我校课桌椅的安全人机工程评价与改进设计

摘要 : 文章运用人机工程学的原理和方法，以“安全、舒适、高效、健康”的原则，结合设计心理学、统计学等知识，对高校课桌椅的使用现状及设计存在的主要问题进行分析，对青年大学生这一使用群体进行问卷调查和人体尺寸测量，就高校课桌椅设计对青年大学生的生理、心理产生的影响进行分析，最后从设计参数、材料和结构、色彩三方面介绍高校课桌椅的人性化设计。

关键词 :高校课桌椅人体尺寸人性化设计设计参数

Abstrct ： Using the theory of human-computer enginee ring and method, in order to “safe, comfortable, efficient and healthy" principle, according to the design psychology, statistics, and so on knowledge, the use of desks and chairs in colleges and universities present situation and the main problems in the design of the deposit were analyzed, and the young college students the group using the questionnaire survey and the human body size measurement, design the desks and chairs for young college students' physiological and psychological effect were analyzed, and finally from the design parameters, material and structure, the color is introduced from three aspects of the desk chair humanized design.

Keyword: The desks and chairs Body dimension Humanized design Design parameters

目录

0.前言： (1)

1发展历史 (1)

1.1研究意义 (1)

2我校课桌椅现状调查分析 (2)

2.1高校课桌椅体系的概念 (2)

2.2主要存在问题: (2)

2.3现有桌椅的功能尺寸测量 (3)

3安全人机工程学对现有课桌椅的评价 (4)

4高校课桌椅设计依据 (4)

4.1高校桌椅设计的人体尺寸依据 (4)

4.2高校桌椅使用人群的生理状况 (5)

4.2.1感觉系统 (5)

4.2.2神经系统 (6)

4.2.3运动系统 (6)

5针对现有课桌椅出现的问题的具体措施与方法 (6)

5.1座椅高度设计 (6)

5.2座面倾角设计 (7)

5.3座椅靠背设计 (8)

5.4座椅扶手设计 (8)

5.5桌面高度设计 (8)

5.6桌下抽屉与净空高设计 (9)

5.7桌椅的水平间距设计 (9)

5.8课桌椅色彩设计 (10)

5.9新设计的桌椅 (10)

6总结 (11)

7参考文献 (11)

0前言

进入21世纪以来，随着我国高校招生规模的不断扩大和高校信息化进程的逐步加快，大学校园硬件建设高速度发展，各类先进设备不断引入，提高了学生的学习效率，但同学们每天大量使用的课桌椅却并不尽如人意。根据网上发布的一些统计资料，发现高校课桌椅的设计存在着许多问题，致学生的身体疲劳、视力下降、要不损伤、劲椎病等诸多现象增多，严重影响了学习效率及身体身体健康。因此健康舒适人性化的高校课桌椅审计问题亟待解决。

1发展历史

我国学生的课桌椅大体沿袭着西方学校的课桌椅的发展轨迹。从构成的材质和发展历史看，两者并无明显不同，都经历了杂木制造（第一代）——钢木合（第二代）——硬塑替代阶段。从外形看，由单一的形态逐渐过渡到升降式、连式等更符合人体工学的多种形态。而且，随着青少年身高、体重的变化。国外都存在课桌椅标准再修订的问题，但也有不同，主要体现于课桌椅的摆放问题，相对国内的普遍整齐划一，国外学生课桌椅的摆放则灵活多样。我国教育事业从开办有规模的学校算起，已有100多年历史，学生用的课桌椅一直延续采用传统的杂木制造。改革开放后的80年代初，大城市的少数木制品厂学习国外经验，从采用钢木合一制造家具开始，然后采用同样方法生产我国第二代校用学生课桌椅，代替了部分木制品。钢木课桌椅虽然经过20多年的发展，已采用机械法生产，但因会松钉、易生锈、使用寿命短等多方面弊病，目前还不能完全替代第一代课桌椅。而在中西部大部分地区的农村学校，学生仍大多在使用杂木制造的第一代课桌椅。而多年使用的事实也证明，钢木制造的学生课桌椅的品质并不比被教育界公认的第一代木制课桌椅好多少，所以开发时间虽已持续二十多年，发展速度却十分缓慢，目前也还只能作为过渡产品，代替部分木制品。科技发展日新月异，国外发达国家的高楼大厦的门窗采用的原料已走过“木—铁—铝合金”三个阶段，10多年前已开始全部进入以硬塑代替铝合金时期。未来的课桌椅不仅可以调节高度，还有种连式课桌椅，由可调高度的课桌、课椅和可调节距离的连接板组成，它解决了现有中、小学生课桌椅不能调节桌高、椅高、桌椅距离的问题，适用于各个年龄档次、各种体形的学生使用，可针对每个学生的个体情况调节至完全符合课桌椅卫生标准的状态。

1.1研究意义

（1）通过查阅文献资料，发现目前国内还没有专门针对高校大学生使用的课桌椅系统进行深入的人机工程学研究，大多只是从一般性、概括性角度论述桌椅设计的文章，如桌椅舒适性研究、家具的人机工程学研究等。因此，在这个背景下，本课题结合国内高校的现实情况，尤其是对产品使用者——高校大学生群体进行生理和心理研究，来填补国内在这一领域的空白，具有比较重要的学术价值。

（2）高等学校进一步扩大招生规模的决策出台后，全国普通高校招生人数和在校人数明显上升。国家将增加对高教的投入，高校后勤社会化改革也在逐步深入，高校硬件建设应该上一个新的台阶。而高校课桌椅作为和大学生息息相关的硬件设施，其设计科学合理显得尤为波切，这是研究本课题的社会意义。综上所述：为了提高高校大学生的学习质量，减少设计不合理的课桌椅给学生健康带来的损害，文章将从实际出发，以人为本，针对高校大学生合理选择人体样本，进行调查和实测，对测量的数据开展统计分析等研究工作，制定出符合实际的高校大学生人体尺寸标准，并进一步全面分析高校大学生对于课桌椅设计的生理、心理需求，在此基础上对高校课桌椅的人性化设计提出一套全面科学的设计准则。

2我校课桌椅现状调查分析

2.1高校课桌椅体系的概念

首先，需要明确的是高校课桌椅体系的概念：对不同课程来说，课桌椅的功能和用途存在着区别，从而形成了多品种的课桌椅系列，课桌椅体系正是源于这种品种的差异。根据学校课程的用途课桌椅大致可以分为以下：课本教学、劳作教学、手工教学、美术教学、多媒体教学、音乐教学、实验教学、计算机教学等。

根据国家标准GB/T3976-2002《学校课桌椅功能尺寸》规定，高校院校课桌椅产品包含两个品种，即固定式课桌椅和非固定式课桌和课椅。

因此，结合我国高校教育现状，根据课桌椅的常用形式，选取普通教室课本教学用（非固定）课桌椅系列和多媒体阶梯教室用（固定）课桌椅系列两种课桌椅类型来研究。见图2—1图2—2。

图2—1我校普通教室非固定桌椅图2—2我校多媒体固定桌椅

2.2主要存在问题:

（1）课桌下部空间狭小，伸不开腿；课桌太窄，无法摆放课本和文具；座面倾角过大，坐着不舒服；

座椅之间间距过小，不方便出入问题。

（2）课桌椅高度无法进行高度调节的问题。

（3）课桌椅色彩单一、造型呆板、的问题。

（4）现有课桌椅存在众多人机问题，对人体腰部、颈部、肩部、背部造成伤害。现有课桌椅用材浪费不环保，不物美价廉、经济适用。

2.3现有桌椅的功能尺寸测量

根据国家标准GB/T3976-2002《学校课桌椅功能尺寸》的规定，结合本课题的需要，最终确定高等院校课桌椅的主要功能尺寸参数包括14项数据，其测量说明及测量结果如下：

桌面高（h1 ）：从地面到桌面前缘最高点的垂直距离；

桌下净空高（h2）：从地面到桌面的前缘底部的垂直距离；

桌面深（t1）：桌面后缘到前缘的水平距离；桌面宽（b1）：桌面的水平宽度；

座面高（h4）：从地面到椅座面前缘最高点的垂直距离；

座面深（t4）：椅座后缘到前缘顶点的水平距离；

座面倾角a：椅座面水平面的夹角；靠背倾角β：桌面与水平面的夹角。

另外，还包括靠背点距座面高、靠背下缘距座面高（h5）、靠背上缘距座面高（h6）、桌椅高差（h1—h4）、桌椅水平距离（l）等设计参数，如图2—2所示

图2—2 桌椅各数据测量示意图

表2—1 我校桌椅的功能尺寸的实际测量结果单位mm

功能尺寸固定式桌椅非固定式石桌椅

桌面高（h1）770±5 785±5

桌下净空高（h2）577±5 585±5

桌面深（t1）370±7 398±7

桌面宽（b1）1030±5 1200±5

座面高（h4）425±4 450±4

座面深（t4）410±5 415±7

座面宽（b3）430±6 395±5

座面倾角（a）10 11

靠背倾角（β）16 12

靠背点距座面高（？）248±5 —

靠背下缘距座面高（h5）75±5 206±4

靠背上缘距座面高（h6）506±5 408±4

桌椅面高差（h1—h4）345±4 335±8

桌椅水平距离（l）20±4 —

3安全人机工程学对现有课桌椅的评价

高校大学生使用的桌椅，介于工作座椅和休息用椅之间，就坐者有时要身体前倾低头读、写、有时身体要后倾听或说两种状态，持续时间较长，对舒适度有一定要求。再结合课堂这个特定环境，学生在使用课桌椅的整个过程中，对于舒适度而言，不是越舒适越好，只需保持基本的舒适度即可。尤其是教室课桌椅，学生在坐着上课的过程中，既要保证就坐的基本舒适、健康，又要保持学生听课中一定的紧张度。如果不舒适，会使身疲劳，造成各种病症，有损健康；如果过于舒适，又会使学生过渡放松，甚至混混欲睡，影响听课效率。

据观察我校一些课桌椅的设计使用情况，发现有以下几点不符合安全人机工程学：

1）我校座椅没有扶手：学生听课累时没地方放手，没地方支撑，无法减少疲劳，不符合安全人机学的“舒适”原则。

2）我校座面倾角过小，学生直腰正常坐姿时看书较累，不能提高学习效率，不能满足安全人机工程学的“高效”原则。

3）教室座椅靠背倾角过小，无法满足学生靠背听课却可以不需要抬头即可看到黑板的欲望，也不符合安全人机工程学的“舒适“原则。

4）教室座椅与桌子的水平间距距离较小，导致有一人在座时，别的人无法自由出入，也不符合安全人机工程学的“舒适”原则。

5）教室桌面边角为尖锐形状，不是圆滑形状，不符合安全人机工程学的“安全”原则。

6）教室桌椅色彩不符合安全人机工程学的美观与舒适，易使学生产生疲劳现象。

4高校课桌椅设计依据

4.1高校桌椅设计的人体尺寸依据

要想使高校桌椅产品最大限度地满足大学生在健康、安全舒适上的需求，就必须在产品设计时充分考虑人们的生理、心理特征。而在人的生理特性中，最基本、最核心的是人体的尺寸数据，高校大学生的人体尺寸是校园桌椅产品尺寸的科学依据。在互联网的各种搜索，发现众多调查研究显示：从1995年至现在，我国12岁至17岁青少年的身高体重明显增加；男生身高增高69mm，体重增加5.5kg，女生身高增高55mm，体重增加4.5kg。由此可见，21世纪新一代的高校大学生人体尺寸将有更大的增幅，高校桌椅产品所依据的人体尺寸标准有待更新修改。

表4—1《中国成年人人体尺寸》身高百分位数据[2] 单位mm

男（18—25岁）女（18—25岁）

P1 P5 P10 P50 P90 P95 P99 P1 P5 P10 P50 P90 P95 P99 1554 1591 1611 1686 1764 1789 1830 1457 1494 1512 1580 1647 1667 1709

图4—1人体各项数据示意图

4.2高校桌椅使用人群的生理状况

4.2.1感觉系统

感觉是人脑对直接作用于感觉器官的客观事物个别属性的反应，感觉是人们了解外部世界的渠道，也是一切复杂心理活动的基础和前提。人的感觉类型有视觉、听觉、嗅觉、味觉、皮肤感觉、本体感觉等。认得感觉器官接受内外环境的刺激，将其转化为神经冲动，通过传入神经，将其传至大脑皮层感觉中枢，便产生了感觉。根据课题需要，对于高校大学生使用课桌椅的状态，主要介绍视野和视距、皮肤感觉和本体感觉三部分。

1）视野和视距

视野是指人眼能观察到的范围，一般以角度表示。

视野按眼球的工作状态可分为：静视野、注视野和动视野三类；

在人的三种视野中，注视野范围最小，动视野范围最大。

人机工程学中，一般以静视野为依据设计有关不件，以减少人眼的疲劳。

图3—2为静视野在水平、铅垂两个方向上的最佳值[1]。

图3—3为人眼在垂直面的视野范围，在垂直面的最大视野范围大约为120度，人的自然视线低于标准视线，坐姿时最佳范围15度，观看最佳视区为30度范围内[1]。

图4—2人体静视野范围图4—3人体垂直视野范围

视距是指人在控制系统中正常的观察距离。观察各种显示仪表时，若视距过远或过近，对认读速度和准确性都不利，一般应根据观察物体的大小和形状在380~760mm之间选择最佳视距。

2）皮肤感觉

皮肤是人体上很重要的感觉器官，感受着与外界环境中与它接触物体的刺激。对于高校桌椅设计，是指学生在使用过程中的触压、疼痛、光滑或粗糙等感觉。比如高校大学生在使用桌椅的过程中，身体受到刺激强化到某一程度，痛感就随着刺激出现。

4.2.2神经系统

神经系统是人体最主要的机能调节系统，人体各器官、系统的活动，都是直接或间接的在神经的控制下进行的。大学生在使用教室或图书馆桌椅学习时，不论是读写或听说的状态都是通过神经的调节作用，使其对外界环境的变化产生相应的反应，从而与周围环境之间达到协调统一，保证人的操作活动得以正常进行。神经系统分为中枢神经系统和周围神经系统。

4.2.3运动系统

运动系统是人体完成各动作和从事生产劳动的器官。由骨、关节和肌肉三部分组成。全身的骨关节连接构成骨骼。由于肌肉的收缩与舒张牵动骨，通过关节的活动而能产生各种运动。

5针对现有课桌椅出现的问题的具体措施与方法

5.1座椅高度设计

适宜的座椅高度应该使就坐者接近于水平、小腿自然垂直，脚掌平放在地面上，这时小腿在地面获得支撑，可降低大腿的体压及背肌紧张，轻松实现上身平衡稳定。故座面不能过高，否则矮

身体的人小腿悬空时，使大腿底部柔软肌肉受椅面前缘的压迫，长时间这样坐，则使腿部血液循环受阻，产生麻木肿胀感；且座面也不能过低，否则高身材的人座时骨盆后倾，正常腰椎曲线被拉直，增加背部肌肉负荷，易产生腰酸背痛，如图4—1所示

图5—1座面过高或过低示意图

高校座椅高度的设计属于男女通用产品尺寸设计问题，只要保证身材矮小者双脚获得支持，达到上身平稳稳定，则对身材高达者一定没问题。查阅文献资料，得到身高及人体坐姿相关尺寸的统计结果P10女=385mm，加上穿鞋修正量（+20mm）和穿裤修正量（—6mm），得到座高数值约为400mm。

因此，座椅高度尺寸以400mm—420mm为宜。又因为P10男=420mm，以及引入穿衣修正量（+20mm），两者相差40mm，因此为了增加座椅高度的满意度，可以适当提高座椅高度，因为座椅和桌子高度固定，可以为矮个女生设计一个脚垫。

5.2座面倾角设计

图5—2参考文献数据资料

由于大学生在听课过程中，身体要长时间持续的前倾读写，上自习时更是长期保持前倾伏案姿势。若座面前缘是凸翘起的，即倾角a为正值，那大腿接近腘窝处都会受到让人感觉不适的很大的体压，并且腹部也会感到不良挤压。根据查阅有关文献资料，前倾坐姿时，座面倾角是负值、大腿与上身角度大于90度时，椅面的体压分布相对合理。

计算的arctanα=arc（4/45）=50

所以根据大学生前倾坐姿的需要，得到高校座椅的座面倾角应设计为负值，一般为-5度。

2.97-arctan 18098.595115πθ??==???。。。。。—（），5.3 座椅靠背设计

高校大学生在上课或学习的过程中，除去前倾伏案读写的姿势，就是后仰看听说的姿势。后倾时，靠背可以使躯干得到支撑，承受一定的符合，减轻对臀部、腰椎和下肢血液循环的压力，身体的后仰支撑还可以保持一个良好的视界，学生不必仰起头来看黑板或屏幕，减轻了颈椎的不适。平时我们认为坐着舒服，这只是对脚而言的，其实要不却一直处于不合理的状态，所以座椅靠背在腰部必须有支撑。查阅资料得到表5—1，为日本人机工程学者小原二郎等人设计的四种靠背椅形式及适用条件。对于大学生使用的座椅，其靠背的功能设计要点在于维持脊柱的良好形态，要避免腰椎的严重后凸。因此，座椅靠背需要基本满足腰部支持，使靠背的凸出压入腰凹之内，以保证腰部得到充分的支持。

表5—1四种座椅靠背形式及其适用条件

名称 支撑特性 支撑中心位

置 靠背倾角 座面倾角 适用条件

低靠背

1点支撑 第三四腰椎 90度 0度 工作椅 中靠背

1点支撑 第八胸椎骨 105度 4~8度 办公椅 高靠背

2点支撑 肩胛骨下部 115度 10~15度 部分休息椅 全靠背 3点支撑 高靠背的2

点支撑再加

头枕 127度 15~25度 安乐椅等

据资料显示，我国成年人腰椎部中心位置约在座位上230—260mm 处，靠背点距离座面尺寸为230—260mm 较适宜，即靠背点高度，应比国家标准略微高些。根据上表数据与测得的各项数据显示，学生用椅的靠背倾角β：

π—arctan =180—arc （23/3.2）=98.6∈[95,105] 所以座椅靠背倾角选择95~105度，属于工作椅和办公椅之间。

5.4 座椅扶手设计

扶手设计的关键参数是它的高度，扶手不可设计的太高，太高的扶手将使肩膀高耸而成圆状，使肩部与颈部的肌肉拉伸，产生僵硬痛苦；而太低的扶手则使手肘支撑不良，导致弯腰或使躯干斜向一侧。 高校座椅设计依据的人体尺寸百分位数位（P 50男+P 50女）/2，查阅的P 50男=284.0mm ，P 50女=275mm ，姿势修正量为—44mm ，则（P 50男+P 50女）/2=235.0mm 。由于公用座椅的扶手的高度宜略小于这个数值，所以取230mm 。

5.5 桌面高度设计

设计桌面高度时，可以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。而桌面上缘的空间则考虑学生放书包、书籍用。

由于桌子是坐着使用的，所以确定桌面高的正确方法是座高加上合理的桌面椅面高度差，即桌高=座高+桌椅高度差

高校桌面高度设计以坐姿肘高为尺寸依据，选取男生90百分位作为上限值，查阅的P90男=307mm，再适合附加穿衣修正量—6mm，则桌椅高度差约为300mm时，桌高在700mm—720mm内比较适宜，同样满足国家标准中桌椅高差h1—h4=320mm。图5—3为国家标准GB/T3326—1997男女通用的中等尺寸的办公桌椅要求，与高校桌椅最佳尺寸相符。

图5—3桌椅新数据示意图

另外，针对于阶梯教室的固定式桌椅的高度差数值仅为190±10mm，这是完全不合理的。由于座椅与后排桌前前侧一体化，然而在设计两者高度差的时候未考虑阶梯教室的地面的高度差及台阶的高度，以至于造成学生就坐的座面和伏案的座面的高差减小，腿部活动空间受限。所以，对于阶梯教室的固定一体化桌椅，为了保证大学生合理的坐姿空间，其后侧桌的高度=桌椅高度差（300mm）+台阶高度。

5.6桌下抽屉与净空高设计

由于桌子净空高不够导致学生在桌子底下脚伸不开，而由于桌子的适合高度为700mm—720mm，为了保证课桌下部空间尺寸，则课桌抽屉尺寸小于100mm，这就导致抽屉无法完成收纳学生物品的功能，形同虚设。

所以，为了解决桌下空间尺寸和抽屉功能的矛盾问题，并且抽屉设计位置不影响桌下腿部活动空间的位置。

解决此问题可以从以下三方面考虑：

1）使抽屉深度减小

2）将抽屉设置于下部空间

3）将抽屉设置于座椅下部闲置空间

5.7桌椅的水平间距设计

桌椅水平距离是桌近缘向下所引垂线与座椅前缘之间的水平距离。这个尺寸空间的设置直接影响大

学生使用桌椅时的坐姿，是一个决定性的重要因数。

这个问题主要出现在多媒体教室的固定式桌椅，由于室内空间有限，教室容量较大，桌椅大多固定于地面上，此时，就要严格科学的考虑学生的实际使用情况来设定桌椅的水平间距。

一般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。坐姿大腿厚的P90男=154mm，加入适当功能修正量10mm，所以一般以160—200mm为宜。

5.8课桌椅色彩设计

色彩三要素：色相、色彩的相貌；明度，色彩的明暗程度；彩度、色彩的饱和程度[5]。在高校桌椅设计中既要保证课桌椅单体色彩的美观，对大学生产生的心理作用，还要保证各种色彩在教室环境内的协调性。总体来说课桌椅的设计要求色彩明朗、精神饱满。因此，选取一些冷暖适中的色彩，并提高色彩的明度、降低色彩的饱和度就是折中的好办法。这样可以选取红橙黄色或者蓝青色等颜色。这样既可以创造愉悦的氛围，又不至于使学生过于兴奋，达到轻松愉悦的环境氛围。

5.9新设计的桌椅

新设计桌椅见附图1，新设计桌椅功能尺寸见表5—2，单位：mm

表5—2高校新设计桌椅功能尺寸单位mm

功能尺寸普通教室非固定多媒体教室固定

桌面高700~720 700~720

桌下净空高600 600

桌面深400 400

座面高400~420 400~420

座面深400 400

座椅扶手高230±20 —

座面宽500 400

座面倾角-5度0度

靠背倾角95~100度95~100度

靠背点距座面高230~260 230~260

靠背下缘距座面高125~200 125~200

靠背上缘距座面高350~400 350~400

桌椅高差300 300

桌椅水平距离—160~200

6总结

本课题采用理论与实践相结合的方法，首先运用人机工程学的基本原理和方法，对高校桌椅使用现状进行人机学评价，提出现有产品存在的具体问题；然后对旧的国家标准GB10000—88《中国成年人人体尺寸》的数据进行了更新和补充，使人体尺寸在高校桌椅设计中应用更符合实际，更具科学性。

本课题的结论：

1）对现有高校课桌椅设计进行人机工程学分析和评价，提出其中存在的桌椅高度、座椅靠背、桌椅倾角、桌椅水平间距设计不合理的问题。

2）对高校桌椅使用人群进行生理、心理分析，全面研究人机系统中“人”的因素

3）运用人机工程学基本原理，对高校桌椅的解剖学、生物力学特性等因素进行深入分析。在此基础上，将人体坐姿尺寸数据实际应用于高校桌椅产品设计中，全面分析高校桌椅功能尺寸的人体尺寸依据，并最终制定出一套科学合理的功能尺寸标准。

7参考文献

[1]GB/T3976—2002《学校课桌椅功能尺寸》[M]，北京，中国标准出版社，2002

[2]GB10000—88《中国成年人人体尺寸》[M]，北京，中国标准出版社，1989

[3]张力,廖可兵编著.安全人机工程学[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2002.6

[4] 汪安圣，心理学及其在工业中的应用[M]，机械工业出版社，1987

[5] 黄国松，色彩设计学[M]，北京，中国纺织出版社，2001

附图1