基于虛擬仿真技術的安全評價教學改革途徑

鄒全樂 張天誠 劉瑩 任松 張渝強 明陽

摘 ?要：虛擬仿真技術具有沉浸性、多感知性、自主性和交互性的顯著特點，在很多領域得到了廣泛的應用。在教育領域，虛擬仿真技術可以將二維知識和圖片三維立體化，建造出自主感知的教學模式，改善刻板的教育方式，增強實踐教育手段，極大地提升教學質量。文章從虛擬仿真技術的特征和安全評價教學現狀出發，探究融合了虛擬仿真技術后的安全評價教學模式，從安全預評價，安全驗收評價，安全現狀評價三個階段入手，建立一種基于虛擬仿真技術的安全評價教學模式，為改善安全評價教學效果提供有效的途徑。

關鍵詞：安全評價;虛擬仿真;教學改革;融合途徑

中圖分類號：G642 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2020）29-0114-04

Abstract： Virtual reality technology is widely used in many fields because of its outstanding characteristics of immersion， multi-perception， autonomy and interactivity. In the field of education， virtual simulation technology makes two-dimensional knowledge and pictures three-dimensional， builds a self-perceived teaching model， improves the rigid education method， enhances the practical educational means， and greatly improves the teaching quality. In this paper， the teaching model is explored based on the characteristics of virtual reality technology and the present situation of safety evaluation teaching. A safety evaluation teaching system based on virtual reality technology is established from the perspective of safety pre-assessment， safety assessment upon completion and safety assessment in operation， which could provide effective way for the improvement of safety assessment teaching effect.

Keywords： safety assessment; virtual reality; teaching reform; blending means

一、概述

教學改革一直是改善教學效果，提高教學質量的有效方法，但是僅僅對教學內容進行增添或刪減的教學改革，其效果往往是不盡如人意的。近年來隨著電子科技的發展，越來越多的電子設備開始運用在教學過程中，使得原本枯燥乏味的教學過程變得生動形象，教學成果也明顯得到了改善。王起全[1]等在安全工程教學過程中引入虛擬仿真技術，利用該技術，構建了可拆解、可運行的立體工藝系統，使得原本難以理解的機械結構與工作原理變得更加形象。涂然[2]等將虛擬仿真及仿真技術融入安全工程的教學中，利用Pathfinder、FDS等軟件，對火災安全事故進行了模擬教學，不僅培養了學生應對此類災害的各項能力，也在很大程度上挖掘和拓展了學生的自我能動性。趙莉等[3]提出了將虛擬仿真技術應用在機械安全設計中的教學方法，實現了各類機械設備參數的模擬整合，便于在虛擬環境中進行大型機械的設計、組裝、更換零件等過程的模擬，為學習人員提供了更加直觀的教學模擬。張秋昭等[4]對《礦山測量學》課程進行了教學改革，將新興的虛擬仿真實驗教學與傳統課堂教學相融合，構建了高還原度的虛擬實驗環境，為學生提供了更加立體而形象的模擬實踐教學。張麗等[5]利用虛擬現實技術對生產車間進行了建模仿真，并對該車間可能發生的事故進行了合理的預測，對安全評價工作的順利進行有著極大的輔助作用。由此可見，虛擬現實技術能夠較好地幫助教學人員還原生產現場，對可能發生的危險源進行合理的分析排查。

安全評價是一項相對抽象的工作，現階段的安全評價分析方法和手段都是現場工作人員和科研人員經過長期的經驗總結和實驗分析而得來的。其教學效果也往往受限于它本身的多樣性與復雜性而難以令人滿意。由于安全評價多樣性與復雜性，導致評價很難依據理論作出嚴格的推算，這便讓安全，評價方法的選擇與實施更加具有主觀性。因此，在安全評價的教學過程中，不斷培養學生們的主觀能動性，激發學生們的獨立思考、獨立分析能力，才是安全評價教學過程中最主要的目的之一。基于此，本文提出了基于虛擬仿真技術的安全評價教學改革途徑，以期為改善安全評價教學效果提供有效的途徑。

二、安全評價教學現狀

安全評價是辨識系統危險并提出針對性安全對策的有效技術，按照其實施階段不同可劃分為安全預評價、安全驗收評價和安全現狀評價。安全評價師安全工程專業學生的必修課，對學生實踐能力的培養具有非常重要的作用。目前，安全評價教學存在以下四方面的難題：

（一）教學方式十分單調，而過多翻轉課堂加重學生負擔

教學的開放性較大使得大學教育與中學教育特點有明顯的不同，而且大多數教師已經在擺脫固定的教學方式-教室授課和學生記筆記，想要進行教師模式上的創新，如翻轉課堂，小組作業等。但事實上，這種所謂的“創新”教學方式在如今的大學教育已經很難引起學生們的學習興趣，這種更加注重“表現”的教學方式，反而更加容易忽略對同學們自身能力的鍛煉。

（二）教學內容大部分是純理論化的內容，難以讓學生做到“身臨其境”

學生進入大學后接受到的理論知識已經全面掌握了，真正缺少的是對真實案例的分析。在教學過程中，僅僅依靠圖片、文字和視頻來進行現場模擬，也會讓本就不感興趣的同學們覺得枯燥乏味。另外，感興趣的同學如果缺乏一定的空間想象能力，也就很難達到預期的教學目的。

（三）成績考核方式較單一，僅僅起到了“紙上談兵”的效果

長遠來看，課程的考核方式往往是端正學生學習態度的一種動力。而目前國內的安全評價課堂的成績考核筆試占據一大部分，期末考試成為衡量課程的學習水平的唯一手段。這種導向就會讓許多同學僅僅抓住紙面上的內容，為了高分而死記硬背，不去理解其中的含義，學生們就缺少了安全評價中全面分析、獨立思考、因地制宜的過程。這讓本就很模糊和抽象的安全評價，顯得更加難以捉摸。

（四）實踐教學管理難、耗時長，卻難以達到教學目的

安全評價的成功教學需要同學們在積累了理論知識后，對一些特定的場景進行實際的安全評價訓練，這就需要教師在教學過程中設計一些實際場景給同學們進行練習，所以安全評價課程中，往往包含著實踐教學這一部分。然而，帶同學們去現場實地考察，進行現場的安全評價，卻往往不盡如人意。其原因在于，工作現場所需評價的內容甚多，同學們難以抓住重點，另外，在戶外進行教學，很難使同學們進入學習的狀態，再加上天氣原因、工作環境、管理問題等因素，使得實踐教學出現了“教師累、學生玩”的現象。

由此可見，安全評價的教學方式和教學內容還需要進一步的優化和改革。如何充分利用現有技術手段來抓住學生們的興趣點、培養學生們的獨立分析、獨立思考的能力，成了改善教學效果的難題之一。

三、虛擬仿真技術和安全評價的融合途徑

下面將以加油站安全評價為例探討虛擬仿真技術和安全評價的融合途徑。

教師與設計團隊預先開發加油站的安全預評價VR模型、安全驗收評價VR模型和安全現狀評價VR模型，每個模型均根據不同階段的特點設置不同類型的安全隱患，每個安全隱患均設置有不同的安全評價方法及其評價步驟供學生進行選擇和排序。

在完成了相關理論教學后，首先，教師對加油站安全預評價VR模型進行簡單介紹，學生依次戴上VR眼鏡和感知手柄，通過對加油站周圍構筑物分布、自然環境，設計資料等基本信息進行獲取，根據所學安全生產法律法規等知識，判斷加油站設計規劃等的符合性，辨識加油站規劃設計中可能存在的潛在危險因素，推演可能造成的事故及其嚴重性，對不同危險因素進行安全評價方法選擇，并對選擇的安全評價方法步驟進行排序，完成線上安全預評價。課后，學生根據線上評價情況，分組撰寫安全預評價報告。

其次，教師對加油站安全驗收評價VR模型進行簡單介紹，學生依次戴上VR眼鏡和感知手柄，進入加油站，通過對加油站各部分設施進行檢查，判斷其設置的合理性，辨識加油站建成后可能存在的潛在危險因素，推演可能造成的事故及其嚴重性，對不同危險因素進行安全評價方法選擇，并對選擇的安全評價方法步驟進行排序，完成線上安全驗收評價。課后，學生根據線上評價情況，分組撰寫安全驗收評價報告。

再次，教師對加油站安全現狀評價VR模型進行簡單介紹，學生依次戴上VR眼鏡和感知手柄，進入加油站，通過對加油站現實運行中的情況進行檢查，辨識加油站運行中可能存在的潛在危險因素，對不同危險因素進行安全評價方法選擇，并對選擇的安全評價方法步驟進行排序，完成線上安全現狀評價。課后，學生根據線上評價情況，分組撰寫安全現狀評價報告。

最后，每個小組分別匯報加油站安全預評價、安全驗收評價和安全現狀評價情況，教師可通過聘請其他專業人員的方式組成專家組，對學生匯報進行點評和深入交流，學生根據評審情況修改安全評價報告，提交至教師，教師根據學生匯報情況及最終安全評價報告質量對學生進行評分計入該課程的平時成績。

四、改進安全評價教學模式的優勢

虛擬仿真技術在安全評價教學方面的優勢，揭示了虛擬仿真技術的三個特點，即構想、沉浸、互動，打破了教學時空的局限，創造了多種學習情境。這種新式的教學模式構造了一個模擬仿真的沉浸式學習環境，在老師的指導和新式教學工具的輔助下，能更快的掌握相關知識。

（一）激發學生主動探索和獨立思考的能力

學生的學習動機分為外部動機和內部動機，外部動機是讓學生被動的接受知識，而內部動機則是要求學生在課堂內外主動探求知識。可以看出內部動機是最有效的提升學習能力的動機。虛擬仿真技術從維度轉化上使二維的知識變成三維真實的場景，并讓學生們身臨其境地體驗安全評價的現場工作。這種全新的教學工具和手段能夠激發學生學習的內部動力，提高學生自主創作意識。從根本上改變知識接受者的學習觀念，讓學生以主動發現的身份探索學習內容和更深層次的知識，同時創造真實可感的學習環境，學生的學習體驗也將會大不同以前。

（二）鍛煉學生們應對實際問題的能力

在虛擬仿真技術的輔助條件下，學生能夠身處生產現場，切實地考慮場景中可能引發事故的危險源，將學生從課堂上的觀看者轉變為生產現場的探索者。學生能夠全面了解事故可能發生的背景和原因，預測事故發生所造成的影響范圍，而不僅僅只是學習如何預防事故。對事故可能發生的場景有了更好的認知，就可以從各方面做到合理預測事故、科學防范事故，從而在工作中避免事故的發生。

（三）提高學生實踐探索的專注性

教師團隊通過模擬VR技術進行現場模擬，既解決了現場實踐教學難以保障安全的難題，又有利于提高學生們在實驗教學中的專注性。既避免了教學過程中發生意外可能造成的損失，又可以利用VR技術讓學生們進行現場模擬，達到現場實踐的目的。

（四）多樣化考核方式全面提升學生學習效果

虛擬仿真技術在事故案例豐富逼真的基礎上，創造了沉浸式體驗的學習環境，創造了獨立自主的學習方式。學生使用VR技術進行現場模擬探索，有助于提升學生的專業知識素養，同時考察了學生們在現場應用知識的能力，達到“活學活用”的目的。

五、教學改革中可能面臨的問題

雖然虛擬現實技術在教學中的應用能夠提升教學質量，但同時存在著一些需要解決的問題。

（一）VR技術容易造成“3D眩暈感”

毫無疑問，進行虛擬現實技術體驗的人群中不可避免地會有人感到眩暈感，這是因為人在進行VR技術體驗時，視覺神經與其他傳輸神經對中樞神經產生了矛盾的信號，從而導致神經中樞發出強烈的眩暈指令。這種眩暈感對于部分人群是難以克服的，甚至會造成嘔吐、昏倒等意外情況。因此，在教學過程中普遍使用VR技術進行教學與考核會對部分患有“3D眩暈癥”的學生們造成影響，甚至會導致意外情況的發生。因此，如何減輕這種“3D眩暈感”成了限制VR技術應用的難題之一。

（二）VR技術的使用會占用大量的教學資源

虛擬現實教學的實現不僅需要完整且無漏洞的虛擬模型軟件，還需要VR眼鏡、感知手柄等相關的VR硬件支撐。因此，想要達到較好的模擬效果就需要專業的制作團隊以及大量的資金投入，這就會造成教學中浪費了過多的資源，會讓部分學校原本就不充足的教育資源“雪上加霜”。如果強制普及VR技術的教學改革，很容易造成模擬內容的粗制濫造、漏洞百出，不僅浪費了教學資源，也耗費了學生與教師的精力。就目前的狀況來看，實現VR技術在教學中的普及仍然需要更多教育者的努力與探索。

（三）VR技術的使用淡化了指導教師的作用

教師的作用就是在課堂中點撥學生們的思維，使學生們能夠“少走彎路”，達到“事半功倍”的學習效果。然而，VR技術的使用雖然能在一定程度上激發學生們自主探索的能力，但這樣的探索過程也會消耗學生們大量的學習時間，在這段時間中缺少了學生們與教師的互動過程，很容易使學生們陷入困惑而自身卻難以解決，造成“事倍功半”的結果。因此，教師指導與學生自學之間的難以權衡，也是VR技術在教學過程中難以普及的原因之一。

六、結束語

虛擬仿真技術作為一項提升人體對模擬環境交互感的高新科技，把不能接觸的、抽象的、難以理解的生產現場轉化為立體又可感知的模型，極大地增強了學生們的現實體驗感，大大提升了學生們學習的興趣。利用虛擬仿真技術，在課堂上就能夠達到現場實踐教學的目的，避免了戶外教學的不安全性。將虛擬仿真技術融入安全評價的教學過程中，使得學生在學習中體驗，在體驗中學習，既牢牢掌握了所學的知識，又切實地完成了掌握知識到培養能力的轉化過程，在教學過程中起到了良好的推進作用，對進一步的教學改革起到了一定的借鑒意義。同時，我們也要意識到，虛擬仿真技術的應用也在技術層面、資金層面與教學模式層面存在著一些亟待解決的問題，但隨著科技的發展、人才的涌現，虛擬現實技術依然具有較大的發展潛力。

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