機(jī)械安全工程課程引入虛擬現(xiàn)實(shí)與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的教學(xué)探索

涂然 曾怡 周學(xué)進(jìn)

摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真技術(shù)作為新時(shí)代環(huán)境下的先進(jìn)科技是新型教育模式中的重要工具。在打破傳統(tǒng)機(jī)械安全工程教學(xué)壁壘的基礎(chǔ)上，基于虛擬仿真的教學(xué)模式可以提高學(xué)生在實(shí)際應(yīng)用中的參與度與問題的應(yīng)對能力。在調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性的同時(shí)，也有效提升了課堂教學(xué)的整體質(zhì)量。隨著相關(guān)科技的突飛猛進(jìn)，虛擬仿真一定會在機(jī)械安全領(lǐng)域的教學(xué)中起到重要作用，具有積極意義和正面的價(jià)值。

關(guān)鍵詞：安全工程；虛擬現(xiàn)實(shí)；數(shù)值仿真

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）18-0190-03

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，“安全”已經(jīng)成為我國日益突出的重要矛盾，例如近年來發(fā)生的央視大樓火災(zāi)、天津港特大火災(zāi)爆炸事故等[1，2]使得安全問題引起了全社會的空前關(guān)注，因此在時(shí)代的大背景下，教育部也正在積極的推動各高校增設(shè)或加大對安全工程學(xué)科的建設(shè)力度。“機(jī)械安全工程”是機(jī)械工程及安全工程專業(yè)的重要課程之一，作為一門交叉學(xué)科，本身囊括了許多自然及社會科學(xué)方面的基礎(chǔ)知識，例如公共安全、火災(zāi)安全等，同時(shí)與實(shí)際工程應(yīng)用又緊密相連。

在傳統(tǒng)安全工程學(xué)的課堂教學(xué)活動中，學(xué)生與實(shí)際安全場景的距離相對遙遠(yuǎn)，缺乏對實(shí)際問題的參與感，在理解上也會產(chǎn)生不同程度的偏差乃至誤解，因此遠(yuǎn)不能達(dá)到該課程的教學(xué)目的。正是由于這些因素，具有相關(guān)專業(yè)的高校在教學(xué)實(shí)施過程中更應(yīng)該考慮引入新的教學(xué)模式，一個(gè)較為有效并切實(shí)可行的方法是將虛擬仿真以及相關(guān)數(shù)值模擬技術(shù)引入到安全工程的教學(xué)之中，使具有危險(xiǎn)性或高成本的實(shí)際場景得以在教室內(nèi)重現(xiàn)，讓學(xué)生迅速理解和掌握相關(guān)知識。

虛擬現(xiàn)實(shí)及仿真技術(shù)是基于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的一大類，可創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬仿真世界的技術(shù)統(tǒng)稱[3，4]。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成效果逼真且兼具視覺、聽覺甚至嗅覺、觸覺等多種感知的虛擬環(huán)境，通過使用對應(yīng)的交互設(shè)備，同虛擬環(huán)境中的實(shí)體進(jìn)行互動交流，是一種先進(jìn)的數(shù)字化人機(jī)接口技術(shù)。自其誕生以來，已經(jīng)在軍事、測繪、制造、建筑、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中發(fā)揮了巨大作用。本文旨在針對目前機(jī)械安全工程中的一些難點(diǎn)，分析和探討引入虛擬現(xiàn)實(shí)及仿真技術(shù)后的優(yōu)勢，并對今后課程的教學(xué)發(fā)展提出了建議。

一、傳統(tǒng)教學(xué)方式在安全工程學(xué)課程中的困境

機(jī)械安全工程在教學(xué)時(shí)由于涉及到大量應(yīng)用場景，是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，此時(shí)傳統(tǒng)的教師單方面灌輸課堂知識略顯蒼白，例如在講授機(jī)械工業(yè)廠房火災(zāi)防治的相關(guān)內(nèi)容時(shí)，書本作為傳統(tǒng)媒介幾乎無法展示火災(zāi)發(fā)生的一系列復(fù)雜動力學(xué)現(xiàn)象，也無法讓學(xué)生感受到災(zāi)害環(huán)境下的人因作用，導(dǎo)致學(xué)生在認(rèn)知過程中達(dá)不到預(yù)定的教學(xué)目的。總體來看目前普遍存在以下兩大問題。

1.課程內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用場景相差較大或嚴(yán)重脫節(jié)。由于傳統(tǒng)理工科教學(xué)的限制，以知識點(diǎn)和公式為重心的授課內(nèi)容在日益變化的安全問題中是滯后的。不僅容易導(dǎo)致學(xué)生目光短視，也不利于學(xué)生畢業(yè)后進(jìn)入相關(guān)行業(yè)。一個(gè)突出問題便是相關(guān)專業(yè)的學(xué)生缺少接觸實(shí)際安全問題的機(jī)會，造成無法運(yùn)用所學(xué)理論來指導(dǎo)實(shí)踐活動，或者在工作中常常錯(cuò)誤的估計(jì)場景的安全性或危險(xiǎn)度，不能作出正確的應(yīng)對措施，這對于從事安全領(lǐng)域的相關(guān)職業(yè)而言是極為不利的。

2.安全工程學(xué)的學(xué)生參與度及課堂滿意度普遍不高。對于一門綜合性、交叉性極強(qiáng)的學(xué)科來說，其本身便具有復(fù)雜、多元與實(shí)踐要求高的特點(diǎn)。傳統(tǒng)課堂以講授為主的模式已被大量案例證明是難負(fù)重任的，并且由于我國的相關(guān)教材很大一部分是節(jié)選國外上世紀(jì)的研究內(nèi)容，進(jìn)一步加大了教學(xué)活動與實(shí)際應(yīng)用的落差，因此對于這類新興學(xué)科而言，教師可以吸納構(gòu)建主義的教學(xué)觀，在教學(xué)過程中教師起到組織、指導(dǎo)和促進(jìn)的作用。利用情境重構(gòu)、協(xié)作互動等學(xué)習(xí)要素充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性、學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)新精神。可以預(yù)見的是在安全工程的教學(xué)中引入虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真技術(shù)，能夠較好的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，并體現(xiàn)學(xué)生認(rèn)知中的主體地位，使學(xué)生可在相對貼近復(fù)雜真實(shí)的應(yīng)用情境中完成學(xué)習(xí)內(nèi)容，培養(yǎng)和提高自身綜合學(xué)習(xí)的能力。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)及仿真在安全工程學(xué)的具體實(shí)現(xiàn)

1.基于pathfinder軟件的危險(xiǎn)環(huán)境人員疏散虛擬仿真教學(xué)。安全領(lǐng)域中的基本原則是優(yōu)先保障人身安全，因此機(jī)械安全工程課程中特別包含了發(fā)生災(zāi)害，如地震、火災(zāi)后的人員疏散等相關(guān)內(nèi)容。正如前文所述，受限于傳統(tǒng)教學(xué)場地等條件限制，要讓學(xué)生體驗(yàn)大型機(jī)械廠房受災(zāi)過程中的大規(guī)模人群疏散幾乎是無法實(shí)現(xiàn)的，而利用專業(yè)的數(shù)值仿真軟件Pathfinder[5]，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備便能夠很好的解除這種限制。Pathfinder是由美國Thunderhead engineering公司開發(fā)的專業(yè)人員運(yùn)動模擬器。軟件自身提供了圖形用戶界面的場景建模工具以及后期進(jìn)行三維可視化分析的處理程序。在實(shí)際建模過程中，用于進(jìn)行人員運(yùn)動的環(huán)境是一個(gè)完整的基于有限元網(wǎng)格的三維空間，例如在對建筑內(nèi)人員進(jìn)行疏散仿真時(shí)，首先將按照建筑物的比例與門、窗、電梯等出入口進(jìn)行綜合建模，值得一提的是Pathfinder提供的建模UI界面十分便捷，可以輕松建立房間隔墻、房門出口、走廊通道、上下樓梯及電梯等各種建筑內(nèi)的場景，方便教師進(jìn)行操作和演示。然后對人員的體態(tài)、分布、運(yùn)動特性等進(jìn)行設(shè)置，Pathfinder通過一套特殊的動力學(xué)參數(shù)算法，可以對場景中每個(gè)人員的運(yùn)動情況進(jìn)行追蹤，并且可以模擬出不同運(yùn)動速度、人員身高、相互碰撞、緊急尋路及方向迷失等特殊情況。最終，通過直觀的可視化模擬結(jié)果（如圖1所示），不僅能科學(xué)地分析出人員疏散的相關(guān)數(shù)據(jù)，還能得到人員疏散的最佳時(shí)間或最佳路徑等方案。在此基礎(chǔ)上，可直接將虛擬現(xiàn)實(shí)的軟硬件進(jìn)行耦合編程，最終通過虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔或眼鏡等外設(shè)將學(xué)生置身于所搭建的逃生場景中，切實(shí)體驗(yàn)真實(shí)的大規(guī)模人員疏散過程，對于學(xué)生理解真實(shí)疏散、培養(yǎng)協(xié)作逃生能力、提高災(zāi)害自救素養(yǎng)具有重要作用。

2.基于FDS軟件的火災(zāi)安全事故虛擬仿真教學(xué)。火災(zāi)安全由于其廣泛性及后果的嚴(yán)重性，自安全學(xué)科誕生起便是其中的重要組成部分，而在傳統(tǒng)課堂教學(xué)中是很難讓學(xué)生對其有直觀體會的。為大幅改善教學(xué)效果，可以通過FDS軟件[6]讓學(xué)生觀察和感受到身臨其境火災(zāi)的發(fā)生發(fā)展過程。FDS軟件是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)局NIST的建筑火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室所自行研發(fā)的針對火災(zāi)過程的開源動力學(xué)數(shù)值仿真軟件。目前該軟件的開發(fā)已接近有20年的歷史，是火災(zāi)安全方面的權(quán)威軟件，其目的就是為了解決火災(zāi)與消防安全中所存在的實(shí)際問題，為其提供定量或定性的參考依據(jù)。FDS軟件內(nèi)部包含了兩部分的程序模塊：第一塊是求解各種物理化學(xué)控制方程的主程序模塊；第二塊則與Pathfinder的可視化分析模塊類似，為一個(gè)用于后端輸出的三維可視化模塊SmokeView，用于查看計(jì)算結(jié)果以及對整個(gè)火災(zāi)過程進(jìn)行可視化仿真演示。例如通過該軟件可以重現(xiàn)整個(gè)建筑從局部著火、煙氣蔓延、火勢擴(kuò)大到室內(nèi)轟燃等火災(zāi)各特征階段的典型現(xiàn)象規(guī)律，如圖2所示。FDS的開源優(yōu)勢在于能夠方便的對其他仿真軟件進(jìn)行嵌入，例如可與上述的Pathfinder進(jìn)行聯(lián)合仿真，可以模擬出真實(shí)火災(zāi)情況下的人員逃生規(guī)律。借助這一平臺，學(xué)生不但可以更真切的了解到火災(zāi)對人的復(fù)雜影響，還能訓(xùn)練如何應(yīng)對此類災(zāi)害的各項(xiàng)能力，不僅提高了課程的整體效能，也在很大程度上挖掘和拓展了學(xué)生的自我能動性。

3.基于虛擬仿真和眼動追蹤的危險(xiǎn)環(huán)境感知教學(xué)。機(jī)械安全工程中人員的感知是非常重要的內(nèi)容之一，考慮到傳統(tǒng)教學(xué)手段基本無法在課堂上實(shí)現(xiàn)對學(xué)生感知體驗(yàn)的互動式教學(xué)，可以借助神經(jīng)認(rèn)知類的相關(guān)儀器設(shè)備，如腦電波電位系統(tǒng)、ETG眼動追蹤系統(tǒng)并結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡等裝置。在課堂上一方面教授學(xué)生學(xué)習(xí)上述先進(jìn)儀器的基本操作，另外教師通過設(shè)置搭建三維仿真危險(xiǎn)場景，還可使學(xué)生作為危險(xiǎn)“親歷者”，通過虛擬手柄、手勢運(yùn)動追蹤等工具實(shí)現(xiàn)在虛擬危險(xiǎn)場景中的互動體驗(yàn)，如危險(xiǎn)源識別、撲救、人員互助及協(xié)同逃生等，并結(jié)合腦電、皮電、眼動數(shù)據(jù)測量學(xué)生的感知反應(yīng)，最終讓學(xué)生在生動有趣的課堂環(huán)境中了解真實(shí)危險(xiǎn)環(huán)境下的人員行為特征。實(shí)際上在華僑大學(xué)機(jī)電學(xué)院VR仿真實(shí)驗(yàn)室與旅游學(xué)院神經(jīng)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)室硬件的支持下，開展了數(shù)次嘗試性教學(xué)活動，并獲得了學(xué)生的廣泛好評。

三、引入虛擬仿真的教學(xué)優(yōu)勢和意義

作為一個(gè)新興事物，虛擬仿真將在一定程度上促進(jìn)傳統(tǒng)教學(xué)的改革，并為課堂帶來了新的活力，對于教學(xué)而言具有非常正面的意義和價(jià)值，其具體優(yōu)勢如下。

1.突破了傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式的種種限制。由于安全領(lǐng)域的大尺度實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目存在設(shè)備昂貴、成本高、周期長等問題，很難在課堂教學(xué)中引入這些手段，而虛擬仿真平臺則不受時(shí)間、空間的約束，能夠最大程度的利用教學(xué)資源為學(xué)生的多元自主學(xué)習(xí)提供支持。

2.虛擬仿真技術(shù)能夠?qū)W(xué)生從平面的書本或黑板學(xué)習(xí)迅速帶入到生動且具體的實(shí)際場景中，減少學(xué)生在認(rèn)知上的理解成本。利用計(jì)算機(jī)仿真軟件可以大幅度擴(kuò)展教學(xué)內(nèi)容和靈活度，能夠很好的培養(yǎng)學(xué)生的全面理解能力、創(chuàng)造思維能力以及運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)的綜合能力。

3.高度仿真的應(yīng)用場景可以解決學(xué)生平時(shí)實(shí)踐能力缺乏的問題。借助虛擬現(xiàn)實(shí)及仿真手段，學(xué)生可以自主設(shè)計(jì)并開發(fā)應(yīng)用場景，促進(jìn)知識的轉(zhuǎn)化與擴(kuò)展。

四、結(jié)語

虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真技術(shù)作為新時(shí)代環(huán)境下的先進(jìn)科技，必將成為教學(xué)科研的重要組成部分，將其引入機(jī)械安全工程領(lǐng)域的教學(xué)環(huán)節(jié)是合理可行的。在打破傳統(tǒng)安全學(xué)教學(xué)壁壘的基礎(chǔ)上，基于虛擬仿真的教學(xué)模式可以大大提高學(xué)生在實(shí)際機(jī)械安全問題中的參與度與應(yīng)對能力。不僅調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，也提升了課堂的整體教學(xué)水平。我們有理由相信，隨著虛擬仿真相關(guān)科技的突飛猛進(jìn)，一定會在機(jī)械安全領(lǐng)域的本科教學(xué)中起到舉足輕重的作用。

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