虚拟现实技术在安全工程教学中的运用

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【摘要】虚拟现实技术以其高仿真性、多感知性以及自主交互性等特点，迅速在各垂直细分领域开花结果。尤其在教育行业，利用虚拟现实技术打造的立体化感知型课堂，极大地拓宽了教学边界，提升了教学质量。虚拟现实技术在理论培训、事故体验、科学实验、应急演练等安全工程教学领域的应用研究与实践也正在如火如荼的进行。本研究课题从虚拟现实技术和安全工程教学的特点出发，寻找两者之间的契合点，研究虚拟现实技术在安全工程教学中的最落地的应用模式，为安全工程教学改革提供参考方向。

【关键词】虚拟现实技术；安全工程；教学改革

1引言

虚拟现实技术，简称VR技术，通俗来讲就是用虚拟创造现实。即利用计算机技术生成一种多源信息融合的三维动态场景，使用者利用其可交互性，实现与仿真场景的反馈互动，从虚拟场景中或者“现实感”。近年来，虚拟现实技术迅猛发展，“十三五”规划纲要中指出：“大力推进先进半导体、机器人、增材制造、智能系统、新一代航空装备、空间技术综合服务系统、智能交通、精准医疗、高效储能与分布式能源系统、智能材料、高效节能环保、虚拟现实与互动影视等新兴前沿领域创新和产业化，形成一批新增长点。”“虚拟现实”位列其中。虚拟现实技术的应用转化及生态系统建设也如火如荼的进行，也让虚拟现实技术成为与物联网、增强现实、区块链、人工智能、3D打印、无人机和机器人并列的核心科技。目前虚拟现实技术在教育行业中的应用大多聚焦于义务教育阶段的通识教育，利用头戴式、桌面式的VR设备进行以感知和体验为主的趣味教学，但是缺乏在某一领域的纵向发展，不够精，不够专。安全工程教学要求既要教理论，又要引导实践，既要传授知识，又要培养技能，随着社会经济的发展和科学技术水平的提升，对安全工程教学也提出了新的要求，传统的教学方式和教学内容也亟待改变与升级。曾子力、刘方奎、王子君等人指出，可以利用虚拟现实技术去模拟危险性较高、组织较为困难的安全工程教学环境，借以实现应急管理等知识的培训，西安科技大学消防实验室，也正引进虚拟现实技术进行安全及消防教学。但是虚拟现实技术的真正落地使用，需要软件内容与硬件系统的配套使用，在真正的垂直领域，落地还很困难。不过将虚拟现实技术与安全工程教学相结合并推动落地实施，既是虚拟现实技术在垂直细分领域应用的又一次突破，也为安全工程教学改革提供了新的解决思路。

2虚拟现实技术在安全工程教学中的应用优势

虚拟现实的构想性、沉浸感和交互性的三大特性打破了学习的时空限制，创造了丰富多样的学习情境，海量的内容与新颖的形式有助于激发学习者的学习动机，提升教学质量并促进教学资源的均衡。

2.1激发动机，从“要我学习”到“我要学习”

学习动机分为外部动机和内部动机，而真正能够提升学习效果的是内部动机。相比于“被动接受”，内部动机所激发的学习行为强调“主动探索”。虚拟现实技术在教学方式手段呈现上，实现了知识点从二维到全景三维的转变，让知识的呈现方式更加立体丰富，从而激发学习者的学习兴趣，创造良好的学习体验。从根本上改变学习者的学习观念，以探索者的身份去探索和拥抱学习内容。虚拟现实的应用，能够为教育工作者提供全新的教学工具，让学习者在动手体验中迸发自主创新的火花。

2.2丰富内容，从“千篇一律”到“因材施教”

利用虚拟现实技术，将生物、物理、化学、工程技术、工艺加工、飞行驾驶、语言、历史、人文地理、文化习俗等教学内容进行制作与动态转化，在丰富内容的基础上，虚拟现实技术营造了自主学习的环境，由传统的“以教促学”的学习方式演变为学生通过新型信息化环境和工具来获取知识和技能的新型学习方式，符合新一轮教学改革的教育理念，有助于学生核心素养的培养。

2.3促进均衡，从“僧多粥少”到“雨露均沾”

我国幅员辽阔，地区之间贫富差距较大，存在教学资源分配不均的情况。经济发达地区无论是软硬件配置，教学师资和教学资源都非常丰富，而经济落后、地域偏远的山村学校学生连接受最基本的教育都难以实现。各级政府和教育主管部门都在大力推进教育均衡发展，加大教育投资力度，而虚拟现实技术应用将是解决城乡教育资源不均衡问题的一把金钥匙，有利于缓解教育资源两极分化，扩大优质资源的分享范围，能让教育资源不再受限于地区和学校，让教育发达地区的名教师通过虚拟现实课堂走进山村学校，能通过整体优化教育资源配置，来缩小城乡差距，实现教育公平，同时这也是教育扶贫的较佳途径。

3虚拟现实技术在安全工程教学中的应用

3.1在安全理论培训中的应用

安全工程教学涉及各类安全原理、理论及技术。安全相关理论具有高度的概括性和抽象性，而安全技术不仅涉及各类基础设备和工具，还针对具体操作过程具有较高的要求。传统的安全理论教学以教师讲解辅以图文资料进行，最终的教学效果很大程度上取决于教职人员的技术水平和学生自身的接收程度，因为理论学习不仅需要言传，还需要意会。利用虚拟现实技术，让静态枯燥的理论“动”起来，跃然于显示终端，让学员对理论知识的学习方式不仅仅局限于听，而是近距离去感知，去观察。将原本需要靠想象构建的知识点，变成立体而又具象的情景展示在学生面前。以安全工程教学工业通风及除尘中除尘系统为例。利用虚拟现实技术，构建除尘系统全工艺流程所涉及的三维模型，以三维模型为基础既能够实现除尘系统各单元的结构拆解、内部原理模拟还原、除尘机理及尘土流转等单个理论知识呈现，还能够通过模拟，实现一整套除尘系统的运转原理动态展示，还可以根据需要实现可远可近、可内可外、可大可小的呈现方式。同时，利用虚拟现实技术的交互性，学生可以第一人称的方式参与到场景中，实现除尘系统的启停等操作。

3.2在事故体验中的应用

“事故”是安全生产工作永恒的对手，也是最好的老师。安全工程的发展史也是生命财产损失的血泪史，安全意识的培养、防范经验的积累都离不开丰富的事故案例教学。传统的案例教学以图文和音视频资料为主，图文资料的二维局限性，音视频资料的内容碎片性都是影响事故案例教学的主要因素，导致传统的事故案例教学多是“隔靴挠痒”，体会不到“切肤之痛”。事故案例教学的目的在于警醒，警醒的方式在于刺激，刺激则来源于全身视觉、触觉、听觉、嗅觉等立体化的感官刺激。利用虚拟现实技术与其他技术设施的组合，创造虚拟事故体验场景，让事故真真切切就发生在身前，看得见、听得到、触的着，让学习人员从第三者变成经历者。针扎在自己身上，才会知道有多疼。利用虚拟现实技术进行事故体验，真正能够让学习人员全景感知事故发生的背景、起因、发展演变过程、影响范围、事故后果，而不仅仅是就事论事，停留在表面。更好地感知事故，才能更多地汲取教训、总结经验，才能以事故为鉴，从而更好地防范事故。

3.3在实验教学中的应用

实验教学作为培养学习者动手能力和实践能力的主要手段，也是安全工程教学的重要环节。安全工程的燃烧、火灾、爆炸等实验对实验条件、监测手段等有较高的要求。虚拟现实技术在这一领域的应用，不仅能够提升实验过程的操作性，对实现结果的呈现也更加直观。虚拟实验通常分模拟性试验、探究性实验、实证性实验。在模拟性试验中，学习者利用化学药品、天平、祛码等实验工具，操作类型多样的化学实验，近距离地观察燃烧、爆炸等化学现象;探究性实验更多的是用来展示物理、化学、生物等课程中特殊的事物，将难以描述的现象以更直观的方式呈现出来。实证性试验强调在实验者和被实验对象分离的情况下开展以解决真实问题为目标的虚拟实验。新加坡国立大学设计开发的基于网络的远程机器人操作系统是其典型代表，学习者可以通过操作该机器人进行试验，完成实验数据的记录。以美国的火灾动态模拟器（FDS）为例，FDS是美国国家标准技术研究所(NIST:NationalInstituteofStandardsandTechnology)建筑火灾研究实验室(BuildingandFireResearchLaboratory)开发的模拟火灾中流体运动的计算流体动力学软件。该软件采用数值方法求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动的N-S方程（粘性流体Navis-Stokes，重点计算火灾中的烟气和热传递过程）。由于FDS是开放源码的，所以得到了使用者持续不断的完善，在火灾科学领域得到了广泛应用。国内使用FDS的队伍也在不断壮大，包括清华大学、中国科技大学、上海交通大学、消防研究所等。清华大学的史建勇等以有限元分析软件ANSYS和火灾模拟软件FDS为基础，针对2008年北京奥运会体育场馆火灾安全分析开发了一套建筑火灾模拟和结构安全综合分析系统。示意图如下所示。图火灾烟气蔓延示意

3.4在仿真演练中的应用

2018年3月设立的中华人民共和国应急管理部其主要职责中的重要一项就是推动应急预案体系建设和预案演练。同时针对应急预案的演练也是应急管理工作准备环节的重要内容。我国目前的应急预案演练方式主要包括桌面演练、功能演练和全面演练，三种演练方式各有侧重也都各有局限。桌面演练作为室内的口头演练，通过情景设定侧重于针对应急流程的训练，由于所有的情景均为口头表述，因此代入感不强。功能演练和全面演练，虽然能够指针对应急预案中全部或大部分应急响应功能，进行应急组织应急运行能力的实战检验、评价，但是在实际操作过程中，面临组织周期长、经费投入大、实施频次低等问题。受限于这些难题，演练组织者为抓住这“来之不易”的实战演练机会会将应急预案演练的重心侧重于“演”，而让“练”的功能大打折扣，是谓“七分演，三分练”。特别是石油石化等高危行业具有物料危险性大、工艺复杂、装置连续性强的特点，使得在这种最需要高频次演练的场所不具备进行高频次演练的先天条件。而虚拟现实技术在应急预案演练中的应用，为解决应急预案的高频次演练问题提供了解决思路，利用虚拟现实技术，根据不同的演练目标和任务，按照真实生产场景，通过三维建模的技术手段，实现真实场景的1:1还原，为训练提供一个虚拟的训练场景，并根据演练情景进行演练灾害还原和流程植入创造逼真的虚拟仿真演练环境。在三维虚拟演练中，参演人员以不同的角色参与其中，配合实时语音、视频、对讲等多种沟通方式进行多人多岗位多角色的协同演练，实现从预案启动到应急响应结束的全流程实时动态演练，让受训人员了解在发生事故时知道该做什么、怎么做，真正让预案动起来，活起来，更加有生命力。同时，通过音视频资料的全程记录，实现演练过程的复盘，不仅可作为演练记录进行留档保存，也可作为演练评估的依据。利用虚拟现实技术进行应急预案演练可以摆脱现实环境依赖，打破时空限制，无限拓宽演练的边界，即使最复杂最危险的演练环境也可跃然眼前，同时内容可设置，过程可记录，结果能评估更有利于打造“学、练、考、评”为一体的综合性应急预案演练方式。

4虚拟现实技术在安全工程教学中存在的主要问题

虽然虚拟现实技术在教学中的应用能够改变教学方式、提高教学质量、完善教学评估，加快教学评估，但是在虚拟现实技术应用并不特别成熟的现阶段，在技术限制、内容制作、教学推广等方面还存有诸多问题。

4.1虚拟现实设备的技术制约

“眩晕感”一直是困扰虚拟现实技术体验的头号问题，特别是半小时以上的长时间使用，会导致使用者产生眩晕、恶心、呕吐等不适症状。究其原因，主要是受限于硬件设备的处理能力。如果要保证不出现眩晕，VR设备必须要输出120Hz及以上刷新率和4K及以上分辨率的画面。以目前市面上最先进的VR设备OculusRift为例，其刷新率仅为75Hz，而分辨率也只有1080P。并且这几乎已经是目前VR设备的极限，同时也是PC处理能力的极限。另外，可穿戴式的VR设备在人员定位技术上，一直没有突破性的解决方案，激光定位、红外光学定位及可见光定位都或多或少存在定位精度低，抗遮挡性差等缺点，而且受限于摄像头视角，还存在可移动范围小、追踪目标有限的问题。此外，受供电及数据传输因素影响，头戴式VR显示设备需要拖着连接主机的数据线，这也进一步限制了VR显示设备使用者的行动自由。

4.2虚拟现实教学资源的短缺

虚拟现实教学资源的制作涉及三维建模、动画制作、脚本设计、UI设计、引擎研发、软件编程、业务设计等不同领域的知识及技能，因此教学资源的制作不仅是个系统性工作，还需要大量的人才及资金投入。这一方面导致虚拟现实教学资源在制作时往往不够专、不够精，另一方面导致内容制作却往往“轻内容、重形式”，片面追求形式的新颖而忽略了内容才是教学资源的核心。同时，在整体的VR生态中，由于资本的逐利性，往往导致研发投入流向了更具有短期经济价值的快消娱乐VR内容及产品中，专业性的内容制作明显“供血不足”。这也进一步导致了虚拟现实教学资源的短缺。

4.3“去教师中心化”与传统课堂的冲突

虚拟现实的教学方式强调“因材施教”，这本无可厚非也是展现素质教育的有效方式，但这也迫使教师与学生的身份发生转变，学生不再是被动接受者，而是去主动探索与发现；教师不再是知识的传授者，而更多地以引导者身份出现。无论是教师还是学生，都需要快速实现身份的转换与适应才能发挥出虚拟现实教学的优势。不再以教师为中心虽然能够给予学生更多地自由与自主权，但是对学生的自律自觉性也提出了更高的要求。

5虚拟现实技术在安全工程教学中的建议

安全工程教学具有较强的专业性，虚拟现实技术在安全工程教学中的应用绝不能流于形式，浮于表面。因此无论是软硬件条件还是教学组织上都应具备一定的先决条件，都应当聚焦教学流程、注重教学质量。为保障虚拟现实技术在安全工程教学中的应用，需要满足有场所、有设备、有内容、有组织的“四有”要求。

5.1有场所——无限场景有限空间

虽然虚拟现实技术打破了时间和空间的局限，但那仅仅是针对教学内容而言。从教学这一行为本身来讲，有“教”有“学”，是两种不同身份之间的互动。而这种互动需要一定的场所。虽然线上教育作为一种教学方式备受推崇，但是传统课堂的生命力依旧顽强，线下课堂教育拥有不可比拟的交流特性与及时反馈特性，既缩短了信息的互通渠道，也减少了信息传递的失真。虚拟现实技术在安全工程教学中的应用，首先需要一定的场所，集中式的课堂教学能够让安全工程的教学内容更加的系统，没有一定空间，零敲碎打式，快消式的教学不是教学，是体验。

5.2有设备——虚拟现实教学需要硬件支撑

虚拟现实技术的应用离不开强大的硬件支撑。硬件性能的好坏直接影响虚拟现实业务内容的呈现效果。支撑虚拟现实技术应用的设备从功能来分，主要包括高性能主机、显示设备、操作设备和定位设备。这些设备往往成套设计与生产，也可根据实际需求进行定制化制作。以显示设备和定位设备为例，显示设备从人眼观看方式上主要包括裸眼式，例如普通PC端、移动端的呈现；头戴式，例如HTCVIVE等VR眼镜的呈现方式。而定位设备主要分为光学定位设备和步态定位设备两种。在安全工程的教学课堂上，无论是采用传统的PC呈现方式，还是可穿戴式的VR设备，都需要根据教学规模、空间实际、经费预算匹配性价比最高的设备设施。

5.3有内容——虚拟现实教学需要海量内容设计

场所和设备是基础条件，也是载体。而所承载的核心，就是“内容”，也可以理解为知识点。教学的过程，归根结底就是知识点的传递与升华。因此无论教学技术手段如何发展，依旧是内容为王。在利用虚拟现实技术教学之前，需要以教学大纲及课程体系为基础，开发特定的教学系统与教学内容，虚拟现实技术不过是一种新型高效直观地教学手段，而教学内容依然是不变的核心。在利用虚拟现实技术做安全工程教学内容呈现时，不必贪多求全，以免泥沙俱下，仅针对事故体验、仿真操作、模拟演练等传统课堂无法有效呈现的内容做体验升级即可。

5.4有组织——虚拟现实教学需要化零为整

教学过程是一系列行为和环节的组成。是一项系统性工作，要想取得较好的效果，需要统筹与组织。因此利用虚拟现实技术的安全工程教学，同样需要严谨全面的组织，涉及教学准备、师生互动、讨论分享、总结评比等各个环节。有组织的结果是有纪律，能够在一定程度上保证教学的效果。在规范教学内容的同时，也可防止学员各自为政，出现知识点的缺项漏项。同时，教学也是师生之间、生生之间教学相长的过程，通过教学组织，可以让虚拟现实教学与传统课堂教学相互补充，相辅相成。

6结论

虚拟现实技术以其构想性、沉浸感和交互特性能够针对性模拟再现丰富的学习环节，为学习者提供多样的感官刺激和精彩互动，通过创造沉浸式的学习体验提升教学效果。其在教学领域的应用已经得到了充分的印证，但是在更加精细的安全工程教学领域的应用目前尚在不断研究和试错的阶段。内容设计、硬件基础、使用方式也一直是困扰虚拟现实技术在安全工程教学中推广应用的主要问题，但是随着技术的发展、基础硬件的研发以及使用场景的不断优化，虚拟现实技术在安全工程教学中的应用也会更加普遍与便捷。虚拟现实技术也必将在探索和发展现代教育思路、提高教育水平、改造教学环境、优化教学过程和推动教学改革等工作中发挥重要作用。

【参考文献】

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作者：王起全 张以波 杨鑫刚 单位：中国劳动关系学院安全工程系