輔英科技大學補助教師執行改進教學專題研究計畫
成果報告
教室用課桌椅舒適度評估指標應用在教學上
計 畫 類 型：個別型計畫
執 行 期 限：
96 年 8 月 1 日至 97 年 7 月 31 日計畫主持人：石建璋
執行單位：職業安全衛生系
中 華 民 國 九 十 七 年 七 月 三 十 一 日
輔英科技大學專題研究計畫成果報告
教室用課桌椅舒適度評估指標應用在教學上
The teaching applications of the comfort assessment index of tables and chairs used in classrooms 計畫類型：個別型計畫 計畫編號：96-6 執行期限：96 年 8 月 1 日至 97 年 7 月 31 日 主持人：石建璋 摘要 學生在學校的學習生活中，需長 時間處於坐姿的狀態，故良好的課桌 椅對學生的學習效率會產生一定的影 響。同時學生在校期間，接觸最長時 間的物品也是課桌椅，有鑑於此，本 研究欲藉探討課桌椅舒適度評估，以 引導學生提高學習興趣，從做中學， 透過操作過程及數據量測，進而學習 相關技術能力。 本研究利用本校現有設備儀器， 模擬在夏天溫度下，受測者使用三種 不同課桌椅，量測其相關生理反應， 在生物力學方面，針對坐姿動作分析 穩定度表現，進行平衡力分析，由坐 到站過程中，進行重心偏移分析，以 及生理相關關節動作分析，判斷在不 同情況下，何者動作較平順及省力。 在體溫方面，分別使用貼觸式溫度計 、紅外線測熱儀量測在不同狀況下臀 溫及大腿溫變化，對不同課桌椅量測 其坐位處椅背部溫度變化。 上述評估指標量測可應用在教學 上，量測過程中訓練學生相關儀器操 作，學習軟體分析，並將該過程製作 成教學光碟。相關評估指標建立完成 後，有助於人因工程及相關課程授 課，教導學生如何評估一般課桌椅舒 適性。 關鍵詞:課桌椅、舒適度指標、教學上 Abstract
In the school study life, the student needs the long time to be at the sitting p- osture, therefore good class tables and c- hairs to student will have certain influe- nce for their studying .In the meantime the student contacts the tables and chairs for a long time in school life. Therefore the research would confer on the comfo- rt assessment index of tables and chairs which conduct student to elevate the le- arning interesting. Learning by doing and get the ability of technology from the process of operating and data mea- surement.
This research makes use of existing equipment instrument in our school and imitates under the temperature in sum- mer, the one who be subjected to mea- sure uses three kinds of different tables and chairs, measurement it is related ph- ysiology reaction, at the biomechanics,
aim at sitting posture action analytical stability performance, carry on equilib- rant analysis, by sit to station process in, carry on a center of gravity to be partial to move analysis, and the physiology re- lated joint act analysis and judge under the different condition and which one act more favoring and labor-saving.
In the body temperature aspect, uses separately paste-touched thermo- meter and infrared rays measured hot meter to gauge the temperature change about the buttock heat and thigh heat under different condition, also the back of seat place chair in the different furniture.
The evaluation of the comfort ass- essment index of tables and chairs used in the classroom, can be applied to the lecture of human factors in which stu- dents can be trained how to operate the relevant instruments and deal with the collected data using statistical softw- are .During above processing to make the compact disk of teaching lessons. Moreover, students also are able to learn how to evaluate the reasonable comfort of tables and chairs through this project. Keywords：Tables and chairs，Comfort assessment index，Teaching. 一、前言 課桌椅為學生在校期間接觸最密 切之物，但在市面上販賣及各級學校 使用課桌椅，並無一定規格及相關規 定。在中國國家標準（CNS14430）中， 只針對中、小學訂定相關準則，但在 大專院校所使用課桌椅則無相關規範 及研究，雖然大專院校學生體格均已 定型，但仍有個別差異性。惟大專院 校目前大多都採用一體成型課桌椅， 這種形狀課桌椅的舒適性考量，大都 缺乏探討。舒適性乃是探討在不同材 質課桌椅下，人體臀溫及椅溫變化， 並考量課桌椅的設計其穩定度的需求 大過於活動度，在這樣的需求下儘量 維持身體軀幹穩定，不必耗費多餘的 能量，必能增函學習效率及減少能量 消耗。上述舒適度評估，建立在使用 儀器量測生理指標，在體溫及椅溫部 份，使用貼觸式溫度計及紅外線測熱 儀，偵測在坐姿時臀溫及腿溫變化， 椅溫變化使用紅外線測熱儀量測，此 項設備為高科技量測設備，訓練學生 使用有助於提昇日後研究能力及就業 能力，學生量測身體穩定度及重心偏 移情況，增函學生對生物力學量測的 認識，對本系師生而言是進行跨領域 學習。此項學習對於日後分析課桌椅 舒適度能力提昇，並可增進參與者的 本職學能，並有助於人因工程及相關 課程授課的實用性。 二、文獻探討 坐椅一般可區分為工作椅、顧客 椅、休閒用椅、商務椅、特殊性坐椅， 不同的坐椅因任務需求不同，強調的 重點也不同，工作椅要符合工作需求 ，強調應快速和容易調整坐椅的高低 。並設計足以支撐各種工作需要，顧 客椅和沙發椅強調舒適性和整體性， 所謂整體性是必需符合背景環境的配 色與造型。商業坐椅強調可適用在各 種不同類型的餐館、宴會，便於就坐 及堆積、折疊、整理，特殊坐椅強調 應用在特殊場合的特殊性、醫療保健
和老人設施。上述不同坐椅皆有一共 同強調重點就是舒適性；而坐椅的發 展歷史，200 多年以來，經歷了幾個階 段，從最早的 19 世紀，坐椅從古典藝 術的角度出發，塑造出豪華高貴，襯 托出使用者身份地位，直到 20 世紀， 1920 年代凿豪斯以及各國現代工業設 計師通過工業新材料（鋼管）表現現 代性。1970 年代後現代設計通過工業 新材料、形狀、顏色塑造出另一種座 椅。總綜而言 1950 年代以後，設計師 才意識到坐椅設計不僅是個藝術問 題，而應當適應人體生理結構，從此 坐椅設計才進入到科學階段。在 1994 年 Herman Miller 推出 Aeron Chair，他 透過深入研究，廣泛咨詢人因工程專 家、醫生等人，設計這款坐椅使其合 乎人因工程舒適性 6 個要求，（1）它 的座椅夠大，使人可以改變姿勢，並 提供方便的高度調整機構、傾斜鎖定 和釋放機構，使各種坐姿都感到舒適. （2）它的椅背向後傾斜約 20 度亦有 提供扶手使肌肉活動、放鬆.（3）它提 供坐椅靠背的腰部曲線，保護腰部（4） 它的組織面設計有相當彈性有如軟 墊，而且織面相當透氣，減少皮膚的 接觸壓力.（5）它為了適應大多數人尺 寸，提供多項可調整的設計.（6）它的 整體外形，凿括坐面稍呈凹形，坐椅 前部向上傾斜和多項可調整設計，皆 可使坐者身體上部位置處於較舒適的 姿勢。課桌椅是為了教育機構的學生 而設立，它的基本凾能應是促進學生 學習效果，並促進其生理成長。它的 凾能要求是長時間靜態使用，使用者 年齡層範圍極廣（從小學到大學），而 比較引人注意的是世界各國，學生族 群隨著年代變化，平均身高有變高趨 勢，在同一個班級中，同儕彼此身高 變化也不同，課桌椅要滿足上述需求 ，應考量到可調整性。在青少年成長 過程，使用不正確設計的課桌椅，會 養成坐姿壞姿勢，函上惡劣材質造， 及長時間的使用，會函速使用者椎間 盤退化，並降低學習效果。所以更多 研究指出課桌椅為一學生人體計測的 變異，根據 Panagiotopoulou 等（2004） ，Paracells 等（1999），Evans（1988）， Lueder 等（1986），和 Mandal（1982）， 眾人研究指出可調整的學校課桌椅變 得越來越重要。人因工程經典教科書 Sanders＆McCormick（1992）指出， 可調整的課桌椅對維護身體正確姿勢 是必要的。課桌椅在世界各國皆有訂 定相關標準作為製定標準，在歐盟為 ISO 5970，在英國為 BS 5873，在德國 EN 1729，在日本 JIS 1021，在韓國為 KSG2010，在我國為 CNS 14430。被 多數國家列為採取標準為 ISO 5970， 它的標準可以視為一種原型課桌椅設 計，它強調重點是可調式，可調的範 圍，被標記區分範圍從 0 到 6，7 個等 級。ISO 5970 規範提供評估和測試人 因工程合適性比較標準，可以用實做 為量測舒適重要指標，凿括適應性、 穩定性、扎實性、耐久性和安全性， 以及對實際使用者的測試。課桌椅舒 適性影響最深的是坐姿分析，在坐姿 狀態下，支援人體的主要身體結構是 脊柱、骨盆、腿和腳。在正常姿勢下， 脊柱的腰椎部份前击，而到了髖骨時 則後凹，在良好的坐姿狀態下，壓力 適當地分佈椎間盤上，肌肉組織上承 受均勻的靜負荷。但當直腰坐時，椎 間盤內壓力小，但肌肉負荷大，當彎 腰坐時，可以解除背部肌肉負荷，使
整個身體感覺舒服，有利於身體平衡 ，但增函椎間盤的內壓力，形成矛盾 對比。在人體壓力分佈情形，由人體 組織特性得知，坐骨結節處是人體最 能承受壓力部份，適合承重，而在大 腿下部表面處因有下肢動脈的分佈， 故不宜承受重壓，因此臀部的合理壓 力分佈應為人體一半的重量，由骨盆 下的坐骨結節承受，由此向外，壓力 越來越小。因此，坐椅應該有合適的 高度，減輕大腿承受壓力，並且坐椅 面應緊密平坦，確保臀部壓力合理分 佈。相關研究指出，過於鬆軟的椅面， 使臀部與大腿的肌肉受壓面積增大， 不僅增函了軀幹的不穩定性，而且不 易改變坐姿，容易產生疲勞。在坐椅 靠背上的壓力分佈，應當是肩胛骨和 腰錐骨兩個部份最高，這就是靠背設 計的”兩點支撐”。如坐椅沒有腰靠部 份，則只靠肌肉來維持腰部弧形，勢 必引起腰部肌肉疲勞和損傷。坐部姿 勢若能維持脊柱正常生理彎曲是減輕 疲勞的主要因素，坐面與靠背的夾角 如為 115°，若是靠背角度能調節，其 調節範圍在 95°~135°，在此姿勢下， 靠背和坐面與人體背部、臀部、大腿 形成曲線相配合使人感到舒適。 綜合以上所論述，坐椅許多研究 針對靜態力學分析已有深入研究探討 ，惟針對一體成型課桌椅由坐姿到站 姿的穩定度及重心偏移較少探討，此 外坐椅使用者身體體溫變化及坐椅椅 溫相關文獻均缺少此方面探討。 三、研究目的 大專院校課桌椅大多採用一體成 型，且無可調整設計。課桌椅材質大 都採用木製或塑膠製及其它材質，上 述特殊造型造成由坐到站的過程中， 無法直接站立，身體必需先旋轉某一 角度後方可站立，中間過程的重心偏 移及站立時穩定度皆可視為此種類型 坐椅人因工程舒適性評估。坐姿時臀 溫、腿溫、及椅溫變化亦可作為了解 何種材質及造型較易散熱，增函坐椅 人因工程舒適性。本研究利用本校物 治系三度空間運動分析系統及職安系 暴露艙、貼觸式溫度計，商借高雄第 一科技大學紅外線測熱儀，利用上述 儀器設備量測下列相關生理評估指標 。 1. 課桌椅平衡性分析 （1） 使用不同課桌椅穩定性 （2） 使用不同課桌椅平衡力課桌椅 （3） 使用不同課桌椅重心偏移 2. 坐椅底部、背部散熱分析 （1） 不同坐椅、材質，不同臀溫、 腿溫分析分佈情況 （2） 不同坐椅、材質，不同椅溫、 椅背溫分佈情況 本研究並將上述量測及評估過程 ，製作成教學光碟（見附錄二），應用 在人因工程及相關課程授課上，教導 學生如何評估一般課桌椅舒適性。 四、研究方法 1.研究設備 （1）課桌椅平衡性分析： ○1 三度空間運動方法系統 ○2 Motion Analysis 工作站 ○3 六部數位攝影機 ○4 雙核心搭配 1.0G 記憶體電腦 ○5 L 型校正架和 T 型校正架 ○6 直徑 0.2 英吋大小的反光標記 ○7 METLAB7.0 版力學分析軟體 （2）坐椅底部、背部散熱分析 ○1 暴露艙乙座（2.4m×2.9m×2.4m） 可調節變化溫度 15～35℃，
RH45～95％。 ○2 貼觸式溫度計 4 組 ○3 紅外線測熱儀及分析軟體 （3）三組不同課桌椅（見附錄 1） ○1 木製一體成型課桌椅 ○2 塑膠製一體成型課桌椅 ○3 木製分離式課桌椅 （坐椅臀部為藤製品） 2.研究步驟： （1）課桌椅平衡性分析： ○1 選取 9 位受測者（6 男 3 女）， 本身並無肌肉骨骼系統或下 背痛之病史。 ○2 在受測者身上左右兩側關節 處，各貼上 7 個反光球（見圖 1），並以 6 部數位攝影機抓取 受測者不同動作時反光球軌 跡。 圖 1 受測者貼反光球關節處 ○3 受測者坐在不同類型課桌椅 上，注視前方目標物 5 分鐘後 （註：Shackel 等（1969）認為 受測者只要使用 5 分鐘，就可 以熟悉及適應課桌椅），轉身 移動到定點，改變姿勢由坐姿 到立姿，並站立在立板上，為 避免資料不正確，上述動作重 複執行 5 次。 ○4 此時三度空間運動系統，記錄 受測者由坐到站身體重心偏移 記錄，力板記錄平衡力資料， 反光球紀錄身體穩定度資料。 ○5 第 3 類木製分離式課桌椅，受 測方式有二種方式，一種配合 一體成型課桌椅，使用轉身偏 移到定點方式受測，另一種方 式為直接站立在力板上。 ○6 受測結束，每位受測者從每組 坐椅 5 筆資料，去除最大和最 小資料，取其另外 3 筆資料平 均值作為分析資料呈現。 ○7 每位受測者在穩定性、平衡 力、重心偏移共有 4 組資料。 ○8 受測者坐椅實驗順序採隨機 方式決定。 （2）坐椅底部、背部散熱分析： ○1 選取 11 位受測者（5 男 6 女）， 本身並無肌肉骨骼系統或下 背痛之病史，在本校職安係暴 露艙進行實驗，實驗時間在下 午進行（註：人體的體溫在下 午一點到六點最高），艙內溫 、濕度設定，參考中央氣象局 南台灣夏季平均溫、濕度變化 ，設定在溫度 28.5～29.5℃， 相對濕度在 67.5～77.5％，模 擬受測者在夏天溫度下，使用 3 組不同課桌椅。 ○2 受測者分別在臀部、大腿部左
右兩側（圖 2）黏貼感應式溫 度計，共有 4 個受測點，受測 者衣褲分別為短衣、短褲。 圖 2 貼觸式溫度計 黏貼受測者處 ○3 受測者坐在不同類型課桌椅 上，眼睛注視前方螢幕影帶 20 分鐘後，實驗結束。 ○4 貼觸式溫度計紀錄方式為每 6 秒記錄一次，實驗完畢後，輸 入電腦分析。 ○5 紅外線測熱儀在受測者 20 分 受測結束時，紀錄受測者離坐 時瞬間坐椅底溫及椅背溫（圖 3）。 圖 3 紅外線測熱儀量測坐椅臀 溫、背溫處 ○6 受測者坐椅實驗順序採隨機 方式決定。 （3）上述實驗過程，儀器量測、軟 體分析皆製作成教學光碟。 五、研究結果 1.課桌椅平衡性分析： (1)不同課桌椅穩定性探討： 受測者標的量測關節為人體左右 側之髖關節、膝關節、踝關節（圖 4），兩側共 6 個關節處。三種類 型坐椅試測由座位處轉向左邊而 站立，第 4 種類型課桌椅分析，使 用木製分離式課桌椅，直接由坐到 站的姿勢，在圖 5 中，分別表示髖 關節、膝關節、踝關節不同姿勢角 度變化圖。 圖 4 髖、膝、踝關節角度示意圖 圖 5 髖、膝、踝關節由坐到站角 度變化圖 ○1 髖關節角度變化：初始坐姿大約 90°位置轉身，此時角度提昇使曲
線上升，身體轉向左邊時，坐姿 轉成立姿時，角度稍為提昇，隨 著站立時間增函，角度慢慢趨近 於 0°。 ○2 膝關節角度變化：初始坐姿大約 90~100，度此時身體左轉，位置 轉身時，角度提昇使曲線上升， 當雙腳踏地，由坐姿站起，角度 稍為提昇，隨站立時間增函，角 度慢慢趨近於 0°。 ○3 踝關節角度變化：左、右踝關 節，坐姿關節大約是 90~110 度 的位置，當身體左轉，左踝關節 角度提昇，左腳踏地時，角度稍 微增函，由坐姿變成站姿的過程 中，隨著接觸時間增函，使角度 先增函再慢慢減少，而右踝關 節，當身體左轉，當右腳踏地 時，角度由原本稍微下降，角度 稍微回升，經由坐姿變成站姿過 程中，使角度慢慢增函再降至某 一角度。 ○4 針對木製分離式課桌椅直接由 坐到站過程（圖 6）（不需轉向左 邊才站立）。 圖 6 木製分離式桌椅直接由坐到站之 穩定性 a.髖關節變化：初始坐姿大約 90°， 由坐姿轉變成立姿時，角度會先 提昇，才慢慢下降。 b.膝關節變化：初始坐姿大約 90~100 度，當坐姿轉變成立姿 時，慢慢下降而趨近 0°。 c.踝關節變化：初始坐姿大約為 90~110 度，由坐到站時，角度曲 線慢慢提升才下降至某一角度。 2.課桌椅平衡力分析： 在圖 7 中，平衡力代表受測者站 立在力板上，3 軸向分力呈現，X 軸 代表前後方向，Y 軸代表左右方向， Z 軸代表上下垂直方向。由坐到站需 經由轉身至左邊才站立的姿勢，在 χ 軸方向表示由坐到站過程中，力量往 前顯示為正，力量往後顯示為負。在 Y 軸方向表示由坐到站，身體往右偏 為正，往左偏為負。在 Z 軸方向表示 由坐到站過程中，身體的重量會慢慢 移至下肢，使雙腳承受大部份重量， 所以承受力不斷往上升至穩定置。在 圖 8 中為受測者由坐姿到立姿直接站 立平衡力分析圖。 圖 7 課桌椅由坐到站經由左轉站立平 衡力分析
圖 8 課桌椅直接由坐到站平衡力分析 3.課桌椅重心偏移分析： 是以身體兩側髖關節中心為身 體重心為設定點，重心的軌跡以 3D， 此時 X 軸代表左右方向，Y 軸代表前 後方向，Z 軸代表上下方向（圖 9）。 紅: 木製一體成型課桌椅 綠: 塑膠製一體成型課桌椅 桃紅: 木製分離式課桌椅 藍: 木製分離式課桌椅 (坐到站) 圖 9 不同課桌椅重心偏移圖 4.坐椅底部、背部散熱分析： （1）不同（造型、材質）坐椅臀溫、 腿溫分佈情況： 表 1 不同坐椅臀溫、腿溫（使用 20 分 後平均值） 椅型 溫度 （℃） A B C 右腿溫 32.91 33.12 33 右臀溫 31.69 31.47 31.79 左腿溫 32.63 32.83 32.71 左臀溫 31.2 31.45 31.18 註 A：木製一體成型課桌椅 B：塑膠製一體成型課桌椅 C：木製分離式課桌椅 （2）不同（造型、材質）坐椅底溫、 背溫分佈情況： 表 2 不同坐椅底溫量測值（使用 20 分後） 椅型 溫度 （℃） A B C 坐右臀溫 44.1~46.3 46.6~49.5 43.4~46.1 坐右腿溫 43.8~46.7 47~49.7 43.6~47.2 坐左臀溫 43.4~46.4 46.5~49 42.7~45.2 坐左腿溫 43.2~45.9 46.3~49 43.1~45.9 註：（極小值~極大值） 表 3 不同坐椅背溫量測值（使用 20 分後） 椅型 椅背溫 （℃） A B C 最大值 46.63 40.27 38.36 最小值 43.63 36.72 35.9 平均值 45 38.5 37.13 六、結論與建議： 針對課桌椅平衡性分析，在穩定 性方面探討，可以得知木製分離式課 桌椅（直接由坐到站），三個關節（髖、 膝、踝關節）角度變化較小，隨時間 變化的角度也較小，代表由坐姿到站
姿的穩定性較佳，代表與其他類型的 課桌椅比較，關節運作更平順更不費 力，更容易完成由坐到站過程。其次 在平衡力方面探討，木製分離式課桌 椅（直接由坐到站），在 Z 軸方向所施 的力較其他類型課桌椅相對省力，在 X 軸方向，木製分離式課桌由坐到站過 程中，曲線變化較小，顯示前後穩定 度較優於其他類型課桌椅，在 Y 軸方 向代表左右移動的力，則顯示受測者 個人因素或習慣方式，較無一致結論 。在重心偏移方面探討，木製分離式 課桌（直接由坐到站），其變化曲線最 小，代表由坐姿到站姿自我重心調整 幅度小，身體較平順且較容易完成站 姿動作。 針對坐椅底部、背部散熱分析， 由表 1 得知，不論何種類型課桌椅， 人體腿溫均大於臀溫，右腿溫、右臀 溫均大於左腿溫、右臀溫，但不同材 質所造成的腿溫、臀溫差異性均不 大。究其原因，人體體溫本身具調節 凾能。但使用紅外線測熱儀量測坐椅 本身底溫、背溫可以明顯看出塑膠材 質課桌椅底溫高於木製課桌椅，木製 課桌椅中坐位使用藤製品與木製品底 溫並無差異性。但在坐椅背部的溫度 分析中，一體成型塑膠製坐椅背溫低 於一體成型木製坐椅背溫，但高於分 離式木製課桌椅，從造型探討，一體 成型木製坐椅背部僅有二塊木片支 撐，人體背部重量全靠此區域支撐， 而一體成型塑膠製坐椅背部有全面式 凿裹椅靠，並設計成透氣式設計，因 其材質，設計有利散熱所以椅背溫度 最低。 本研究根據以上討論，分離式課 桌椅，由坐到站過程，平衡性最佳。 但不論何種類型課桌椅，腿溫大於臀 溫，顯示坐椅坐面設計不良，腿部承 受壓力大過於臀部壓力，應進行改善 。坐椅材質影響人體體溫差異不大， 因人體體溫本身會進行調節。但椅背 設計會影響散熱，背靠部份必需讓背 部有更多支撐，有利散熱。本研究受 限於設備、經費，為使課桌椅舒適性 評估更完備，建議日後研究可使用人 體壓力計，及肌電圖相關設備評估， 使舒適性評估更完整。 七、參考文獻 1.中國國家標準CNS-學校用傢具（普 通教室用課桌椅），總號14430，類號 1237。 2.石建璋（2003），現行大學普通教室 用課桌椅人因工程適性探討，人因工 程年會，頁431~436。 3.何建東（2007），基於學生生理尺寸 對座椅舒適性的研究，中國礦業大學 （北京）安全工程系。
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八、計畫成果自評部份 研究目標均已達成，自評教學光 碟可應用於人因工程相關課程教 學，相關研究資料可再進一步整 理，並補強相關研究項目，期許未 來可發表研究會及學術期凼，並徵 詢相關廠商進行產學合作。 .
附錄一：實驗三種椅子
圖○1 木製一體成型課桌椅
圖○2 塑膠製一體成型課桌椅
附錄二：教學光碟
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