民國115年 高考三級 工業設計 人因工程（包括人體工學）考古題

民國115年 高考三級 工業設計 人因工程（包括人體工學）收錄考選部官方試題，共 4 題可線上瀏覽，考選部未公告本科目答案。

官方資料

題目與答案

第1題

請說明下列名詞之意涵：（每小題10 分，共40 分） 正常作業區（Normal Working Area） 杵臼關節（Ball-and-Socket Joint） 作業周域（Work Space Envelope） 感性工學（Kansei Engineering）

參考解答（AI 生成，非官方）

  • 一、正常作業區（Normal Working Area）：指工作者上臂自然下垂、以肘關節為支點，前臂在水平桌面上掃掠可及的區域，通常為二維平面概念，左右手各有一弧域且可重疊。其範圍小於最大作業區（Maximum Working Area，以肩為支點、手臂完全伸展），但最省力、最常使用。設計上應將高頻使用之工具、零件與控制器置於此區，低頻者才置於最大作業區；並以第五百分位女性之可及距離為下限，配合可調式工作面高度，避免聳肩與軀幹前傾。
  • 二、杵臼關節（Ball-and-Socket Joint，球窩關節）：由球狀骨端嵌入杯狀關節窩構成之多軸滑液關節，具三個自由度，可做屈曲／伸展（flexion/extension）、外展／內收（abduction/adduction）與內旋／外旋（internal/external rotation），並可環轉（circumduction）。人體代表為肩關節（盂肱關節）與髖關節。其活動範圍（range of motion, ROM）大但穩定性較低，須靠關節囊、韌帶與肌肉共同穩定。設計上應避免長時間高舉過肩、極端外展或扭轉，重物宜貼近身體，並以扶手支撐上肢重量。
  • 三、作業周域（Work Space Envelope）：指人體在特定姿勢下，手部或足部可觸及並操作之三度空間範圍，由人體計測資料（anthropometry）與關節活動範圍共同決定，包含可及域（reach envelope）與淨空域（clearance envelope）。與正常作業區之差別在於前者為立體空間、後者為平面區域。應用於駕駛艙、工具機控制盤與車輛儀表板配置；設計時須區分經常、偶爾與緊急使用之控制項，分別配置於舒適可及、最大可及與需伸展可及處，並考量手套、衣著、性別與年齡造成之可及距離衰減。
  • 四、感性工學（Kansei Engineering）：由長町三生（Mitsuo Nagamachi）於一九七○年代提出，旨在將消費者對產品之主觀感受（日文「感性」，kansei）轉譯為具體設計要素。流程為：收集感性語彙（Kansei words）→以語意差異法（semantic differential, SD）問卷量測意象→以因素分析、集群分析、數量化理論第一類或類神經網路建立語彙與造形、色彩、材質之對應→發展原型並驗證。其限制為語彙具文化與世代依賴性、個別差異大、難以捕捉長時間互動之體驗，故須以真實使用者測試交叉檢核。

第2題

近年產品設計逐漸由「功能導向」轉向「體驗導向」。請從人因工程與感 性工學觀點說明兩者之差異及如何整合，並以智慧型手錶為例說明設計 策略。（20 分）

參考解答（AI 生成，非官方）

  • 一、兩種導向的定義：功能導向（function-oriented）以任務完成為核心，強調效用、規格、效率與可靠度，評價指標多為客觀績效，如完成時間、錯誤率、學習時間與 NASA-TLX 負荷；體驗導向（experience-oriented）則以使用者主觀感受為核心，關注愉悅、美感、意義、情感與自我認同，對應 Norman 之情境三層次（visceral、behavioral、reflective）與 Hassenzahl 之實用品質（pragmatic quality）與享樂品質（hedonic quality）。
  • 二、人因工程觀點的差異：傳統人因工程以「人—機—環境」系統之適配為命題，透過人體計測、認知作業分析與可用性測試降低失誤與負荷，屬於「減少不適」的防弊邏輯；感性工學則屬「創造愉悅」的興利邏輯，將意象、情緒與審美納入設計變數。前者重可量測之行為結果，後者重難以直接量測之心理歷程；前者追求一致性與可預測性，後者容許風格差異與個人化。
  • 三、整合架構：應以可用性為基底、感性為加值，採雙軌並行流程。第一軌以情境訪談、脈絡觀察與工作分析界定任務與限制；第二軌以感性語彙收集、SD 問卷與統計萃取建立意象—設計要素對照。兩軌匯流於原型，再以混合指標驗證：任務績效（成功率、時間、錯誤）搭配主觀量表（UEQ、SAM、PrEmo）與生理訊號（眼動、膚電）。整合原則為「感性不得犧牲安全性與效率」，並以迭代設計收斂。
  • 四、智慧型手錶設計策略：功能面須滿足一瞥即懂（glanceability），採分層資訊架構，字級與對比符合觀看距離；錶帶依第五至九十五百分位手腕圍設計可調範圍，避免壓迫尺骨莖突與腕隧道。體驗面可將「俐落、溫潤、專業」等感性語彙對應至圓角半徑、材質（鋁、鈦、氟橡膠）、色彩與錶面動態；以震動編碼與錶冠阻尼提供觸覺隱喻；健康提醒須符合情境適切性，避免過度打擾。並以情境模式（運動、睡眠、會議）整合顯示與互動邏輯。
  • 五、限制與建議：感性語彙受文化、年齡與性別影響，跨市場設計須重新驗證；實驗室短時測試難以捕捉長期配戴之情感演變，宜採日誌法與實地研究。建議建立企業內部之感性資料庫與設計規範，將語彙—要素對照標準化，並於開發流程設置可用性與情感雙重檢核點，確保體驗導向不以犧牲基本操作安全為代價。

第3題

試以手工具設計為例說明下列四項關於骨骼、關節與肌肉系統在人因工 程中的重要性：（每小題5 分，共20 分） 骨骼功能 關節活動範圍 肌肉負荷 疲勞與傷害預防

參考解答（AI 生成，非官方）

  • 一、骨骼功能：骨骼提供支撐與保護、作為肌肉收縮之槓桿、儲存礦物質並造血。手工具設計須以骨骼為槓桿系統思考：握把直徑應使手指維持約四十五至七十度屈曲，使指骨與掌骨呈自然包覆；避免握把邊緣壓迫掌骨頭、豆狀骨與鉤骨，以免局部缺血與腕隧道症候群（carpal tunnel syndrome）；握持面應將壓力分布於魚際與小魚際之肌肉豐厚處，而非骨突處。
  • 二、關節活動範圍：關節活動範圍（range of motion, ROM）決定工具可用之姿勢空間。以腕關節為例，屈曲、伸展、橈側與尺側偏移均有一定限度，設計應使操作落在中立位（neutral zone），避免持續超過約十五至二十度之尺側偏移。起子、鉗子宜採折角或槍型握把，使手腕維持直線；扳手加長握柄以減少所需力矩，但須避免關節過度負荷。並應考量關節炎或高齡者 ROM 退化，提供較大握持空間與省力機構。
  • 三、肌肉負荷：肌肉出力受關節角度、肌肉長度—張力關係與力臂影響，握力在腕中立位最大，偏離則迅速衰減。工具重量、重心位置與扭力反作用力皆形成負荷；長時間等長收縮（static contraction）易阻斷血流而加速疲勞。設計對策包括：以動力工具取代人力、以平衡吊具支撐工具重量、採動力握（power grip）而非捏握（pinch grip）、增大接觸面積、將重心靠近握持點，並依最大自主收縮（MVC）之百分比控制負荷水準。
  • 四、疲勞與傷害預防：重複性、用力、不良姿勢、振動與缺乏休息為工作相關肌肉骨骼疾病（work-related musculoskeletal disorders, WMSDs）之主要風險因子，常見者包括肌腱炎、網球肘、腕隧道症候群與振動性白指（HAVS）。預防採層級策略：優先以工程改善消除危害（低振動工具、軟質包覆握把、扳機跨距與形狀適配），其次為工作組織調整（輪調、休息、作業節奏），最後為教育訓練、熱身與健康監測；並建立早期通報機制，避免累積性傷害惡化。

第4題

以汽車、電梯或家電產品為例，依 空間相容性、移動相容性， 相容 性不良可能造成的問題，說明控制裝置與顯示裝置之間的相容性 （Compatibility）對操作績效的重要性。（20 分）

參考解答（AI 生成，非官方）

  • 一、相容性的意涵：相容性（compatibility）指控制裝置、顯示裝置與系統狀態之間，在空間排列、移動方向與概念意義上符合操作者預期的程度，可區分為空間相容性、移動相容性、概念相容性與模態相容性。其理論基礎為刺激—反應相容性（stimulus-response compatibility）與母體刻板印象（population stereotype）；相容性高時反應時間短、錯誤率低、學習負擔小，反之則須依賴記憶與標示補救。
  • 二、空間相容性：指控制項與其對應顯示或受控元件在位置上的一致性。汽車以方向燈桿前後、上下對應左右方向燈；瓦斯爐以四口爐位置對應四顆旋鈕，若改為一字排列則易誤開；電梯按鈕盤常依樓層平面配置或採兩列遞增排列。違反空間相容性時，操作者須先解碼再動作，增加視線轉移與認知負荷，在緊急或高負荷情境下極易發生誤操作。
  • 三、移動相容性：指控制項的移動方向與顯示值或受控物件運動方向之對應關係。順時針旋鈕通常代表增加（clockwise-for-increase），方向盤右轉使車輛右轉，電梯「上」鍵應使車廂上行。若方向反向或控制—顯示比（control-display ratio, C/D ratio）不當，將導致過衝、反覆修正與操作遲滯；汽車若排檔或雨刷邏輯不一致，更可能在壓力下形成習慣性錯誤。
  • 四、相容性不良可能造成的問題：其一，反應時間延長與錯誤率上升，Fitts 與 Seeger 之研究顯示不相容配對的反應顯著較慢；其二，學習與記憶負擔增加，需長期訓練方能熟練；其三，情境壓力下易回到直覺反應而失誤，如誤踩油門；其四，需以額外標示、顏色或語音補償，增加介面複雜度；其五，長期不一致將累積不信任與挫折感，降低整體操作績效與安全性。
  • 五、設計原則與建議：應遵循母體刻板印象與既有慣例，優先採用空間對應排列，使控制項緊鄰其顯示；同一系統內維持方向邏輯一致，避免混用；以形狀編碼、觸覺與聽覺回饋強化辨識；重要或緊急功能採失效安全（fail-safe）設計並防止誤觸；依 ISO 9241、ISO 1503 與相關車輛標準進行檢核，並以不同年齡、文化背景之使用者進行可用性測試驗證，必要時以訓練與標示作為補救措施。