安全專業綜合3D+無人機虛擬仿真教學體系的設計與研究

孫紅偉 王小輝

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?結合廣東省實踐教學基地建設經驗，探討了安全專業虛擬仿真教學體系建設，總結了安全類專業虛擬仿真教學特點。結合校企合作，介紹了虛擬仿真教學體系建設總體框架，安全專業教學資源庫的建設內容、虛擬仿真體系教學設計、教學內容，以新的教學模式推動職業教育的1+X證書體制實施，彰顯了安全專業虛實結合的教學特色。

[關 ? ?鍵 ? 詞] ?仿真教學;虛擬仿真;教學模式;3D工廠

[中圖分類號] ?G712 ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] ?A ? ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2020）13-0114-02

安全專業涵蓋化工企業安全管理、企業危險化學品管理、環境風險應急等方向，企業生產環境復雜、生產工藝危險性大，出于安全考慮，一般不會接收在校生進行實訓，學校也無法將危險的生產車間搬進課堂。虛擬仿真教學就是基于虛擬現實技術所營造的虛擬仿真環境，并依據真實環境中的相關理論和實踐操作規程在虛擬仿真環境中進行相應的設計、操作、驗證和運行等的教學方式。安全專業的虛擬仿真教學體系可以避免實踐教學的危險性，解決職業教育與就業崗位脫節的問題。

對此，欒飛、閻玉芹等人開展了“基于Unity3D的液壓傳動虛擬仿真教學系統開發”;陳靜做了甲基叔丁基醚裝置虛擬仿真教學軟件的開發和設計;梁德福開展了“三維虛擬仿真技術在汽車維修教學中的應用”研究;劉尚明開展了“三維虛擬仿真教學模式在職業教育中的應用研究”;業紅玲開展了“應用型本科院校汽車構造課程虛擬仿真教學系統設計”研究工作[1-5]。

一、安全類專業虛擬仿真教學特點

虛擬現實技術在各行各業的應用愈加廣泛，教學仿真軟件的開發在很大程度上打破了傳統教學模式的束縛，為教育的改革帶來了新的曙光[6-9]。

（一）高效率的教學

安全類專業職業教育特點：（1）需要對生產環境總體把握;（2）危險工藝及危險因素識別;（3）風險應急響應及處理;（4）事故救援與演練;（5）防火防爆。這些特點是無法從普通實驗室的實訓中完全實現的，同時，因為具有很大的危險性，學生參加企業實踐有很大的風險，安全類專業實訓經常與現實脫節。

安全類專業實訓教學中需要考慮廠區環境、危險工藝、危險因素、應急處置、防火防爆等綜合因素，實踐教學困難重重。虛擬仿真技術的發展為安全專業實訓提供了廣闊空間，實踐教學中，運用虛擬仿真技術設計教學活動，提高學習效率，營造學習氛圍。

（二）低成本地塑造三維工廠

虛擬仿真教學設施包括設備和軟件，投資比較大，耗時也比較長，目前的軟件只提供某些固定的工藝環節及場景，無法做到真正的仿真。同時，在教學過程中，一套設備軟件只滿足一兩門課程教學，教學過程缺乏系統的設計，資源沒有科學的共享，造成資源浪費。

安全專業虛擬仿真體系在無人機拍攝基礎上與計算機技術緊密結合，通過后期分析處理，利用3D等軟件構建三維自動化模型，航拍后將生產中的工藝元素建成模，形成三維工廠，達到實地實時實踐教學，在訓練學生的同時，也可以為工廠提供技術管理資源，解決了目前大部分仿真實訓只有演示功能的問題，由于3D+無人機技術結合成本低，實訓素材可以隨時航拍企業環境及工藝，資源豐富，將實際企業生產過程與理論和實驗課學習進行有機結合，解決了目前虛擬仿真實訓遇到的難題。

（三）安全環保

職業教育以“培養生產、建設、服務和管理第一線高素質技能型專門人才”為目標，在真實的崗位環境學習和訓練是職教學生掌握技能的最佳途徑。然而由于受資金、技術、時空、企業等客觀因素限制，安全專業實訓存在危險性及污染性，不宜實訓，校園無法為學生提供所有專業真實崗位的學習環境，也沒有能力做到讓所有學生都獲得充分“操作”的機會，造成所學知識與技能跟不上行業潮流。

基于安全專業有關的虛擬仿真教學體系借助于虛擬仿真手段，使不可及、不可視、高風險、高污染等操作過程變得直觀形象，更具可操作性，充分發揮教師的主導作用和學生的主體作用，培養學生的實踐能力和創新能力，避免了污染與危險。

（四）校企合作特色課程

學校與企業合作，實時更新改進虛擬實驗教學素材，融入模型化的數據，并與VR等設備匹配，搭建虛擬仿真技術實現教學平臺，研究設計改進實訓環節，形成聯動機制，建設包括虛擬企業、虛擬場景、虛擬設備以及虛擬項目、生產工具、生產對象、生產場景、基地管理制度等實踐教學特色課程。

二、安全專業虛擬仿真教學體系總體框架

從安全專業學科整體考慮，科學合理地設計虛擬教學課程標準及教學方法，通過研究設計，形成安全類職業實訓虛擬仿真教學課程體系、課程標準、整體設計及實訓指導。

虛擬仿真教學體系以安全類主體課程為研究基礎，將安全專業課程危險化學品安全技術、工藝單元運行安全技術、風險應急管理、消防安全、防火與防爆安全技術、建筑施工安全技術、環境工程技術、機械安全技術融合成一個整體，課程之間可以相互借鑒，取長補短，有機結合。

采用人機拍攝+VR+3D技術構建逼真的實驗操作環境和實驗對象，使學生在開放、自主、交互的虛擬環境中進行高效及安全且經濟的實驗，進而達到真實實驗不具備或難以實現的教學效果，達到安全專業教學改革的目的（教學總體框架如圖）。

三、安全專業虛擬仿真教學體系教學內容設計

（一）教學設計

安全類專業虛擬仿真教學設計研究首先從企業調研與職業崗位分析著手，以職業崗位真實的工作任務及其工作過程為依據，整合、序化教學內容，精心設計教學過程，充分利用虛擬仿真技術，真實地再現和模擬現場工作情境。教學設計過程中，實施素材收集制作，虛擬實驗軟硬件協同，逐步形成課程體系、課程標準，建立安全類專業虛擬仿真教學平臺，具體內容包括如下幾個方面。

1.確定教學目標和教學內容。與企業現場專家和工程師進行專業崗位能力分析，了解相關職業崗位的任職要求和職業能力需求。

2.以職業能力需求為依據，以工作過程為導向，確定職業崗位所需的專業能力、方法能力和社會能力等職業能力目標以及職業崗位能力所對應的知識目標。

3.按照需求分析階段所設計的職業能力目標的類型和層次，將這些典型工作任務進行整合與序化，設計出難度適中的典型學習任務，明確虛擬仿真教學方向，虛擬仿真教學環境設計，為虛擬仿真教學平臺開發奠定基礎。

4.根據前期設計收集制作仿真實驗軟件素材，采用無人機技術收集素材，使用3DsMax等軟件來制作三維工藝及動畫，利用VR交互設備結合軟件開發教學系統。

5.建立安全類虛擬仿真教學實驗平臺。按照教學任務設計中確定的典型學習任務，確定虛擬仿真教學平臺的功能、組成結構和技術路線，設計具有安全技術管理特色的3D虛擬空間，實現生動立體的場景展示、模擬、體驗、互動的一體化實驗功能。

（二）教學體系內容

安全專業虛擬仿真教學體系內容包括以下幾個方面。

1.結合企業崗位，制定安全類專業課程實踐教學標準，包括危險化學品安全技術、工藝單元運行安全技術、風險應急管理、消防安全、防火與防爆安全技術、建筑施工安全技術、環境工程技術、機械安全技術等課程，根據課程需要走訪相應企業，利用無人機航拍技術，收集關鍵工藝及廠房的圖片數據，利用3Dmax等軟件將圖片數據三維化、模型化，形成安全類專業虛擬仿真教學資源庫。

2.以單門課程為基礎，建立開設虛擬仿真實訓的模塊，設計單門課程虛擬仿真實驗實訓教學課程標準，在單門課程的仿真實訓方案的基礎上，以安全類專業為整體，開設公共虛擬仿真實訓課和各門課程的特色實訓課，制定綜合課程標準，形成虛擬仿真實驗實訓教學綜合體系。

3.以安全類專業特色為起點，建設虛擬仿真實驗實訓系統平臺，統籌管理安全類虛擬實訓實驗課程開設，整理建設成果，建設安全類虛擬仿真教學資源庫。

四、結束語

安全類虛擬仿真實驗教學系統研究成本低，方法靈活，可以在其他專業推廣，加快信息化教學的進度。安全類虛擬仿真實驗教學課程標準研制，填補了該領域的空白，應用推廣價值非常高。

隨著高職院校1+X證書教學改革的推進，職業教育技術應用水平的不斷提高，安全專業虛擬仿真教學系統為安全專業教育提供了一體化虛擬實踐教學模式，結合校企合作，實現人才培養的雙向互助，在為學生帶來更優的學習效果的同時，提升了職業院校的社會服務能力。

參考文獻：

[1]仲崇軍.基于沉浸式虛擬現實的電力安全培訓應用研究[D].北京：北京工業大學，2013.

[2]王曉雨.沉浸式虛擬3D敦煌莫高窟場景重現技術研究[D].西安：西安工程大學，2016.

[3]雷文.沉浸式C66車床尾座虛擬仿真教學系統的研發[D].山東：山東建筑大學，2015.

[4]王金崗，林磊.工學結合模式下虛擬仿真教學系統設計[J].職教論壇，2013（7）：26-29.

[5]欒飛.基于Unity3D的液壓傳動虛擬仿真教學系統開發[D].山東：山東建筑大學，2015.

[6]王玉峰，曹亮.虛擬現實關鍵技術與前沿應用[J].中國工業評論，2016（8）：40-47.

[7]Jin Fang Li，Han Wu He， Hao Huang，Jun Lei.Research on Key Techniquesof Virtual Arthroscopic Knee Surgery Training System[J]. Applied Mechanics and Materials， 2012，2025（220）：135-143.

[8]周明全.虛擬現實高潮迭起VR教育前景可觀[N].中國電子報，2016-06-14.

[9]王金崗，林磊.工學結合模式下虛擬仿真教學系統設計[J].職教論壇，2013（7）：26-29.

編輯 武生智