体重的 100%, 对人体无伤害的最大举力是 15%左右. ?若某一工作的负 荷超过这一值, 不仅会影响人的工作效率, 甚至会影响人的身心健康. 2 人--机交往. &机&在这里不仅仅代表机器, 而是代表人所在的物理系统?, 包括各种机器, 电子计算机, 办公室, 各种自动化系统等等. 人类工效学的座右 铭是&使机器适合于人&. 在人--机交往中, 人类工效学的重点是工作地, 各种显 示器和控制器的设计. 随着电子技术的进步和电子计算机的普及, 人--计算机交 往的研究在人类工效学中占有越来越重要的地位. 3 环境对人的影响.人所在的物理环境对人的工作和生活有非常大的影响作 用, 因此, 很自然地,环境对人的影响是人类工效学的一个重点内容. 这方面的内 容包括: 照明对人的工作效率的影响, 嗓音对人的危害及其防治办法, 音乐, 颜 色, 空气污染对人的影响等等. 第三节. 人类工效学的目的 人类工效学的目的有三个: 第一, 使人工作得更有效;第二, ?使人工作得更 安全; 第三, 使人工作得更舒适. 这三个目的有时是相一致的. 例如一种新机器 可能比旧机器的效率更高, 更安全, 更舒适. 但是在许多情况下, 这三个目标是 相矛盾的. 一种更安全, 更舒适的操作方法可能比旧方法效率要低些. 某一新机 器可以使人工作的更舒适, 但增加的效率可以不足以补偿增加的投资等. 这个矛 盾的解决显然取决于人与机器的相对重要性, 取决于人所处的时代, 环境等. 在远古时代, 由于机器(工具)的稀少, 环境的恶劣, 人的生命的艰难, ?人 不得不无条件地使自己适应机器(工具)和环境. 人们改进工具的主要目的是为了 更高的效率, 以抵御环境和敌人生存下去. 使用工具时的安全和舒适是不在人们 的考虑之中的, 人们决不会为了舒适而放弃某一种更先进的工具. 我们可以设想在理想的未来社会, 机器和环境将绝对地服从于人. 人的安全 与舒适将是系统设计中最重要的位置, 人可随心所欲地改变他所处的物理系统和 环境以满足他的需要. 效率将是一个次要问题.我们既不是生活在远古时代, 也不是生活在理想社会之中. ?因此有时人不 得不适应于机器与环境, 有时我们可以改造机器和环境使之更好地服务于人. 这 使得人类工效学者的工作充满着矛盾和挑战. 西方社会比我们发达, 生活水平比我们高, ?因此在那里工效学更强调人的 重要性, 教科书中的宗旨为: 使机器适合于人 (Fitting the task to the ?man). 我国当前生活水平还比较低, 生产力也比较落后, 在很多地方是人适应于机器. 但是随着人们生活水平的提高, 人的价值将越来越高, 人类工效学作为一门学科 也将越来越受到重视, 人类工效学对人的工作和生活将发挥越来越大的影响. 第四节. 人类工效学的发展历史 自从人类诞生以来, 就存在着人机关系问题. 随着人类的进步, ?人在不断 地改造环境, 改造工具, 以便 使自己在工作时能够更安全, 健康, 舒适, ?使工 作效率更高达到优化. 但这些改进分布在人类漫长的进步过程中, 都比较零散, 具体, 还不足以使人类工效学成为一门科学. ?人类工效学逐步成为一门科学还是 近一百年的事, 其发展可以归纳为三个阶段: 一. 启蒙阶段 虽然在 1884 年德国学者莫索(A. Mosso)就在人进行劳动时, ?将人体通以微 电流, 通过电流的变化测量人体的疲劳程度, 但我们认为, 人类工效学作为一门 科学形成于本世纪初, 主要应归功于泰勒和吉尔布雷思. 1898 年美国人泰勒(F. W. Taylor)从提高工作效率的角度出发, ?对装卸工 使用的铁锹进行了研究. 他发现每次铲运的重量在 10 公斤左右时, 劳动效率最 高.?因此他设计了许多大小不同的铁锹, 以适应装卸不同的物料. 在此以后, 他 还进行过搬运生铁的研究, 通过制定每次的搬运量, 搬运速度, 休息时间, 使作 业者充分发挥劳动潜力, 从而提高工作效率. 1911 年美国人吉尔布雷思(Frank.Gilbrith)对建筑工人砌砖进行了研究, ? 通过去掉砌砖动作中的无效动作和辅助装置, 使砌砖工人每小时的砌砖数由过去 的每小时 170 块提高到 350 块, 大大提高了砌砖工人的工作效率. 在泰勒和吉尔布雷思工作的基础上, 形成了时间和动作研究这样一门学科?. 虽然时间和动作研究本身并不是人类工效学, 但其思想与人类工效学已非常接 近. 二. 正式形成时期 第二次世界大战期间, 一些国家, 特别是英国和美国, ?大力发展各种新式 武器装备. 由于片面地注重了工程技术方面的研究, 忽视了对使用者操作能力的 研究和训练, 因此遇到了许多问题. 以飞机为例, 由于座舱及仪表的显示位置设 计不当,经常造成驾驶员读仪表或操作错误, 进而发生事故. 另外许多操作在战斗 时不灵活, 使飞机命中率降低等. 经过分析发现这些事故的原因可归结为: (1) 显 示器, ?控制器的设计没有充分考虑人的生理特性, 心理特性,? 致使仪器的设计 和配置不当,不能适应人的要求; (2) 操作人员缺乏训练,? 不能适应复杂机器系 统的操作要求.这些原因引起了决策者和工程师们的高度重视.?工程师们开始感到人的因素在设计中是一个不可忽视的重要条件. 要设计一个好的现代化设备, 只具备工程技术知识是远远不够的, 还必须了解设备的使用者的生理的和心理等 方面的知识. 于是在第二次世界大战后不久, 人类工效学作为一门新兴的边缘学 科正式形成了. 各种人类工效学会, 如国际人类工效学会和美国人类工效学会相 继成立. 三. 飞速发展时期 进入七十年代以后, 随着电子技术的进步和计算机的广泛应用, ?操作系统 对人的要求越来越高, 系统中考虑人的因素也显得越来越重要. 特别是美国三里 岛核电站事件的发生, 对人类工效学的发展起了很大的推动作用. 1979 年 3 月 28 日凌晨 4 点, ?在美国宾夕法尼亚洲哈里斯柏格附近的三里 岛核电站, 一个临时的障碍引起该核电站一号机组供水系统和发动机自动关闭. 在零点几秒之后, 系统中建立的予备保险系统开始正常工作, 提供新的供水系统. 紧接着四个关键性的错误一起发生了, 以从末有过的事实证明人在复杂系统中的 表现是多么重要. 第一个错误发生在故障发生之前. 予备供水系统的管道被维修工人关闭了?. 而这个维修工人从此就没有上班. 结果是核反应中心由于得不到循环冷水的供应 以排除它的热量. 温度开始升高, 并把周围的冷水变成蒸汽. 压力迅速升高. 但是预备保险系统继续正常工作. 圆形棒下降到反应堆使核反应程序放慢?. 压力释放闸打开了以释放在主冷却系统中产生的蒸汽. 当压力下降到低于警戒水 平后, 自动释放闸收到了关闭的信号. 正象在一个热循环系统中当屋内温度达到 了一定的温度时, 热循环系统就自行关闭一样. 在这时, 第二个错误发生了. 由 于闸门失灵, 这个闸门并没有关闭. 在发动机关闭的一分钟之内, ?三里岛核电站的操作人员正在试图从无数的 红灯, 警报中猜测到底发生了什么事. 虽然根据他们过去受训的经验他们对事故 有一个大概的了解, 但有一个信号使他们误入歧途. 压力释放显示器显示的是命 令状态, 而不是实际状态. 操作人员以为压力释放闸是关闭的.这是第三个关键性 的错误. 同时, 予备的自动保险系统继续工作. 一个紧急水泵自动打开, ?开始向系 统提供系统急需的冷却剂. 在这里, 操作人员做出了一个决定使也许是一个小事 故变成了大灾难. 由于屏幕显示压力已经很高, 释放闸已经关闭, 操作人员决定 自已而不是用机器来控制系统. 他们把紧急水泵关闭了. 这个决定是基于操作人 员的推测系统中的冷却剂太多了而不是太少了. 反应堆得不到急需的冷却剂, 事 故很快就到了不可收拾的地步. 事故的调查表明:第一, 不是某一个失误, 错误, 事件或机器失灵导致这场 事故. 这场事故是由许多因素共同引起的. 第二,? 人的错误是在许多不同的方面 的,从操作人员错误地把紧急冷却剂关闭到设计人员设计闸门的显示器时告诉人 们应当做什么, 而不是闸门当时的状态. 第三, 也许是最重要的, 大量的信息和 复杂的显示形式超过了操作人员内在的, 有限的能力, 如注意力, 记忆力, 决策 能力等. 因此在三里岛事件中与在其他事件中一样, 虽然人的错误是事故的直接 原因, 操作人员本身并没有什么过错, 而是系统的设计者应当受到责备, 因为他 们给了操作人员无法胜任的工作. 这就象在体力劳动中,? ?某一工作要求某人在 某一关键时刻扛起 300 公斤的重物. 当这个人扛不起这个重量时, ?我们能够埋怨这个人没有使出全身的力气吗? 第五节. 国外人类工效学的动向 当前人类工效学在国外的研究和应用领域可以概略地分为三大类: 一. 尖端技术领域中的工效学 随着科学技术的飞跃发展, 人机系统变得越来越复杂, 一些复杂系统的控制, 如飞机的驾驶, 甚至于超过了人的正常工作能力, 人成为系统中的主要制约因素. 如何降低系统对人的要求, 或如何提高人的能力以适应系统的要求, ?是人类工效 学面临的一个严峻挑战. 这方面的主要内容有: 飞机驾驶舱的设计, 脑力负荷的 测量, 系统评价, 核电站控制室的设计, 人在太空中的工作, 生活等问题. 二. 人类工效学与电子计算机 随着电子计算机的推广和普及, 在工业化国家, ?使用计算机的工作人员已 超过其他任何一种机器操作人员的总和. 如何提高人--计算机系统的效率已成为 工效中的一个最集中, 最流行的内容. 在美国的人类工效学年会上, 往往有三分 之一以上的论文涉及到这一主题. 这方面的主要内容包括: 屏幕显示的设计, 键 盘的设计, 操作系统的评论, 计算机工作地的布置, 说话式输入输出的效果等. 三. 生产制造和其他领域的人类工效学 生产领域是人类工效学的一个传统内容, 这方面的主要内容包括: 人体的 测量, 工作环境, 劳动保护与安全, 产品检验, 事故的调查等. 传统的工效学主 要研究生产性产品的设计, 现在也开始研究消费品的设计,? 如如何设计产品的说 明书,使消费者能够安全, 容易地使用消费品. 另外, 人类工效学还涉及到体育, 法律, 警察, 驾驶, 消防等行业. 第六节. 我国开展人类工效学的情况 我国工效学起步较晚, 我国的人类工效学会成立于 1989 年, ?当前有四百余 名 会 员 . 虽 然 起 步 较 晚 , 但 人 类 工 效 学 在 我 国 的 发 展 非 常 迅 速 .1991 年 &&Ergonomics&&杂志发表了中国人类工效学专辑. 1992 年在我国召开了第二届泛 太平洋工效学及职业安全国际学术会议. 但总的来说, 人类工效学在我国开展的 还很不普及, 虽然有兴趣的人不少, 但比较零散, 研究项目有限, 在社会上影响 不大. 正如我们在前面已经指出过的, ?人类工效学的重要性与人的重要性是密切 相关的. 当前由于我们人口过多, 就业压力很大, 人们非常不注意劳动效率, 也 就不重视人类工效学了. 这对人类工效学在我国的发展是不利的. 但我国人民的 生活水平正在迅速提高, 人们将越来越重视自己的工作和生活的质量, 这意味着 人们将会逐渐认识到人类工效学的必要性. 另外, 我国正在逐步进入国际市场. 为了提高我国产品的竞争力, 我们也需要提高劳动效率和降低劳动成本. 这些又是在我国发展人类工效学的有利条件. 因此我们认为, 人类工效学在我国是有着 广阔的前景的. 第二章 人体测量学在日常工作和生活中, 我们天天用到许多东西, 如椅子, 桌子, 各种机器?, 仪器, 工具, 电子计算机等. 在使用这些东西的时候我们发现, 这些东西的物理 尺寸, 如大小, 形状等, 对这些东西的适用性有非常大的影响. 它们不仅影响人 们工作时的舒适性, 也常常影响到人的工作效率, 工作态度, 甚至危害人的安全 和健康. 例如, 某手表厂有一台冲压机床 (冲压中夹板), 坐着操作太高了, 站着 操作太低了, 而且左右开弓, 象跳午一样. 试设想一下每天以不自然的姿式工作 八小时, 进行 3000 次同一操作. 图一是一个机床设计没有考虑人的尺寸的一个典 型例子. 英国学者格尔福德(Guildford)经过计算发现开这个车床的工人的理想 身高应为 137 厘米, 肩宽应为 64 厘米, 手长应为 235 厘米. 显然在现实生活中, 这 样尺寸的人是不存在的. 当正常尺寸的人操作这台车床时, 就不得不委屈自己了. 在日常工作和生活中, 我们可以看到大量这样的例子. 设计机器, 工具, ?工作环境使之符合人的尺寸是人类工效学的一个基本的 内容. 因此我们应当首先了解人的基本尺寸. 测量人体尺寸的一门学科叫人体测 量学. 第一节. 我国成年人的基本尺寸 一九八八年, 我国国家技术监督局在有关单位的协助下, ?在全国范围内对 我国成年人人体尺寸进行了大量的测量, 根据这次测量的结果制定了关于中国成 年人人体尺寸的国家标准. 这些标准适用于工业产品, 建筑设计, 军事工业以及 工业的技术改造设备更新及劳动保护. 表 2-1 和表 2-2 给出了这些标准的主要内 容. 从表中可以看出我国成年男子的中位数高(近似于平均身高)身高是 1.678M, 我国女子的中位数身高是 1.570M.上图: 正常人的尺寸下图: 适合这台机床的人图一 车床操作与人的尺寸.表 2-1 中国成年男子(18-60 岁)人体主要尺寸: 单位: mm 百分位数 1 5 10 50 90 95 99 身高 04 75 1814 体重 kg 44 48 50 59 71 75 83 眼高 95 64 1705 肘高 925 954 968 96 1128 坐高 836 856 870 908 947 958 979 坐姿眼高 729 749 761 798 836 847 868 坐姿肘高 214 228 235 263 291 298 312 坐姿大腿厚 103 112 116 130 146 151 160 坐姿膝高 441 456 464 493 523 532 549 坐深 407 421 429 457 486 494 510 臀膝距 499 515 524 554 585 595 613 胸宽 242 253 259 280 307 315 331 最大肩宽 383 398 405 431 460 469 486 坐姿臀宽 284 295 300 321 347 355 369 坐姿两肘间宽 353 371 381 422 473 489 518表 2-2 中国成年女子(18-55 岁)人体主要尺寸 百分位数 1 5 10 50 90 95 身高 03 59 体重 kg 39 42 44 52 63 66 眼高 88 41 肘高 873 899 913 960
坐高 789 809 819 855 891 901 坐姿眼高 678 695 704 739 773 783 坐姿肘高 201 215 223 251 277 284 坐姿大腿厚 107 113 117 130 146 151 坐姿膝高 410 424 431 458 485 493 坐深 388 401 408 433 461 469 臀膝距 481 495 502 529 561 570 胸宽 219 233 239 260 289 299 最大肩宽 347 363 371 397 428 438 坐姿臀宽 295 310 318 344 374 382 坐姿两肘间宽 326 348 360 404 460 478单位: mm 99 9
299 160 507 495 587 319 458 400 509表中除了身高之外, 还给出了其他 14 个指标. 不同的指标有不同的用途. ? 例如, 设计站立工作时的高度, 就要参考人体肘高尺寸, 设计坐椅时要考虑人的 坐深, 臀宽, 坐姿膝高等. 在这些指标中, 最重要的指标是身高. 这是因为, ?第一身高这一指标本身 经常被直接用到, 如汽车车厢高和门高的设计. 第二, 其他许多指标与身高是相 关的, 例如坐高大约是身高的 0.523 倍, 膝高大约是身高的 0.311 倍, ?另外也可 以粗略地根据与身高的比例来确定设备的高度, 如表 2-3 所示. 表 2-3 设备高度与人体高度之比 编号 定义 设备与身高之比 1 与人同高的设备 1/1 2 设备与眼睛同高 11/12 3 设备与人体竿重心同高 5/9 4 设备与坐高相同 6/11 5 眼睛能够望进设备的高度 10/11 6 能挡住视线的设备高度 33/34 7 站着用手能放进和取出物体的高度 7/6 8 站着手向上伸所能达到的高度 4/3 9 站姿使用方便的台面高度(上限) 6/7 10 站姿使用方便的台面高度(下限) 3/8 11 站姿最适宜的工作点高度 6/11 12 站姿用工作台高度 10/19 13 便于用最大力牵拉的高度 3/5 14 坐姿控制台高度 7/17 15 台面下的空间高度(下限) 1/3 16 操纵用座椅的高度 3/13 17 休息用座椅的高度 1/6 18 座椅到操纵台面的高度 3/17 了解人的基本尺寸是十分重要的. 不仅任何机器的设计应考虑人的尺寸, 许 多消费品的设计也应该考虑人的尺寸. 设计不同的产品时应考虑人的不同部位的 尺寸. 例如各种工具的设计应考虑人手的尺寸, 头盔的设计要考虑人头部的尺寸, ?自行车的设计要考虑人的身长, 手长, 脚长等. 第二节. 人体尺寸的影响因素 人体尺寸是受到诸多因素的影响的. 这些因素可分为两类, ?一类是影响个 体尺寸的因素, 这里遗传是一个最重要的因素. 除非产品是为某一个人生产的, 在这种情况下, 我们应考虑这一个人的尺寸, 如订做衣服. 在绝大多数情况下, 产 品是面向群体的. 在这时候我们应该考虑影响群体身体尺寸的因素. 影响群体身 体尺寸的因素主要有下列几种: 一. 性别性别对群体人尺寸差别的影响也许是最大的. 对比表 2-1 和 2-2 我们可以看 出, 男女之间的平均身高相差为 10 厘米以上. 如果我们按男性 95%?设计的达到 高度将有 50%以上的女性达不到. 有趣的是在消费品的设计中我们常常能够考虑女性的要求, 如女式服装, 女 式自行车, 而在机器的设计中往往忽略了这个因素, 如我们很少听到有女式车床, 女式办公桌等. 这大概是女性在消费品的购买中有发言权, 而在生产性的产品中 没有什么发言权的缘故. 这个问题应当引起重视. 不难想象, 女工在为男工设计 的机床上工作时要费力得多. 甚至可以说女同志坐一天办公室也会比男同志累, 因为现在使用的桌子和椅子的高度更适合男同志的尺寸些. 二. 年龄 人在未成年之前, 身体逐渐增高. 成年后变得基本稳定. ?进入中老年后开 始委缩. 表 2-4 给出了人的身高随年龄变化的情况. 从表中我们可以看出, ?对于 未成年的人来说, 年龄对人的尺寸有很大的影响. 对成年人来讲, 这个影响就很. 一般来说, 年龄对人的力量的影响比对身体尺寸的影响要大得多. 表 2-4 身高随年龄的变化 (cm) 年龄(岁) 女性 男性 1-5 +36 +36 5-10 +28 +27 10-15 +22 +30 15-20 +1 +6 20-35 0 0 35-40 -1 0 40-50 -1 -1 50-60 -1 -1 60-70 -1 -1 70-80 -1 -1 80-90 -1 -1 三. 国家 各国之间人的尺寸之间的差别也是很大的. 表 2-5 给出了几个有代表性国家 人的平均高度. 表中美国人平均身高最高 (1.77), 其次为原苏联. 日本人最低 (?1.67M), 其次为中国. 日本人与美国人之间相差达 10 厘米. ?日本人最初出口 到美国去的车子是按日本人的尺寸设计的, 结果带来许多问题, 如离合器踏板与 刹车踏板之间的距离对大多数日本人来说是合适的, 但对许多美国人来说这个距 离就太近了, 因为美国人的脚要大些. 许多美国人在踩离合器的同时也踩着了刹 车. ?现在日本出口到美国的车都按美国人的尺寸进行设计. 我国的产品如果要走 向世界,?必须得考虑这个问题.表 2-5 几个国家的男子平均身高(mm)国别 美国 身高 1772 四. 地区原苏联 西德 英国 瑞典 法国 意大利 中国 日本 53 10 我们幅员辽阔, 地区与地区之间人体的尺寸也有差别.表 2-6 给出了我国六 个区域人的平均身高. 从表中可以看出, 我国东北地区和华北地区的人较高, 男 子平均身高为 1.693 米, 女子为 1.586 米,而西南地区的人身材较矮, 男子身高这 1.647 米, 女子平均身高为 1.546 米. 两区域之间对应值相差 4-5 厘米. 表 2-6 我国六大区域人体身高 (单位: mm) 东北,华北
西北 东南 华中 华南 西南 69 75 49 1546男子 女子 五. 时间随着生活水平的提高, 人的平均高度也在增长. 我们都感到现在的年轻人 比过去的人要高. 在这方面, 日本人的变化更明显. 据统计, 过去三十年, 日本 人的平均身高增加了八厘米之多. 我国国家技术监督局的统计结果表明我国的青 少年的身高也有一定的增长, 虽然增加的幅度不是太大. 第三节 人体尺寸的统计指标 一. 概率分布 我们一般假定, 人体尺寸的某一指标服从正态分布. 正态分布的分布函数 为:其中 , 为常数, 分别是这一指标的均值和均方差. ?正态分布也被通俗地 称为钟型分布, 其形状如图 2-2 所示. p │ │ │ │ │ │ │ └──────────── X图 2-2. 二. 平均值正态分布图平均值又被简称为均值, 是数理统计中最常用的指标之一. 用统计学方法 计算的平均数, 能说明事物的本质和特征, 可用来衡量一定条件下的测量水平和 概括地表现测量数据的集中情况. 平均值在人体测量学和人类工效学中占有重要 的地位, 我们的许多设计标准就是根据平均值确定的. 三. 均方差 均方差, 又被称为标准差, 表明一系列变数距平均数的分布情形. 方差变 化大表示各变数分布广大, 远离平均数, 方差小, 表示各变数接近平均数. 方差 常用来确定某一范围的界限. 对于服从正态分布的随机变量, 如人体的某一个尺 寸, 方差与其对应的区域或概率之间的关系为: 表 2-7 正态分布方差与概率的关系 方差 概率 1 0. 0.90 2 0..9987 从表中我们可以看出, 在平均值一个方差之内的概率为 0.68, 即大约有三 分之一的值落在距均值一个方差之内, 而 99.87%的值都在三个方差之内.? 一般 说来,当我们知道了方差之后, 就可以根据方差求出对应的概率. 例如, 假定某一 测量的均值是 1.50, 方差是 0.5, 欲求可以满足 90%的人的区间. 我们很快可以 求出, 这一区间是 1.5-1.65*0.5, 1.5+1.65*0.5, 即(0.675, 2.325). 四. 百分位数 百分位数是指一个随机变量(某一人体测量尺寸指标)低于某一给定概率处 的值 . 这是一个在设计中经常用到的概念. 在设计中常用到的百分位数是 90%, 95%, 分别表示 90%和 95%的使用者可以达到. 在这里我们应当特别注意是单侧百 位数还是双侧百位数的问题. 例如双侧 95%对应于 1.95 , 而单侧 95%对应于 1.65 . 第四节. 设计中可采取的方案 在设计时使用人体尺寸时有五种方案可供采用: 一. 按人体尺寸的分布. 对于大量生产的机器, 工具和消费品等, 可以按照人的尺寸的分布来进行 设计.例如人的衣服和鞋子就是按人的尺寸的分布来决定各种尺寸各生产多少的.?使用这种方法, 生产和管理费用较高, 除非是需求量很大, 否则经济上是不合算 的. 在经济上可行的情况下应尽量按人的尺寸的分布来进行设计, ?因为这样可以 把使用时的不适降到最低限度. 二. 按人的平均尺寸设计 当过大过小, 或过高过低都会造成使用不方便时,? 这时可按平均尺寸设计, 这样可以把不适应的人减少到最低限度. 当被设计物可以调整时, 最初状态也可 按人的平均尺寸设计. 例于厨房切菜工作面的设计可按人的平均尺寸设计. 不可 调整的椅子或可调整椅子的最初状态, 也可按人的平均尺寸设计. 三. 按某一百分比设计 这里有两种情况. 当设计不当只会给一个极端的人带来不利时, 可按单侧 百分比来设计,. 例如门框高度的设计. 门框设计高了对矮个子人没有影响, ?但 门框设计低了对高个子人有影响. 故门框的设计可考虑单侧百分比, 比方说 95% 来设计. 按照这一方案, 95%过门的人进门时没有问题, 只有 5%较高的人进门时 需要低头. 一般设计中最常用的百分比是 95%, 也常用较高的标准, 99%. 当某一设计会给两个极端的人都带来不利时, 应按双侧百分比来设计. 例 如可调整高度的椅子设计. 若调整区间有限, 那么就可以考虑满足中间一部分人, 如 95%的人的要求, 这时我们就应根据双侧百分点来设计, 最高的 2.5%和最矮的 2.?5%就被排除之外. 四. 按某部分人设计, 为另一部分人提供调整 当设计对某一极端的人的不利影响可以通过调整来消除, 而对另一部分人 的不利影响无法消除时, 我们可以按后一类人的尺寸进行设计,为前一类人提供 调整. 例如, 对于桌子高度的设计, 我们可以按高个子进行设计, ?而给矮个子提 供脚踏板. 如果按矮个子设计, 高个子的脚就没有地方放. 五. 为某些特定的人设计 对于某些非常昂贵的系统, 我们可以根据特定的使用者来设计, 这样可以 在保证使用方便的同时降低制造成本. 例如飞机驾驶舱就是根据驾驶员的身体尺 寸设计的. 第五节 设计程序 一. 确定设计对象和目标 在设计中我们首先要考虑的是设计的对象和所要达到的目的, 是设计一辆 自行车, 一个机床, 还是一个椅子? 若是设计一个椅子,?那么设计这个椅子的目 的是什么, 是一个豪华型的椅子, 还是一个大众型的椅子. 若是豪华型的椅子, 我 们的各项尺寸就可以定的松一些. 若是大众型的椅子, 从成本的角度出发, 我们也许应把尺寸定得稍紧些. 二. 确定使用对象 我们已经看到不同类的人的尺寸差异是比较大的, 因此我们在设计中就应 该考虑使用对象: 谁将使用这一产品? 是男的还是女的, 是老的还是少的, 是在 国内销售还是出口, 若出口, 到哪个国家? 一件产品对某一类的使用者是适合的, 对另一类使用者可能就是不合适的, 如我们上面已经提到的日本汽车出口到美国 的例子. 三. 确定相关的人体尺寸 不同的产品涉及到人体的不同的尺寸.? 如各种劳动工具涉及到人手的尺 寸.在设计座椅时, 我们要考虑到人的膝高, 坐深, 臀宽, 坐姿肘高等. 这些尺寸 的重要性也是不同的, 有时甚至是相矛盾的, 这需要在设计时统筹考虑. 四. 决定极限百分比 这是我们上面已经讨论过的设计方案问题. 是按平均尺寸设计? 还是按高 个子或矮个子设计? 这需要根据具体的产品来定. 设计中常用的两个百分度是 90%?和 95%. 随着人们生活水平的提高, 现在提倡尽量提供可调整的产品, ?如可 调整高度的椅子等, 当然, 这样制造成本就增加了. 五. 根据查表或测量确定所需要的数据 人体尺寸数据在各类设计手册中可以查到, 一般的手册都给出均值和均方 差. 这时我们可以根据正态分布的假定, 算出设计要求对应的百分比度. ?若设计 手册中没有设计中的涉及的人口分布的数据或没有设计中涉及到的尺寸, 那么就 只有通过实际测量的方法获得需要的数据. 用实测的方法, 数据的适用性增加, 但时间和费用也增加. 当涉及到的人数量很大时,可能不得不只对有限的样本进 行测量, ?这时就应该用统计的方法控制样本的偏差. 六. 向有关设计人员提供数据 获得了需要的数据后, 可向产品的硬件的设计者提供数据. 产品的设计者 也许会根据技术要求对某些数据提出修改意见. 一般说来, 在硬件的设计者与人 类工效学专家的意见相左时, 后者往往处于不利地位, 但让硬件设计者事先知道 人类工效学方面的建议比在产品生产出来以后才发觉有问题还是要好得多. 当产 品的设计者把产品设计出来之后, 让他为了使使用者操作起来更方便而修改整个 方案几乎是不可能的, 这不仅使成本增加, 也影响设计人员的自尊心. 相反, 在 设计的初级阶段, 让设计人员注意产品的使用方便问题是不难的. 因为这样设计 出来的产品, 不会增加产品的成本, 而且若使用方便, 设计者也会感到十分高兴. 所以重要的是人类工效学者的意见应尽早地让设计人员知道. 氖?莼蛎挥猩杓浦猩婕暗降某叽*, 那么就只有通过实际测量的方法获得需要的数据. 用实测的方法, 数据的适用性增加, 但时间和费用也增加. 当涉及到的人 数量很大时,可能不得不只对有限的样本进行测量, ?这时就应该用统计的方法控 制样本的偏差. 六. 向有关设计人员提供数据 获得了需要的数据后, 可向产品的硬件的设计者提供数据. 产品的设计者 也许会根据技术要求对某些数据提出修改意见. 一般说来, 在硬件的设计者与人 类工效学专家的意见相左时, 后者往往处于不利地位, 但让硬件设计者事先知道 人类工效学方面的建议比在产品生产出来以后才发觉有问题还是要好得多. 当产 品的设计者把产品设计出来之后, 让他为了使使用者操作起来更方便而修改整个 方案几乎是不可能的, 这不仅使成本增加, 也影响设计人员的自尊心. 相反, 在 设计的初级阶段, 让设计人员注意产品的使用方便问题是不难的. 因为这样设计 出来的产品, 不会增加产品的成本, 而且若使用方便, 设计者也会感到十分高兴. 所以重要的是人类工效学者的意见应尽早地让设计人员知道.第三章 人体的肌肉系统 在日常生活和工作中, 我们经常需要使用力气. 如在搬运东西时, 我们需要 手, 腿, 或肩膀使劲. 既使在站立不动时, 我们的脚和大腿也在用力, ?否则我们 就站不住.人体的力量是由人的肌肉系统提供的, 为了在工作时省力, 或不至于劳 累过度, 我们需要了解人体的肌肉系统. 第一节 生物原理 一. 肌肉的结构 人能够运动是因为有分布在全身的肌肉, 它差不多占人身体总重量的?40%. 每一块肌肉又是由许多肌肉纤维组成的. 有的肌肉纤维只有 5 毫米长, 而有的则 可长达 140 毫米. 肌肉纤维的半径在 0.1 毫米左右. ?一块肌肉包含十万到一百万 这样的纤维. 纤维的终端组成一块肌肉筋. 长肌肉纤维有时是成串地连接在一起 的?. 在每个肌肉的终端, 肌肉筋联在一起形成一个硬的, 无弹性的肌肉键, ?肌 肉键是紧贴在骨骼上的. 肌肉的一个最重要的特点是它可以缩短到正常尺寸的一半左右, 这种现象 我们称之为肌肉收缩. 肌肉收缩的功率随着肌肉长度的增加而增加. ?肌肉纤维含 有蛋白质,蛋白质中肌动朊和肌浆球蛋白的作用是十分重要的, 因为正是它们的 收缩而带动肌肉收缩的. 在肌肉收缩的过程中, ?肌动朊纤维据认为缩进肌浆球蛋 白之间的, 如图 3-1 所示. 每个肌肉纤维收缩时都有一定的力量, 一块肌肉的力量是这些肌肉纤维力 量的总和. 人的肌肉的最大力量介于 0.3-0.4N/mm2 之间, 因此截面积为 100mm2? 的肌肉可以支持 3-4 公斤的重量(30-40N). 这样一个人的潜在的力量首先取决于 他的肌肉的截面积. 经过相同的训练, ?一个女子由于肌肉较小可以施展的力大约 比一个男子少 30%.肌肉在它开始收缩时力量最大, 以后随着肌肉的缩短力量也开始减弱. │ │ ├─── ─────┤ │ ━━━━━━━━━ │ ├─── ─────┤ │ ━━━━━━━━━ │ ├──── ─────┤ │ 图 3-1. 肌肉收缩示意图 │肌动朊纤维肌浆球蛋白二. 能源的来源 在肌肉的收缩过程中, 机械能的产生是由消耗肌肉中贮存的化学能转化来 的, 肌肉工作实际上是一个化学能向机械能转化的过程. 能量的释放是由于肌动 朊纤维和肌浆球蛋白中的蛋白质分子发生的化学反应而引起它们位置的变化, ? 产生收缩. 收缩的直接能源是在化学反应中含有丰富的磷酸脂由高能状态变为低 能状态. 肌肉内的大部分能源来自于三磷酸腺苷(ATP), ?当它转化成二磷酸腺 苷时释放出大量的能量. ATP 不仅存在于肌肉中,? 差不多存在于所有的生物组织 的纤维中,作为一种随时可以释放能量的贮备. 肌肉纤维中的另一个化学能源是 磷肌酸, ?它分解成磷酸和肌酸时能释放同样重要的能量. 低能磷化物在肌肉内不断地转换成高能状态, 这样肌肉内贮存的能量才不 会下降, 这是自然界的一个奇迹, 就相当于用完了的汽油又变成了汽油. ?但是这 种高能磷化物的再生自身也需要能源. 这种能源是从葡萄糖, ?脂肪中的元素和蛋 白质得到的. 在剧烈的, 大量的体力劳动中, 葡萄糖--血液循环里最重要的糖--? 是主要的能源供应. 在休息或中等强度的劳动时, 脂肪中的元素(脂肪酸)?和蛋白 质是主要的能源供应. 因此, 葡萄糖, ?脂肪和蛋白质这些营养物质是间接的能量 来源, 为了使 ATP 和其他能源丰富的磷化物的贮存得到不断的补充. 葡萄糖从血液中进入细胞, 在细胞中被转化成外消旋酸. 从这里, 化学分解 将沿着两个方向进行, 取决于氧的供应是否充分. 如果氧气充分, ?外消旋酸在氧 化的过程中被分解, 产生水和二氧化碳, ?这可以释放足够的能源以重新组成大量 的 ATP. 如果氧气不充分, 正常的外消旋酸的分解便发生不了, 相反,?它被转换成乳 酸. 乳酸是新陈代谢中的一种废物, 它使人产生肌肉疲劳和酸疼的感觉. ?这个过 程中只释放少量的能源帮助高能磷化物的重新组结. 在剧烈的运动时, 人们有时感到呼吸不过来. 这实际上是他想通过大量的呼 吸来弥补氧气的不足, 他想偿还他的&氧负债&. ?这个氧负债是由于已经发生的大 量的能量的消耗引起的, 需要额外的氧气以把乳酸换回成外消旋酸, ?重新构造高 能的磷化物. 当这个过程完成以后, 能源可以重新从氧化外消旋酸获得. 图?3-2 是一个简化了的肌肉能量供应图.图 3-2. 肌肉的能量供应图 正如前面已经提到过的, 蛋白质和脂肪也包括在这些新陈代谢中. 当这些物 质的分解达到某一阶段时, 它们产生的脂肪酸和氨基酸然后也会与外消旋酸一样, 经过进一步的分解变成水和二氧化碳,这最后一个阶段也产生肌肉运动所需要的 能量. 产生能量的重要源料--葡萄糖和氧--在肌肉中只贮存了很少一部分, 因此 它们需要不断地从血液中得到补充, 因此是血液的供应最后限制着肌肉运动的效 率. 在一块肌肉处于运动状态时, 它对血液的需要量增加了好几倍. ?为了满足这 个需求, 血液循环系统开始发生一些变化: 心跳加快而且有力, 血压增加, ?通向 肌肉的血管开始扩张. 下表是斯切尔(Scherer)发现的人的肌肉在不同状态下的 血液的循环量. 表 3-1. 在不同状态下肌肉的血液供应量 静止时 4 毫升/分钟/100 克肌肉 中等劳动 80 毫升/分钟/100 克肌肉 重体力劳动 150 毫升/分钟/100 克肌肉 三. 肌肉运动中的电现象 人们很早就发现肌肉在收缩过程中伴随着电现象, 这与神经中的脉冲产生 的电现象是相似的. 最近几十年, 由于非常先进的生物电子设备的应用, ?关于肌 肉电现象的研究也比较详细了. 我们可以把这些研究结果归纳如下: (1) 静止时肌肉纤维有一个 90 微伏的电位--被称为静止膜电位. 肌肉纤维 的内部相对于外部带有负电. (2) 肌肉开始收缩时, 静止电位迅速消失. 肌肉纤维的内部开始带正电. 这 个电位被称为行动电位. ?我们称之为行动电位是因为这个电位是在神经行动的 同时产生的. 肌肉中的行动电位大约持续 2-4 毫秒, 然后以每秒 5?米左右的速度 沿着纤维方向沿伸. (3) 行动电位的产生包括肌肉纤维膜的去极和重新极化两个过程. 在这期间, 肌肉不可以被新的神经命令所刺激起来, 所以这段时间又被称作绝对不应期, 这 段时间持续大约 1-3 微秒. 与神经系统相似, 肌肉纤维的去极和重新极化包含着 钾离子和钙离子的反向运动. 肌肉的电现象可以通过放大器, 以皮电图的方式记录下来. 肌肉的电流可以 及在肌肉所在的皮肤表面贴上电极来测量. ?另一种不很常用的方法是将一根电 极针插到肌肉内, 这样就可以测量某一单个肌肉的情况. ?在皮肤表面的电极测的 是整块肌肉的电现象. 这种方法使用两个面积为 100 平方毫米的电极, 两个电极 分开几公分贴在皮肤上. ?皮电图测量仪通常还要将两个电极输出的结果进行合 成和放大. 这种方法到目前取得的结果还比较有限, 因为使用不同的电极和在 不同的试验中得出的结果到目前还不一致. 尽管如此, 皮电图显示了当肌肉活动 增加时?, 对应的电活动也增加了, 这对于调查人在不同的姿式下的肌肉负荷情况 特别有用.第二节 一. 静负荷的概念及特性静负荷肌肉的负荷可以分为两种形式. 一种是动态的(节奏性的)负荷, 简称为动负 荷. 一种是静止不动的负荷, 简称为静负荷. 图 3-3 给出了这两类负荷的例子. 转 动手轮属于动负荷的例子, 而把手伸出持住一重物则属于静负荷的例子. 这两种形式的肌肉负荷可以描述如下: (1)动负荷的特点是收缩, 伸展, 紧张或放松交替地进行. (2)反过来, 静负荷的特点是肌肉长期处于收缩状态. ?这通常发生在保持某 一姿式不动. 在动负荷的情形下, 负荷可以由肌肉缩短的长度与所施展的力的乘积来表 示. 在静负荷状态下, 肌肉没有伸展, 而是保持在一个较高的紧张状态, 力要保 持相当的时间. 在静负荷时, 没有看得见的功, 也不能用重量*距离来测量. 这很 象电磁铁. 电磁铁为了吸住一定的重量要消耗大量的能量, 但外表好象没做有用 的功. 动负荷与静负荷显然有根本的不同. 在静负荷中, 血管被肌肉组织内部压力 所压迫, 所以血液不再流入肌肉. 相反在动负荷中, 正如走路一样, ?肌肉的作用 就象是血液循环系统的水泵一样, 收缩时把血液压出肌肉, ?紧接着的松驰又把新 的血液带到肌肉中来. 由于这种方法, 血液的供应比平时大好几倍. 事实上, ? 肌肉可能接受比平时大 10-20 倍的血液. 因此在动负荷情况下, 肌肉有充分的血 液供应, 始终保持着高能状态的糖和氧, 同时废物被随时带走. 而在静负荷状态 下?, 肌肉从血液中得不到足够的糖和氧, 不得不依赖于自己的贮存, ?而且更为 不利的是废物不能被排出. 这些废物积累起来, 形成我们所感觉到的肌肉疲劳和 酸疼.休息时动负荷静负荷需要的 供应的 血液 血液需要的 供应的 血液 血液需要的 供应的 血液图 3-3. 动负荷与静负荷 由于这个原因, 在静负荷状态下, 我们不能保持工作很长一段时间. ?疼痛 的感觉将迫使我们放弃这项工作. 相反, ?一个动负荷可以保持很长一段时间而不 感到疲劳, 条件是我们选择一个合适的节奏. ?在人体中只有一块肌肉事可以不停 地工作而不被损坏和感到疲劳. 这就是心脏的肌肉. 二. 静负荷的产生 在日常生活中, 我们的身体不得不经常承受静负荷. 例如当我们站立时, 我 们的大腿, 臀部, 背部和颈部的许多肌肉都处在静负荷之下. ?正是由于这些静负 荷, 使我们的身体可以保持许多不同的姿式. 当我们坐下时,我们腿部的肌肉得到 了解放, 身体的整个静负荷都得到了减弱. 当我们躺下时, ?我们身体内的所有静 负荷差不多都消失了, 这就是为什么躺着式是最好的休息方式. 在静负荷与动负 荷之间并没有明显的界线. 通常某个特定的工作一部分是静态的, ?一部分是动态 的. 由于静负荷比动负荷更艰难, 在混合负荷情况下, 静负荷有更大的重要性. 一般而言, 在下列情况下应考虑静负荷的影响: (1) 使用很大的力持续 10 秒钟以上. (2) 使用中等程度的力持续 1 分钟以上. (3) 轻度的力(人的最大力的三分之一左右)持续 4 分钟以上. 几乎所有的工厂, 所有的职业都有静负荷的因素. 下面是最常见的例子: (1) 向前或向侧面弯腰的工作. (2) 用手握住东西不动. (3) 把手向前水平地伸出. (4) 一只脚踩踏板时把身体的重量都放在另一条腿上. (5) 在一个地方站着不动很长一段时间. (6) 推或拉很重的物体. (7) 把头向前或向侧面弯得很厉害. (8) 把肩膀抬起很长一段时间. 一般说来, 姿式不自然是一种最常见的静负荷. 三. 静负荷的影响 在静负荷时, 血液流动所受到的阻力与静负荷的值是成正比的. 当这个负荷 达到了肌肉的最大力的 60%时, 通向这块肌肉的血液差不多完全被阻断. 在负荷 较低时, 一定量的血液循环还是可能的, 因为这时肌肉的紧张程度要低些. ?当负 荷低于最大力的 15-20%, 血液流动基本正常. 显然, 肌肉产生的力量越大, ?即 肌肉的紧张程度越高, 肌肉就越容易疲劳. ?这种关系可以用肌肉可收缩的最长时 间与肌肉产生的力之间的关系来表示. 莫罗德(Morod)研究了这两者之间的关系,其结果如图 3-4 所示: 从图 3-4 中我们可以看出, 当肌肉产生的力达到其可能产生的最大力的 50% 时, 肌肉的收缩可持续不到 1 分钟. 当肌肉产生的力不超过最大力的 20%, ?肌肉 的收缩可持续相当的时间. 但是其他许多研究发现, 为最大力 15-20%?的静负荷 若持续许多天或几个月, 也会引起肌肉的疼痛, 所以许多专家们认为, ?如果静负 荷不超过最大力的 8%, 那么人可以每天工作几个小时而不感到疲劳. │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ └─────────────── 图 3-4. 肌肉产生的力与最大持续收缩时间 在大致相当的条件下, 相对于动负荷, 静负荷导致: (1) 更高的能量消耗; (2) 心跳的增加; (3) 需要更长的恢复疲劳时间. 这是很容易理解的,? 如果我们注意到一方面没有充分的氧气参加新陈代谢, 因而释放较少的可以重新产生高能磷化物的能量, 另一方面产生了大量的乳酸?, 乳酸干扰肌肉的工作. 供氧的不足在静负荷下是不可避免的, ?这也将不可避免地 降低肌肉的工作效率. 图 3-5 是一个很好的静负荷增加人的能量消耗的例子. 玛荷特(Malhotra) 等发现学校的学生把书包提在手里比把书包背在背上所消耗的能量要多一倍多, ?这增加的氧耗是由于用手提书包时, 手臂, 肩膀和躯干所产生的静负荷所致. ? 图 3-?6 是一个静负荷使心跳增加的例子. 荷汀格(Hettinger)发现, 把土豆蓝子 拿在手时比挂在肩上心跳要高 14 次/分钟. 这一蓝子土豆的重量占人的左手最大 力的?38%. 他结论道, 心跳的加快完全是由于左手的静负荷引起的. 静负荷使肌肉产生疲劳, 这种疲劳可以慢慢地发展成不可忍受的疼痛.?如 果人的身体的某一部分每天都承受相当的静负荷, 经过较长的一段时间, ?人就会 或多或少地感觉到疼痛, 这不仅涉及到肌肉, 也涉及到骨骼, 关节, ?肌肉键及身 体的其他结构. 这一类问题我们用肌骨失调来统称.一些调查研究已经表明静负荷与下列疾病是相关的: (1) 关节浮肿; (2) 肌肉腱销浮肿; (3) 肌肉腱节点附近发炎. (4) 关节的坏死, 慢性关节炎. (5) 肌肉抽筋; (6) 脊椎毛病. 肌骨失调可以是可矫正的, 也可能是永久性的. 可矫正的肌骨失调的症状是 短暂的. 这种疼痛位于某一肌肉或肌肉腱, 当负荷撤消后, 疼痛就消失了. ?这属 于疲倦性疼痛. 永久性的肌骨失调也位于受压的肌肉和腱, 但也影响到邻近的关节和其他 组织. 当外部的负荷消失之后, 疼痛并不消失, 而是继续存在. 根据冯.瑞利(?van Vely)的调查, 永久性的肌骨毛病对一年到头操作同一机器, 或手工操作, ?但工 作台太高或太矮的老工人中很常见. 静负荷可能导致的毛病归纳在表 3-2 中: 表 3-2. 静负荷与肌骨疼痛 工作姿式 站在一个地方 坐着没有背靠 坐椅太高 坐椅太低 站着或坐着时躯干前倾 手臂向前或向侧面伸出 过度地向前或向后低头 手不自然地抓起东西可能影响的部位 小腿, 大腿, 静脉血管 背部的肌肉 膝盖, 小腿, 脚部 肩膀, 脖子 腰椎附近, 脊椎 肩膀, 手臂, 肩关节 脖子, 脊椎功能的下降 手臂, 可能引起肌肉腱的发炎第四章 人的神经系统 第一节 人的神经系统 一. 神经系统的结构 人的中枢神经系统包括大脑和脊髓. 人的周身的神经要么是从脊髓到肌肉(运 动神经), 或者是从皮肤肌肉感觉器官到脊髓或大脑(感觉神经). ?感觉和运动神 经与他们以及与它们相联系的神经通道和中心在脊髓和大脑组成了躯体的神经系 统. 这个系统把人的生物体与外界世界通过感觉和知觉和反应连接起来. 与这个系统相对应的是内脏或自动的神经系统. ?这个系统控制所有的内部 器官: 血液循环, 呼吸器官, 消化器官, 腺等等. 内脏神经系统因此管理着对人 的生命十分重要的内部结构. 完整的神经系统由成百万的神经细胞组成, ?每一个神经细胞元有一个细胞 本身和一个相对较长的神经纤维组成. 细胞本身是一毫米的千分之几, 而细胞纤 维可能比一米还长. 图 4-1 显示了一个神经细胞的构成.二. 神经的功能 神经系统本质上是一个控制系统. 它控制着外部的和内部的运动, ?并监视 着各种感觉器. 一个神经细胞的工作取决于它对刺激物的敏感性和它把一个刺激 物沿着神经纤维传递的能力. 当一个神经细胞受到刺激产生的脉冲沿着神经纤维 送到工作中的器官. 这个器官也许是一块肌肉纤维, 也许是其他东西. 神经脉冲具有电波的性质, 神经并不是&电话线&被动地传送脉冲, ?一个神 经脉冲是一个活跃的过程, 自动产生, 消耗能量, 更象一个保险丝或一个慢导火 线.?与保险丝不同的是神经纤维用过之后并没有死, 在零点几秒之内, 它可以再 生. 在经过所谓的恢复期, 它又可以接受信号. 神经纤维不能输送连续的直电流, 而只是单个的脉冲, 在两个脉冲之间有短暂的间隔. 对于不同的神经, 传递速度 是很不相同的, 运动纤维的速度是每秒 70-100 米, 其他纤维的传送速度是 12-70 米/秒之间. 三. 神经脉冲的性质 神经脉冲是什么: 与肌肉纤维一样, 神经纤维有一个休息膜电位. 在休息时, 膜细胞是被极化的, 在外部主要带正电, 在内部主要带负电, 膜去极的过程就产 生神经的脉冲. 在去极过程之前的电位是-70 毫伏, 去极过程中电位变为+35 毫 伏,?然后去极过程结束, 重新极化过程开始, 直到达到-70 毫伏的电位, ?细胞可 以开始下一次脉冲. 在细胞膜极化和去极过程是产生的电波叫行动电位, ?这就 是神经脉冲的所在内涵. 四. 行动电位的原因 因此神经电位是极化和去极过程中的一个电波, 它沿着神经纤维以每秒 12-20 米的速度前进. 打破静态电位的去极过程的产生是由于细胞膜的渗透性的 突然变化, 使得带正电的钙离子可以进入神经纤维的内部, 几乎是同时, 神经纤 维内部带正电的钾离子也向外运动, 但由于钾离子的数量小于钙离子的数量, 所 以使细胞内部带正电离子的急骤增多. 正是这些电离子的运动产生了去极过程的 行动电位. 在紧接着的重新极化过程中, 这些带电的离子向相反的方向移动, ?钙离子 向外, 而钾离子向内. 我们回到了出发点, 神经膜的初始电位得到恢复. 这一机 械过程被称为钙, 钾离子水泵. 这并不是人的神经元所特有, 几乎所有的生物细 胞都有这一特性. 这一机械水泵所需要的能量是由 ATP 提供的. ?钙和钾离子的运 动是神经能够对刺激物作出反应并产生脉冲的一个基本条件. 神经系统也需要能 源, 主要是保持神经膜的电位. 这个能源是由 ATP 产生的. 当神经处于活动状态 时, ?它的新陈代谢活动差不多增加了一倍, 但与骨胳肌肉在收缩时的能量相比, 这个增加量是很小的, 在肌肉活动时, 新陈代谢增加十倍. 五. 肌肉的神经分布每一块肌肉都是通过两类神经系统与大脑这一控制中心连在一起的. ?这两 类的神经是: 传出也叫运动系统, 传入也叫感觉系统. 运动神经把神经脉冲, 在这种情况下是运动命令, 从大脑带到骨胳肌肉, ? 在这里它们带来收缩或其他运动指令. 在一块肌肉内, 这个神经被分成几个纤维, 每一个纤维与几个肌肉纤维连在一起. 每一个运动神经细胞与它们所在的肌肉纤 维一起组成一个运动单位, 在做比较精密的技术性工作时, 每个运动单位只有 3-6 个肌肉纤维, 而在做重体力工作的肌肉中, 一个神经元也许会分布在 100 个 肌肉纤维上. 在运动神经细胞的末端, 神经纤维的膜变厚. ?这里就是运动脉冲从神经纤 维跳到肌肉纤维的地方. 这也是行动电位最终引起肌肉收缩的地方. 感觉神经把肌肉的脉冲带到中心神经系统, 或是脊髓, 或是大脑. ?感觉脉 冲是信号的承担者, 它或者被中心神经系统用来指挥肌肉系统, 或者是被作为信 息被贮存起来. 一种特殊的接收器官被称为肌肉纺锤体, 与肌肉纤维平行, ?在肌肉腱的两 端终止. 肌肉纺锤体对肌肉的伸展很敏感, 并把这类信号送到脊髓. 感觉反应的另一个器官是戈尔基器官, 这个器官包含有一个网状的神经节, ?这些神经节依附在肌肉腱上. 每当肌肉腱受到压力时, 戈尔基器官就把压力感觉 脉动送到脊髓. 在脊髓, 感觉脉冲通过一个中间神经元传到肌肉神经, ?这样新的脉冲返回 到肌肉. 这种由感觉神经传入然后又由运动肌肉神经传出到同一肌肉的系统被称 为反射弧. 这样的反射弧使肌肉的紧张与肌肉的长度不断地相互调整, 肌肉纺锤 体和戈尔基器官是这个调节系统的探测器. 其他的感觉系统把肌肉脉冲送到脊髓内的第一级神经细胞, ?然后到大脑中 的第二级中介细胞, 最后达到大脑皮层, 在这里传入的脉冲最终被转换成为感觉, 这也是肌肉产生的疼痛怎么感觉到的. 第二节 人的视觉系统 世界是丰富多彩的, 而我们是通过眼睛感受到这个丰富多彩的世界的. ?在 日常工作和生活中, 我们获得的信息大约 85%都是通过我们的视觉系统获得的. ? 因此了解人的视觉系统, 对于提高人的工作效率是有帮助的. 一. 人的视觉器官 视觉器官的外周感受器是眼睛. 人的眼睛的特点是神经细胞高度发达, ?具 有完善的光学系统以及各种使眼睛转动并调节光学装置的肌肉组织. 人的眼睛的外形接近于球形, 所以也常被称为眼球. ?眼球被一层被称为眼 球壁的一层组织包围. 眼球壁由巩膜, 脉络膜和网膜组成. 巩膜在眼球壁的最外层, 呈白色, 它主要起着巩固, 保持眼球的作用. ?巩 膜前面的透明部分叫角膜, 它好象是眼睛的玻璃窗户, 光线从角膜射入眼内. 脉络膜紧巾贴着巩膜. 脉络膜包含有丰富的血管和色素, 起着输送养料, ? 滋养眼睛的作用. 脉胳膜的最前面的环状部分为虹膜, 虹膜中央有一个小圆孔, 叫做瞳孔. 瞳孔的缩小和扩大, 控制进入眼内的光量, 起着照相机上光圈一样的作用. 虹膜后面为水晶体, 透明而有弹性的组织, 象一双凸透镜. ?它的边缘有悬 韧带, 把水晶体联系在睫状肌上. 睫状肌的收缩和放松, 可以控制水晶体的曲度. 角膜与虹膜之间的空间为前房, 位于虹膜和水晶体之间的空间被称为后房. 水晶 体的后面的空间充满着叫玻璃液的液体. 角膜, 水晶体, 水样液和玻璃液组成了 整个眼睛的折光系统. 它们使得物体射出来的光线发生折射而成象. 眼球壁的第三层为视网膜, ?人的视网膜中央计有一亿三千万个杆细胞和七 百个左右的锥细胞, 它们沿着视网膜的分布是不均匀的. 在视网膜中央的黄斑部 位和中央凹附近只有锥细胞, 几乎没有杆细胞. 在黄斑以外, 杆细胞增多, 而锥 细胞数量则减少. 杆细胞的特点是对弱光有高度的感受性, 含有夜视所需要的视紫红质, ?对 弱光反应灵敏, 但它不能感受颜色, 对精细的辩别也没有多大的贡献. 锥细胞不 仅能感光(在强光下发生作用), 并且能产生色觉, 辩别细节, 含有强光视觉所需 要的视紫蓝质. 杆细胞和锥细胞有着不同的视觉功能. 杆细胞是暗视觉器官, ?而锥细胞是 明视觉器官. 视网膜不同部位的视觉敏锐度的变化是与锥细胞的分布情况一致的. 中央凹的锥细胞密度最大, 所以中央凹视敏感最高. 在微光视觉中, 中央凹对微 光的反应很差, 类似夜盲, 微光视觉主要是由杆细胞发生作用. 二. 视觉的产生 光线经过角膜进入眼球, 经过水样液, 再经过虹膜 . 虹膜的瞳孔随着光线 的强度变化其口径大小, 起着光圈的作用. 然后光线通过水晶体和玻璃体而到达 视网膜. 水晶体和玻璃体都 有不同的折射率, 使视网膜得到清晰的象. ?眼睛的 感光系统就是视网膜. 它犹如照相机中的底片. 视网膜的功能是由感光系统传入 的光线进行能量转换, 将光能变成化学能, 再将这部分能量由视神经转化成生物 电能送入至双极细胞, 经神经节细胞传至视交叉. 在视交叉处, 两 ?眼视网鼻侧 一边的神经纤维 与对侧眼睛颞侧视网膜的神经纤维汇合形成视束, 上行至对侧 膝状全. ?神经纤维 在膝状体换元后再投射到大脑皮质视区. ?加一些神经纤维在 视交叉处进行顶盖区和上丘, 它们与瞳孔反射及眼动有关. 一般认为, 从视网膜 到皮质的整个传导通路保持着解剖上的点与点的对应关系. 因此皮质视区的微小 损伤会引起视野对应部分的失明. 三. 视敏度 视敏度是眼睛辨别物体细节特征的能力, 也称为视力. ?视敏度的大小通常 用可辨视角的倒数来测量. 在一定的条件下, 能分辨的视角愈小, 视敏度愈大. 临 床上将标准距离(5 米)下分辨出 1 分弧视角细节的视敏度定义为 1.0. ?在不同测 试条件下, 视敏度的换算公式如下: V=D/D' 式中 V 为视敏度, D'为观察者恰能分辨视标细节的距离, 在为形成 1 分视 角的标准距离. 例如一观察者在 5 米标准距离下分辨出与眼构成 0.5 分弧视角的 细节, 而这视标与眼睛形成 1 分弧视角的距离为 2.5 米, 则视敏度为: V=5/2.5=2.0四 影响视敏度的因素 人的视敏度容易受主客观因素的影响而发生变化, ?下面我们对一些主要因 素作一简单讨论. 1. 照明强度. 照明水平对视敏度有明显的影响. 照明强度增加, 人眼对物 体的最小视觉减少. 照明强度减弱, 人眼对物体的最小视觉增加. 但照明对人眼 视敏感的影响随照明强度的增加而逐渐减慢. 这个规律被称为照明收效递减规 律. 2. 亮度比. 亮度比是指观察目标与背景之间的亮度别, 一般由下式表示 C=(BT-BB)/BB 式中, C 为对比度, BT 为目标亮度, BB 为背景亮度. 亮度也可以是负值, ?表示 目标亮度低于背景亮度. 亮度过大和亮度比过高会产生眩光. 眩光会引起瞳孔变 小, 使对象与背景间的对比减弱, 对视敏度发生不良影响. 3. 暴光时间. 在一定的时间范围内, ?人眼感受性随光刺激时间的增长而 提高. 4. 运动. 观察目标运动, 或两者同时运动都会引起视敏度一下降. 当运动 速度超过 60 度/秒时, 动态视敏度(DVA)迅速下降. 5. 主体因素. 视敏度受主体的多方面因素的影响. 例如, 在视网膜的不同 部位上, 视敏度有时较明显的差别. 中央 处视敏度高, 离中央愈远,? 视敏度越 低.视敏度也与瞳孔有关. 当瞳孔直径小于 1 毫米时, ?视敏度与瞳孔直径保持精 确的线性关系. 瞳孔直径继续增大, 视敏度的提高减慢; 当瞳孔直径从 2.5 毫米 增至 5 毫米时, 视敏度不再提高. 此外,? 人的视觉系统往往随年龄的增长出现一 些异常变化(如眼睛晶状体调节能力下降, 瞳孔缩小, 眼球内透明度下降以及视网 膜和相应的神经通路和中枢功能退化等), 也会引起视敏感下降. 视敏感在 14-20 岁阶段最高, 在 20-40 岁阶段稳定, 40 岁以后开始下降, 60 岁以后视敏度只有 20 岁时的 1/3--1/4. 五. 视野 视野指人的头部固定不动时, 眼睛注视正前方所能看见的空间范围, ?常用 角度来表示. 人的视野可以分为三个部分. 最中间的部分, 即在眼睛焦点的 1 度 之内, 人的眼睛看这个区域内的东西可看得特别清淅,? 被称为内视野区或最佳视 力区.从 1 度到 40 度被称为中部视野区. 在这一区域东西开始变得模糊起来, ? 但人的眼睛可以发觉这一区域的运动目标和过高的对比度. 外视野区指中视野区 以外直到眼睛受到头部遮掩的地区, 这对应于 40-70 度. 人眼对外视野内的物体 很不敏感. 六. 视觉适应 我们都有这样的经历, 当电影已经开始后我们走进电影场时, ?最初我们什 么也看不到, 但慢慢地, 周围的物体变得比原来清楚多了. 日常生活中有许多这 样的例子. 这是因为当视觉环境中的光量发生变化时, 眼睛的对光感受性随之发 生相应的变化, 这种现象称为视觉适应. 视觉适应有暗适应和明适应两种.1. 暗适应. 当人们从明亮的环境转入到黑暗的环境时, 开始时视觉感受性 很低, 然后逐渐升高, 这个过程称为暗适应过程. 一个完全的暗适应过程约需 30 分钟以上. 图 4-3 是暗适应曲线. 暗适应主要是由两种机制实现. 第一, ?当人刚 进入黑暗环境时, 眼睛瞳孔放大以增加进入眼睛的光量. 第二, 视网膜感光受细 胞的光色素的化学反应过程, 尤其是视紫红质在暗环境时的还原, 使眼睛的感受 性大大提高. 2. 光适应. 光适应是指当人从黑环境转入光亮环境进时, 眼睛感受性降低 的过程. 人眼的光适应完成很快, 大约需要 1 分钟. 图 4-4 给出了一个光适应的 试验结果. 值得注意的是, 当亮光只射入到视网膜的一小部分时, 整个视网膜都 进入光适应状态. 这就是为什么有时尽管眩光只照到我们的余光, 我们眼睛也很 难看清眼睛中心比较暗的物体. 第三节 人的听觉系统 除了视觉之外, 人的听觉系统是人的接受外界信息的一个主要通道. ?因此 了解人的听觉系统的特性, 对于改善人的信息接受, 提高人的工作效率也具有十 分重要的意义. 一. 人耳的构造 人的听觉系统主要是听觉器官, 即人的耳朵. 人的听觉器官包括外耳, 中耳, 内耳三个组成部分, 如图 4-5 所示. 1. 外耳. 外耳由耳廓和外耳道组成, 主要起集声和传声作用. 外耳道像一 根一端封闭的管子, 闭端的声压大于开端的声压. 它对频率在
赫 ? 范围内的声波发生共振, 使其响度增益 12BA 左右. 声波频率偏离该范围时, 增益 相应减低. 例如它对于 2000 赫以上的声波的增 益约为 5D BA. 2. 中耳. 中耳主要是由鼓膜和蝗小骨组成. 鼓膜位于外耳道内端, 它将外 界声波传至中耳. 鼓膜的声能传递效率随声波频率的提高而增大, 约在 1500 赫处 达到最大值. 鼓膜的紧张程度通过中枢神经系统的调节可以加以改变, 使强弱不 同的外界声音都能有效地传递, 普可保护内耳免受强声音的损害.听小骨系统包 括砧骨?, 锤骨和蹬骨. 它们在中耳 与内耳卵圆窗之间起着杠杆作用. 3. 内耳. 内耳是由前庭器官 (与听觉无关) 和耳蜗组成. 耳蜗的外形极像 蜗牛的螺旋壳体. 耳蜗由基底膜分隔成两部分. 两部分在耳 蜗顶端有小孔相通. ?耳蜗内部充满淋巴液. 基底膜由大量的横纤维组成, 这些纤维从耳蜗底部到顶部 逐渐增长. 蝗觉感受器---科蒂氏器官按声压的变化发生振动. 这种振动促使基底 膜 与盖膜发生相对运动, 从而改变了毛细胞与盖膜间的位置关系, 由此产生了完 全复制声间音振动的电位波形---微音器电位. 对不同频率的声音激发不同的听觉的解析, 主要有两种学说----地点说 (? 共呜说)和行波说. 地点说认为, 基底膜不同部位的纤维, 由于长度不同, ?分别 对不同频率的声音发生共鸣, 其原理正如竖琴弦. 短纤维对高频声音反应, 长纤 维对低频声音反应. 不同纤维的振动转化为相应的神经冲动模 式传 导至听觉 中枢, ?产生了音高听觉. 行波说认为, 任何声音刺激都能引起整个基底膜 振 动,不同频率的声音 在耳蜗 不同的部位产生最大振幅 (高音在耳蜗底部, 低音在耳 蜗顶部)?,音高的感 觉取决于产生最大振 幅的部位. 目前的研究事实还不足以 肯定一种学说而否定另一种学说, 但人们一般倾向于支持行波说., 第六节 注意 行, 就是因为我们对走路已经相当熟练, 只要给予少量注意资第五章 人的信息处理系统 随着科学技术特别是电子技术的飞跃发展, ?从事脑力劳动或准脑力劳动的 人已越来越多. 提高这些人的劳动效率, 已具有越来越重要的地位. 为了提高从 事脑力劳动的工作效率, 我们应当对人的信息处理系统的特性有一个了解. 第一节 人的信息处理系统模型 一. 唐德斯的减法模型和斯特伯格的加法模型 一个多世纪以前, 心理学家唐德斯发现人的选择反应时间大于简单反应时 间. 他因此提议通过用选择反应时间减去简单反应时间就可能得到人的信息处理 过程作出一个选择的时间. 同样的, 用这种方法也可以算出人的信息处理过程中 其他阶段的时间. 这就是唐德斯的减法模型, 他是建立一种最古老的心理学的假 定之上的: 人的信息处理系统包括几个连续的, 具有相对独立功能的阶段. ?唐德 斯的模型很简明, 直观, 但是除了对简单反应到选择反应这一情形外, 把这个模 型用到更复杂的信息处理过程很少能获得成功. ┏━━━━━┓ ┏━━━━━┓ ┃ 感 觉 ┠───────────┨ 反应 ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┗━━━━━┛ ┗━━━━━┛ ┏━━━━━┓ ┏━━━━━┓ ┏━━━━━┓ ┃ 感 觉 ┠──┨ 选 择 ┠──┨ 反 应 ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┗━━━━━┛ ┗━━━━━┛ ┗━━━━━┛ 图 5-1. 唐德斯的减法模型 二. 威尔福德的单通道模型 单通道模型假定人在某一时刻只能做一件事. ?严格的单通道模型是由威尔 福德根据心理不应期试验的结果提出的. 在心理不应期试验中, 在一定的时间内 连续地向被试者显示两个刺激信号. 通过试验发现当两个刺激信号的时间间隔非简单反应时间选择反应时间常短时, 被试者对第二个信号的反应比对第一个信号的反应要长, ?就象是人对第 一个信号做出反应之后才来处理第二个信号. 威尔福特认为被试者对第二个信号的反应时间可以用下面的公式来预测: RT2=RT1+DT2-ISI 式中 ISI 是两个刺激信号之间的时间间隔, DT2 是处理第二个刺激需要的时间, ?RT1 和 RT2 是分别是被试者对第一个和第二个刺激信号的实际反应时间. 但是, 在试验中被试者对第二个刺激信号的反应时间大于上式预测的结果?. 威尔福特解释道这是因为在第一个反应作出之后, 被试者需要一点时间来检查第 一个反应是否作对了, 即在被试者作出反应之后有一个反馈阶段, 只有当反馈阶 段也完成之后, 被试者才开始处理第二个信号. 换句话说, 试验中的时间值大些 是因为中间包括一个上面模型没有考虑的反馈时间. 当两个刺激信号之间的时间间隔非常短, 即小于 100 微秒时, 被试者对第二 个刺激信号的反应就一点也没有被耽搁, 有时对第二个刺激信号的反应在第一个 刺激信号的反应之前发生. 威尔福特解释道这是由于组合效用的存在, 即被试者 把两个刺激信号当作一组, 因此对两个信号作出了不分先后的反应. ?威尔福特单通道模型的核心内容是当人的信息处理系统已经开始处理某一 信号之后, 后来的信息就不能够进入这个系统直到前一个信号被处理完了以后. 威尔福特模型的理论基础是心理不应期. 但是作为一个关于人的信息处理系统的 基本模型, 威尔福特的模型太绝对了. 许多研究结果推翻了关于后来的信息不能 进入人的信息处理系统这一假定. 例如, 卡林等人发现第二个刺激信号的困难程 度影响被试者对第一个刺激的反应时间, 这表明第二个刺激信号在第一个信号被 处理之前已经进入了人的信息处理系统.三. 布若苯特的过滤模型 一九五八年, 英国著名心理学家布若苯特在他的&&感觉与交流&&一书中, ? 根据他自己的双耳听力试验的结果提出了一个关于人的信息处理系统的理论, 这 个理论被称为过滤理论模型. 见下图. 布若苯特认为在人的信息处理系统中, 在 信息到达人的工作记忆之前, 它们是被平行处理的,? 即人可以同时处理一个以上 的信息,但是在通过了工作记忆之后, 人在某一时刻就只能处理一个信息. 为此人 就要对信息进行选择, 以决定哪个信息被继续处理. 信息的选择主要是根据信息 的物理特性, 如声音的音调, 频率, 位置等, 这种选择就象是一个过滤用的筛子 一样, ?所以这种理论被称为过滤模型. 没有被选上的信息被暂时贮存在短期记忆 里, 若短期内得不到处理,就很快被人忘记. ┏━━┓ ┏━━━┓ ┃ ┃ ┃ ┃ ┏━━━━━━━━┓ ────┃ 感 ┠────┃ 过 ┃ ┃ ┃ ────┃ ┃────┃ ┃ ┃ ┃ ────┃ ┠────┃ 滤 ┃━━━━┃ 信息处理中心 ┃ ────┃ 觉 ┠────┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ 器 ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┗━━━━━━━━┛┗━━┛ 图 5-2.┗━━━┛布若苯特的过滤模型布若苯特的过滤模型对研究人的信息处理系统起过很大的推动作用. ?但是 后来的研究也发现了它的一些问题. 例如莫瑞在他的双耳听力试验中发现. 让被 试者专心听某一个耳朵的信息, 如果另一只耳朵里的讲话中提到他的名字, 哪么 他知道. 在另一项试验中, 切斯曼发现如果没有被注意到的耳朵里的信息在语义 上与集中注意力的耳朵里的信息相关, 人们可以注意到这个耳朵里的内容. 这些 研究证明,?在人的信息系统中, 信息通过了过滤器. 这些研究迫使布若苯特修改 他自己的模型, 认为这没有被注意到的信息只是减弱了, 而不是完全地被挡住了. 也有些学者建议选择发生在反应之前, 而不是在中枢处理之前.虽然布若苯特的模型主要是根据双耳听力试验的结果而提出的, ?它也适用 于其他的人的信息处理方面的工作. 布若苯特的模型被认为是一种单通道的模型 因为它假定人的信息处理的中枢部分是单通道的. 但是布若苯特的过滤模型比威 尔福德的模型适应性要广泛的多, 实际上可以认为威尔福德的模型是布若苯特模 型的一个特例. 四. 克尼曼的单资源模型 克尼曼认为人的信息处理系统比过滤模型所假定的要灵活的多, ?因此他提 出了一个单资源模型作为过滤模型的一个补充. 单资源模型假定人的信息处理系 统的能力是一种资源, 有一定的限度的. 在这个限度之内, 人可以相当自由地分 配自己的注意力,也可以同时干一件以上的事情. 不同的脑力活动要求不同程度 的注意力. 一个容易做的工作只占用很少的注意力,? 一个更困难的工作占用更多 的注意力.当注意力不能满足工作的需要时, 人的行为的结果就受到影响或根本 无法完成. 根据这个模型, 当人未完成某一任务时, 或者是由于这个任务超过了 人的能力, 或者是人的注意力被集中到其他的事情上了. 五. 维肯斯的多资源模型 ?克尼曼的单资源模型对于解释在信息处理过程中由于瓶颈位置没有确定而 造成的矛盾有一定的帮助, 它也能用来解释一些试验结果. 但是也有许多试验结 果表明, 有些工作与某些工作相冲突而不与另外一些工作相冲突, 或冲突很小. 例如,?脑力计算任务与跟踪任务的冲突就较小, 而与反应时间任务冲突就较严重. 而反过来, 反应时间任务与跟踪任务和脑力计算任务的冲突都较严重. 这些结果 就无法用单资源理论来解释, 反过来说明有更多的资源的存在. 因此, 美国学者维肯斯根据双重任务试验的结果提出了多资源模型. ?维肯 斯认为人的信息处理系统是一个多资源的系统. 这些资源可以按两两对应的关系 分为三组. 第一组是阶段资源, 对应于早期阶段(如感觉)和晚期阶段(如反应), 第二组为两个通道资源, 对应于视觉和听觉资源, 第三组是过程编译资源, 对应 于图象和文字资源. 多资源理论认为, 人有多个不同的资源, 而不是一个中心的资源, 每一种资源有它自己的一些特性. 当不同的工作用到不同的资源时, 它们 之间的干扰就小些, 如果它们所需要的资源相同或相近, 它们之间的干扰就大些. 例如, 同时听两个人说话, 就比一边看, 一边听要吃力些. 从维肯斯多资源理论提出以来, 在人类工效学领域受到了广泛的认同和支 持. 最初多资源理论是用来解释双项任务中人的行为之间的干扰问题的, 现在已 经被认为是人的信息处理系统的一个基本模型. 但是,? 模型中仍有些比较含糊的 地方.例如, 一共有多少资源? 每一种资源的能量有多大? 各种资源之间有什么关 系??维肯斯曾试图建立一个多资源之间的结构图, 但没有成功. 维肯斯模型的主 要问题似乎不在理论方面, 而是在应用方面. 当前, 维肯斯正在试图用一个干扰 矩阵来把这个模型定量化, 但初步试验结果的结论仍不太明显. 六. 控制与自动过程 ?斯克雷德和雪佛瑞根据他们自己所做的一系列的斯特伯格试验的结果提出 人的信息处理系统中有两种基本的处理过程, 一种是控制过程, 一种是自动过程. 自动过程是一种快速的, 平等的信息处理过程, 不受人的工作记忆能力的限制, 只需要人的很少的或根本不需要人的直接控制. 这种信息处理过程需要大量的训 练才能获得. 相反, 控制过程则是一种较慢的信息处理过程, 受人的工作记忆能 力的限制, 它需要人的大量的, 直接的控制行为, 因而施加给人的脑力负荷较重. ?自动过程形成的一个主要先决条件是在刺激信号和反应之间有一个固定不 变的对应关系. 如果某一刺激总是对应于某一反应, 那么经过大量的训练, 人的 信息处理系统就会产生一个程度很高的平行处理过程. 相反, 如果刺激信号与反 应之间的关系在不断地变化, 那么这种平等处理过程就很难建立. 在自动处理过 程中, 有一条绕开人的中枢处理系统, 把感觉与反应直接联起来的通道. 自动过程是一个重要的概念, ?它可以用来解释日常生活中许多同时进行的 活动, 如走路, 说话, 读书, 开车等. 斯克协德和雪佛瑞认为, 他们的自动和控 制过程可以解释许多双项任务时的试验结果. 七. 人的信息处理系统的基本结构 以上我们介绍了几个关于人的信息处理系统的基本模型, ?从这些模型中我 们对人的信息处理系统有一个初步的了解,? 我们把这些模型中的主要观点综合 起来,可以得到以下关于人的信息处理系统的基本组成部分的结构图, 如图 5-3 所示. 图中的每一个方框分别代表信息处理的各个阶段, 箭头表示信息流通方向. 下面先对图中的各个元素给一个简单的说明: 人的信息处理的第一个阶段感觉. 在这一阶段, ?人通过各种感觉器官接受 外界的信息, 然后把这些信息传递给中枢信息处理系统. 感觉内部有存贮器, 以 便在中枢信息处理系统未接受感觉信息之前, 把这些信息先暂时存贮一段时间, 通常在 1-2 秒钟之内, 若在这段时间内, 信息还无法进行中枢信息处理系统, ? 则信息就在这里消失掉. 在感觉之后是人的中枢信息处理系统, 也被称作认知系 统, 或决策系统, 在这里, 人对获得的信息进行编译, 整理, 选择, 决定采取什 么, 这期间, 要不断地与人的记忆发生联系, 从记忆中取决相关的信息, 把有用 的信息贮存到大脑中. 在中枢信息处理系统之后, 是人的反应系统, 它执行中枢信息系统发出的命令, 产生人的信息处理系统的输出. 在信息经过感觉, 决策, 反 应的三个阶段时, 几乎都离不开注意. 人的注意资源量是有限的, 假如有些阶段 的信息处理占用了较多的信息资源, 那么其他阶段能分配到的就比较少, 它们处 理信息的效率就会因此而降低. 人的注意能力可以随着努力程度的提高而有一定 的提高, 通过学习和训练,?信息处理过程对注意的要求也可以降低. 例如我们能 够一边走路一边聊天, 这两种活动之所以能顺利进行, 就是因为我们对走路已经 相当熟练, 只要给予少量注意资源就可以了.第二节 感觉 人通过自己的感觉器官获得关于周围环境的各种信息, ?因此感觉是人的信 息处理系统的输入子系统. 感觉器官中的感受器是接受刺激的专门装置. 在刺激 物的作用下, 感受器的神经末梢发生兴奋, 兴奋沿神经通道传送到大脑皮层感觉 区产生感觉. 一般来说, 一种感觉器只对某种形式的刺激特别敏感, 这种刺激就 叫该种感觉器的适宜刺激. 除适宜刺激外, 感觉器对其他刺激不敏感或根本不反 应. 例如可见光是眼的适宜刺激, 一定频率范围的声波是耳的适宜刺激. 电或机 械刺激虽然也能在眼内引起感觉, 但需要较大能量, 而且这种感觉是相当粗糙的. 人的感觉有视觉, 听觉, 肤觉, 嗅觉, 味觉, 动觉等多种, ?其中视觉和听 觉是信息输入的主要感觉通道. 每种感觉通道都有其特殊的功能和作用, 但也都 有其局限性. 这种局限性可能直接影响信息输入, 进而可能影响更高水平的信息 处理. 例如, 眼睛视网膜中视锥细胞和视杆细胞这两类感受器的感光特性限制了 信息显示中颜色编码的使用范围. 感觉器官可接受外界刺激的范围被称为感觉阈限, ?感觉阈限有绝对阈限和 相对阈限两个概念. 外界刺激必须达到一定强度才能引起人的感觉. ?刚刚能引起感觉的最小刺 激量, 叫绝对感觉阈限的下限. 强度比这个值低的刺激不能引起人的感觉. 感觉 器官不仅有下限, 而且还有上限. 能产生正常感觉的最大刺激量, 叫绝对感觉阈 限的上限. 作用于感觉器官的刺激强度若超过这个上限, 就会引起痛觉, 严重时 甚至于造成感觉器官的损伤. 人借助于感觉器官不仅能够确定刺激的有无, 而且能觉察刺激的变化或差 别. 刚刚能引起差别感觉的刺激之间的最小差别量, 叫差别感觉阈限, 也叫最小 可觉差. 每一种感觉器官的差别感觉阈限不是一个绝对数值, 它随 ?最初的刺激 强度而变化, 并且两者之比是一个常数. 这一关系被称为韦伯定律, 可用下式表 示: △I/I=K 式中 I 是初始刺激强度, △I 为引起差别感觉的刺激强度的增量, K 为常数. 韦伯定律只适用于中等强度的刺激, 而不适用于极弱或极强的刺激. 下表给出了 人的感觉系统对几种刺激物的韦伯分数, 括号中的数据为最初刺激的强度. ?从 表中我们可以看出, 对于不同的刺激, 韦伯分数是不同的, 也就是相对敏感程度 不同. 表 5-1. 最优条件下各种感觉的韦伯比例 感觉 韦伯比例音高(2000 赫) 0.0003 重压(400 克) 0.013 明度(1000 光量子) 0.016 举重(300 克) 0.019 响度(1000 赫, 100 分贝) 0.088 橡皮气味(200 嗅单位) 0.104 皮肤压觉(5 克/毫米) 0.136 咸味(3 克分子/公升) 0.200 感觉的第二个阶段是把感受到的外界刺激与贮存有大脑中的信息进行比较?, 也即是对外界刺激进行编码, 使它成为人的信息中心能够识别的形式. 心理学把 这一阶段的感觉叫知觉. 例如, 当有人的眼睛看见了字母&A&之后, ?把它与大脑 中贮存的&A&对应起来. 对外界刺激的编码仍然是按感觉通道进行的, 在编码完成 之后, 各感觉器官的特征就消失了. 例如, 在经过的编码阶段之后, &A&?是以什 么方式书写的, 或是以什么声音说出的就没有差别了, 当然, 在编码的过程中, 这 些差别是重要的, 它影响人的编码速度和准确性. 第三节 中枢信息处理 在对信息进行了内部编码之后, 信息就进入了人的信息处理的下一阶段, ? 中枢信息处理阶段, 也叫决策阶段, 在这里, 人要对即时收到的信息和记忆中保 存的信息进行分析, 综合, 作出决断. 决策是人的信息处理过程中最复杂, 最富 有创造性的工作, 也是人的信息处理系统的瓶颈. 正是它极大地限度了人的信息 处理能力.我们平常所谈到的&想&, &思维&, &思考&都发生在这里. 一般认为, 人 的中枢信息处理系统是单通道的, 即人在这个阶段, 在某一时刻只能做一件事. 决策是人为了达到一定目标选择行动方案的过程. 根据决策理论我们知道?, 在进行决策时, 我们首先要确定目标, 找出可达到这个目标的各种方案, 比较各 种方案的优缺点, 然后选出一个最优的(或满意的)方案. 我们都知道在人进行决 策时, 受到了决策者的感情, 性格, 价值观等许多主观因素的影响. 在这里, ? 我们来谈谈人的信息处理能力对人的决策能力的限制. (1) 人的计算能力是十分有限的, ?例如很少有人能在不用笔的情况下可以 准确地算出
等于多少. ?超出人的能力范围在没有其他帮助的情况下就 需要进行猜测. 由于在许多情况下不得不依赖于人的猜测, 为此一些学者对人的 猜测能力进行了研究. 试验结果表明, 人对平均值的估计是比较准的, ?但对均方差的估计误差非 常大. 人在用外推法进行预测时, 其值一般偏小. 人在估计各种事件的概率时, 尽 量避免给极端值. 总的来讲, 人的估计是偏保守的. (2) 工作记忆的限制. 在人进行决策的过程中, ?有大量的信息需要临时贮 存起来, 它们只能被存放在工作记忆, 也被称为短期记忆里, 人的短期记忆的能 力是非常有限的, 这就造成大量的信息的丢失, 也影响人的决策. (3) 长期记忆的限制. 在进行决策的过程中, ?人需要从长期记忆中取出必 要的信息. 虽然人的长期记忆的容量是无限的, 但这并不能保证人的记忆中已经 有决策需要的一切信息. 例如在解决某一问题时, 解的空间的大小对结果有十分 重大的影响, 如果人根本就不知道某一方法的存在, 他显然是不会用这种方法解决问题的. (4) 速度很慢. 心理学试验表明, 人的大脑进行一个单位的运算, 大约需要 0.1 秒. 这个速度显然是非常慢的. 在时间压力比较紧迫的情况下, ?大脑只能通 过&偷工减料&来完成任务, 这也影响人的决策效果. 正是因为人的决策系统有这么多局限性, 所以我们提倡计算机辅助决策. ? 计算机的发展, 为人提供了一个有力的决策工具, 但最好的计算机也不能完全替 代人的决策. 在人机系统中, 人是系统的决策者, 人的决策水平对确保系统安全 而有效地工作具有重大的作用. 要想提高系统的决策水平, 一方面要根据系统的 要求, 通过选拔和训练提高操作人员的素质, 培养他们的决策能力, 另一方面, 应 在系统的设计上充分考虑人的决策行为的特点和决策能力的局限性, 要为操作人 员提供决策所必需的条件和决策辅助工具. 第四节 反应 在决策做出之后, 人的信息处理的下一个阶段是反应, ?也就是人的信息处 理系统的输出. 人的主要的信息执行器官有手, 脚, 口等. 一般认为, 人的反应是多渠道的, 即同时可以做一件以上的反应. ?如我们 可以边走路边说话. 但是如果反应需要中枢处理系统进行反馈控制, 则反应就变 成单通道了, 这主要是受中枢信息处理系统的限制.一. 跟踪 在我们的日常工作中一种常见的执行活动是跟踪. ?跟踪是指人在系统控制 中为达到预定的目的, 不断调节自己的控制反应, 使系统输出输入相匹配, 或将 它们之间的误差减到最小的过程. 例如, 司机驾驶汽车, 飞行员驾驶飞机, 射击 手用枪瞄准运动靶子, 都属于跟踪. 跟踪是一种连续性的控制活动, 它往往需要 高度的心理运动能力. 下面简单地介绍一下有关跟踪的一些基本概念和影响跟踪 效绩的某些因素. 根据显示方法的不同, 跟踪可分为尾随跟踪和补偿跟踪两种. ?尾随跟踪采 用尾随显示, 在显示屏上, 靶子和受控元素都移动, 它们表明了自己的位置和彼 此的关系. 因此, 操作者能直接看到指令输入 与系统输出的实际状态, ?也可以 看到它们的误差. 操作者的作用就是操纵控制器使输出 与输入一致. ?补偿跟踪 采用补偿显示, 靶子与受控元素中有一个是固定的, 另一个作相对移动, 一般是 固定靶子, 作为参照物, 它们之间的差异代表误差. 因此, 操作者只能看到系统 输出与指令输入的差异, 他的作用就是操纵控制器消除误差, 或是将误差减至最 小. 在汽车驾驶上, 司机能从前窗直接观察到行驶路线和汽车的实际位置, 因此 属于尾随跟踪. 尾随跟踪与补偿跟踪哪一种更好呢: 比较研究表明尾随跟踪优于补偿跟踪, ?这是因为: 第一补偿显示只提供误差信息, 操作者不能辨别这些误差是由于指令 输入还是外界干扰输入产生的. 尾随显示可以区分误差原因, 操作者可通过观察 靶子与受控元素在空间的实际位置, 运动路线和速度等, 预测将来的情况, 作出 最佳的运动计划. 一般在输出复杂和高速运动时, 尾随显示更有用. 第二是尾随 显示的运动兼容性. 在跟踪作业中, 如果指令输入突然移到受控元素的左侧时,对于尾随显示要求作向左的矫正运动, 而对于补偿显示则相反, 即向左运动的指 令输入将显示向右的误差, 这样就出现刺激向右和反应向左的不兼容关系. 补偿 显示虽然有以上缺点, 但它也有很大的实用价值, 它与尾随显示相比, 不需要呈 现靶子与受控元素的可能数据或位置的总范围, 可以节省显示空间. 特别当误差 只有一个来源, 例如飞机飞向固定跑道, 由于跑道不移动, 因此误差只能来自干 扰输入, 在这样的情况下, 用补偿显示提供信息就能减少模糊性, 滑翔斜率指示 器就采用补偿显示. 在跟踪任务中, 机械装置的特性对人的跟踪的结果的好坏影响很大. ?这些 特性是: 系统增益, 即系统输出与输入的振幅比率; 系统滞后, 和系统的控制阶. 控制阶指操作者直接控制的系统变量与最终所要控制的系统变量之间的导数关系. 人的跟踪结果是随着控制阶的增加, 时间滞后的增加而下降, 而脑力负荷则随之 而提高. 2. 人的反应时间---希克-海曼定律 在选择反应试验中, ?希克发现反应时间与可供选择的反应的数目和它发生 的概率有关, 可供选择的反应的数目越多, 人的反应就越慢, 某一反应发生的概 率越低, 当它发生后人的反应也就越慢. 而反应的选择数目和概率可以用信息理 论来测量, 这样就可以建立起反应时间与信息量之间的关系. 希克发现反应时间 与反应中所包含的信息量有下列关系: RT=K*I 式中, RT 是反应时间, I 是反应中所传递的信息量, K 是一个常数, 约为 0.15, 可以用来评估人的能力. 几乎与希克同时, 海曼提出了一个相似的公式: RT=A+K*LOG(N) 这时 A 是一个参数, 这个参数反映人的感觉和运动反应时间, 大量实验结果 表明这个参数值在 0.1-0.2 秒之间, N 是可供选择的反应的数目, RT 和 K?与希克 公式中的意义相同, 按海曼公式, K 约为 0.1 秒. 海曼模型的一个优点是他把反应时间分成了两部分. ?一部分取决于中枢信 息处理, 另一部分涉及到自动的反应时间. 希克模型的优点是它采用了信息理论, 也可以应用于其他工作. 但是两个模型都未能解释当信号与反应的相容性改变或 熟练程度增加后人的反应时间的变化. 卡德对上面的结论及其它研究成果进行了总结, 提出了一个 MHP 模型.? ? 根据 MHP, 人的感觉时间为 0.1 秒左右, 人的一个单位信息的决策时间为 0.07 秒 左右, 一个运动反应时间为 0.07 秒左右. 因此一个简单的反应时间应为 0.17 秒 左右, 一个选择反应(含两项选择)的时间为 0.24 秒左右. 按一个键的时间为 0.14 秒左右, 两手同时按键, 最快可达 0.07 秒/键. 三. 费茨定律 费茨用信息理论来决定人的手运动的时间, ?他认为人的手的运动与人的其 他的信息处理系统是一样的, 也遵循一定的规律. 他从试验中发现人的手的运动 时间与运动距离, 要求的准确程度有关, 可以用下式表示: MT=K*LOG(2*D/W)式中 MT 是手的运动时间, 单位是秒, D 是运动距离, W 是目标的宽度, K ? 是一个常量, 约为 0.1. 费茨定律从提出以来经过了广泛的验证, 证明是准确的. 第五节 记忆 大量心理学研究的结果表明, 人有三种不同的记忆. 一. 瞬时记忆 瞬时记忆是在各感觉器官的后面, 贮存人感觉到的信息, ?所以也被称为感 觉信息存储. 瞬时记忆是最短暂的记忆, 保持时间一般以毫秒计. 容易证明, 感 觉信息存储最初包含的信息, 比以后分析阶段所能用的信息更多. 假定在短暂时 间内呈现一个复杂的视觉图象, 观察者只能从这一图象中看出其中包含的少量信 息. 他们会说, 他们没有足够的时间看清整个图象. 但是, 如果告诉他们只看图 象的某一特殊部分, 他们就能集中注意这一部分, 并且作出非常精确的报告. 这 一基本现象表明, 处理感觉输入信号能力的限制产生于分析过程中. 人的瞬时记忆是通过下列试验发现的, 在一张卡片上按三行三列写九个字 母. 显示给人很短一段时间(如 50 微秒)后, 让人回忆这张卡片的内容, 由于受短 期记忆的限制, 人们一般只能回忆四五个字母. 如果我们在卡片消失后很短的时 间间隔内提醒被试者, 只用记某一行的字母. 在这种情况下, 被试者基本上可以 把这一行的三个字母都说出, 这说明, 在提示符显示时, 九个字母都已经被人接 受了, 被装在我们命名为瞬时记忆的地}