基于虛擬仿真的應急救援技術課程改革

吳斐　余佳靈　戴詩杰　嚴雨

摘 ?要：為了培養有能力、有擔當的青年人才，高校課程改革一直是國家、社會所關注的重點，然而，很多改革措施還處于不斷實踐中，取得的效果也甚微。因此，為了實現更有效地教學，建設高校高水平、雙一流學科，以教師課堂教學為基礎，將虛擬現實技術與教學相融合，讓學生在虛擬場景中磨練自身的知識、技能，培養專業素養。文章以應急救援技術課程為例，分析課程內容與重點，模擬輕軌站發生火災這一特定事故場景，讓學生在親身體驗工業現場的事故中，將課堂知識融會貫通，培養其理論聯系實際的能力。

關鍵詞：應急救援;危險有害因素;虛擬現實;課程改革

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2021）13-0135-05

Abstract： In order to cultivate competent and responsible young talents， college curriculum reform has always been the focus of the state and society， but many reform measures are still in constant practice， with little effect. Therefore， in order to achieve more effective teaching， to build a high-level， double-first-class discipline in colleges and universities， based on teachers' classroom teaching， to integrate virtual reality technology with teaching， so that students can hone their knowledge and skills in virtual scenes， professional development. Taking the course of Emergency Rescue Technology as an example， this paper analyzes the content and focus of the course， simulates the special accident scene of light rail station fire， and enables the students to integrate classroom knowledge in the experience of industrial accidents， cultivate the ability of combining theory with practice.

Keywords： emergency rescue; hazardous factors; virtual reality; curriculum reform

“少年強，則國強”，青少年的教育問題一直是國家和社會最為關心的話題之一，然而，傳統的教學模式有著很大的不足：一是教學目標方面，老師只跟著學校的要求進行知識的講解，而且很多都是跟著課本上照著念，只要求將內容講解清楚即可，不做過多延伸，不給學生創造更多思考的機會;二是創新性不足，老師授課的模式基本都是一樣，即傳遞-接受，學生被動接受知識，而老師也在單一思維模式下傳遞知識，造成學生的創新意識缺乏。隨著技術不斷發展，知識體系不斷擴大，傳統的教學模式越來越難滿足學校對學生的培養要求以及學生的自我發展要求。課程教學變革已經勢在必行，而“推動課堂教學革命”是2018年教育部關于“新時代高教40條”文件中對中國教育的重要要求[1]。

為了實現更好地教學效果，應根據不同學科的特點來進行課程改革。安全工程屬于工科類，在實施教學時，應該與工業現場、工程項目緊密結合，而不僅僅只是注重于理論知識的理解。屬于安全工程專業課程的應急救援技術更應該與實際相聯系，學生只有置身于工業現場后，需要他們去發現問題，運用所學知識、技能真正地去解決問題時，才能夠對本門課程有更深的理解，同時也能夠發現自身的不足之處，從而改正不足，訓練出獨有的專業素養。

應急救援技術是針對于某一特定事故而言，在對學生的教學中，不可能在發生事故后，讓學生去解決，這不現實，而且會消耗大量的人力、物力，風險也很大。為了給學生創造實踐的機會，運用虛擬現實技術，以重慶市賴家橋輕軌站為研究對象，運用3DSMAX進行模型的建立，以Unity3D引擎完善虛擬系統，構建一個“浸入性、交互性、構想性”的虛擬仿真系統。在該虛擬仿真系統中，模擬輕軌站的布局，設定火災事故，學生需要運用所學知識，在該模擬的火災中進行正確的、恰當的逃生。通過增加這樣一個虛擬實踐過程，使學生能夠掌握應急救援相關知識，也能夠了解事故事發時的特點，提高其應急救援的水平。

一、應急救援技術課程內容與教學方式

（一）課程內容

應急救援是指突發事件責任主體采用預定的現場搶險和搶救方式，在突發事件應急響應行動中迅速、有效保護人員的生命和財產安全，指導公眾防護，組織公眾撤離，減少人員傷亡[2]。20世紀以來，隨著工業化進程的迅猛發展，特別是第二次世界大戰以后，各種工業事故呈不斷上升趨勢，危及到社會安全的重大事故時有發生，給人民生命安全、國家財產和環境構成重大威脅[2]。就以此次突發的新冠肺炎疫情為例，在病毒已經大范圍擴散后，我國和地方紛紛啟動一級應急響應，并且在黨和國家的統一領導下，集中力量支援武漢進行救援，正是有了合理的應急救援措施，疫情才逐漸得到控制。由此可見，事故應急救援能夠保證人民生命安全。

針對事故的特點，應急救援技術課程主要分為建立應急體系、應急預案、實施救援以及組織善后這幾大板塊。

1. 建立應急體系。這部分內容主要是對事故應急救援做一個總體的介紹，闡述了事故應急救援的必要性、基本任務以及相關特點，然后講述了建立應急體系的目的、內容。如圖1所示。

2. 應急預案。應急預案又稱應急計劃，是針對可能發生的事故，為降低事故損失而制定的救援計劃。預案明確了在突發事故時應該采取怎樣的措施，由誰負責，以及資源準備等等。這部分課程內容首先是通過危險源的辨識，提出了應急預案的策劃與編制方法，然后闡述了編制預案時需要注意的核心要素，最后梳理了應急預案的框架體系與內容，以及預案編制成功后，為了保證其有效實施應急預案管理。本部分中應急預案的編制和危險源的辨識屬于課程重點。

3. 實施救援。這部分內容分為兩個方面：一是講解了如何辨識危險源，然后對隱患進行排查，最后對風險進行定性、定量分析;二是針對企業生產安全事故，介紹相應的事故應急處置方法，以及在實施救援時的一些注意要點。這部分內容也屬于課程教學重點。

4. 組織善后。這部分內容不做要求，在“事故調查與案例分析”中會有相應的講解。

（二）課程的教學方式

應急救援技術屬于一門工科類課程，在近些年的課程改革中，也不斷地吸收一些優秀的教學模式，使得本門課程的教學較為豐富。

1. PPT授課，老師純輸出。在進行理論知識的教授時，老師主要利用多媒體教室，以PPT放映為主。老師在講臺上根據PPT內容進行講解而學生只需要在臺下安靜聽講即可。

2. 結合所學知識，分析事故案例。由于理論課程比較枯燥，在每個章節結束之后，老師會尋找一個典型的事故案例，比如礦山事故、企業安全生產事故等等，通過引導，讓學生以所學知識為基礎，分析該事故發生后，企業負責人所采取的事故處置措施是否正確，應急預案是否有效，危險、有害因素的辨識等等。

這種方式，不僅能夠讓學生了解真實的事故現場，還能把剛學的知識，以自我思考的形式，進行鞏固。除此之外，通過大量的案例視頻，在學習相關知識的同時，也提高學生的學習興趣。

3. 翻轉課堂，小組討論。翻轉課堂是近幾年來學校提出的課程改革措施之一，為了發揮學生的主觀能動性，以學生為中心，在課堂上會留出4個課時的時間來進行小組討論。結合應急救援技術，給定某一特定場景，例如就宿舍而言，學生需要和小組成員進行寢室內部危險、有害因素的辨識，然后尋找合適的方式控制危險因素，對于危險源進行定性或定量風險分析。最后是制定針對于宿舍安全的應急預案以及在人員被困時能夠采取的事故應急處置措施。在各個組完成工作后，由教師組織進行統一答辯。

小組討論了學生的知識掌握程度，團隊合作能力，還有創新力。而在這過程中，教師變成了看客，通過觀看答辯，分析學生在實踐過程中存在的問題，引導他們進行更深一步思考，也加深了老師和學生的交流。

二、課程教學現存的問題

（一）課程內容廣泛，課時少

本門課程涵蓋范圍廣，各個知識點相互聯系，共同組成完整的應急救援技術。但是由于課時少，只有32個課時，教師不得不從中挑選一部分重點內容，有針對性地進行教學，從而導致學生在學習過程中，腦海中難以形成完整的體系。而且，因為課時少，教學內容變成了比較淺顯易懂的知識，阻礙了學生進行深層次的思考，不利于培養他們的創新能力。

就以企業生產安全事故方面為例，有機械傷害、觸電、火災、中毒與窒息、高處墜落、物體打擊等不下十余種事故。從人-機-環-管四個方面出發，每個方面又有不下十余種需要辨識的危險、有害因素。再加上本門課程的應急救援預案、定性定量風險分析技術等其他知識。在短短的32課時里，要想講通、講透每個知識點，很難。對于如此繁雜的知識點，學生就只能通過死記硬背來完成考試，而教師也只能通過縮減內容，來完成要求。長此以往，不但達不到教書育人的目的，磨滅了學生獨自思考、探索、創新的能力，并在一定程度上，打擊了教師的教學積極性。

（二）教學模式豐富，但效果差

應急救援技術課堂教學采用的方式是PPT教學，結合案例分析，翻轉課堂、學生小組討論。在如此豐富的教學模式下，取得的效果卻不太理想，筆者認為有三個方面的原因：1. 教學過程沒有特色。本門課程是以大量的理論知識為基礎，對于學生而言，枯燥的理論知識會讓他們對課程產生疲勞感，從而慢慢失去興趣。雖然教學模式豐富，在一定程度上能夠緩解這種疲勞，但是解決不了根本問題。課程沒有特點，吸引不了學生的興趣，學生的唯一學習動力就只有考試，自然而然就導致教學效果差。因此，就需要老師花費更多的時間、精力去備課，把知識點以更好的方式展現出來。除此之外，本課程缺少實驗、實踐環節，這成為了學生掌握知識的最大掣肘。2. 學生的主觀能動性差。由于缺乏學習興趣，而且外界形形色色的誘惑多，很多學生在課堂上玩游戲、聊天，導致其逐漸形成一種惰性，學習的積極性和執行力變差。3. 注重教而忽略學。在課堂上，老師側重于教授知識這一過程，而對于學生是否學習到了知識，是否學到了真本事卻關注不大，檢驗學生的學習成果主要就是看成績。在學習知識后，學生沒有施展才華的平臺，沒有進行實踐的機會，考試一完，全部忘掉，完全達不到教學的要求。課堂教學基本已經變成了只為考試，這一切導致即使課堂教學模式再豐富，也達不到應有的目的，反而會適得其反，從某個方面來說使學生更加討厭課堂。

教書育人，這一切應該以人為本，以學生為中心，站在他們的角度去思考問題，但現在的教育基本就是以老師為主導，老師怎么教，學生就怎么學，掌握不了師生之間的一個平衡，造成學生厭課的現狀，高校教育出現問題，難以培養大量優秀的人才。

在對應急救援技術課程進行改革時，應該以現存的兩個問題為起點，以學生為中心，有針對性地進行改革。改革中，在滿足知識輸入、輸出的情況下，要盡量提高學生的學習興趣、老師的教學熱情，這樣，掌握了師生之間的平衡，才能做到更好地教學。

三、基于虛擬仿真的應急救援技術教學

（一）虛擬現實技術簡介

虛擬現實是一種人與計算機生成的虛擬環境之間可自然交互的人機界面。它綜合了計算機圖形技術、多媒體技術、網絡技術、人機交互技術、傳感器技術、立體顯示技術以及仿真技術等多種科學技術[3]。本次教學改革利用3DSMAX對目標場景進行模型的建立，然后導入Unity3D引擎中，完成交互功能的設計以及模型的渲染等工作，學生通過佩戴專業級虛擬現實頭顯套裝來實現“互動化、高仿真、沉浸式”的效果。

（二）VR與課程的融合

早在2018年國家教育部就明確將虛擬現實技術列入教育信息化的年度重點工作任務，明確要求全國高校、中小學、職教等深入推進信息技術與高等教育教學深度融合，推動大數據、虛擬現實、人工智能等新技術在教育教學中的深入應用。而VR與教育的融合，讓虛擬照進現實，這種教育模式無疑有著得天獨厚的優勢。

1. 超越時間的限制。利用虛擬仿真系統進行教育或者培訓時，可以不受時間的束縛，在任何時間都能進入虛擬場景，開始相應的訓練，而且可以近乎無限次的重復。這種特性使得學生可以針對自己的薄弱點不斷進行訓練、學習，從而完善自我，在遺忘之后還能夠根據需求重復使用、學習。

2. 超越空間的限制。將VR技術與災害防護演練和教育相結合，學生可以在實驗室實現各種場所下的各種事故逃生演練，不用親自去到工業現場，也不用考慮人力、物力、財力的消耗和培訓人員的安全所帶來的限制，打破了傳統災害防護演練的空間局限性。除此之外，在虛擬世界中，學生還能夠體驗各種危險、有害因素而不用考慮安全性，可以實現真實事故場景下的逃生，只有學生的想象力，才能夠束縛虛擬世界的空間。

在對應急救援技術課程的改革中，以重慶賴家橋輕軌站為例，利用VR技術模擬火災事故的場景，設置不同的危險、有害因素。在原有的32課時基礎上，增加4課時的虛擬仿真體驗。學生進入該場景后，需要運用應急救援技術課程里面的相關知識，辨別不同的危險有害因素，評價它們的危險程度，尋找方法控制危險或者安全地避開，從而達到逃生的目的。該虛擬仿真系統，考驗了學生對課程知識的掌握程度，旨在提高學生的安全意識，危險源辨識能力以及事故應急處置水平。

（三）虛擬仿真系統的設計

“OBE”理念是成果導向教育理念（Outcome based education）的英文縮寫，亦稱產出導向教育理念或目標導向教育理念、需求導向教育理念、能力導向教育理念等。作為一種先進的教育理念，“OBE”理念的核心是始終堅持以成果為導向和以學生為中心[4]。以課程現存問題為出發點，深入了解學生思想以及需求，再結合“OBE”理念，是本系統開發過程中的指導思想。系統的開發分為兩部分：一是根據課程改革需求設計系統的主要內容;二是根據內容利用VR技術實現整個虛擬仿真系統功能的開發，這方面涉及到的VR技術問題則是由專業的公司來完成。

1. 火災現場道具的設計

該虛擬仿真系統的道具根據賴家橋輕軌站的實際情況來進行設計，主要包括以下方面：

（1）輕軌內：輕軌模型、火情、閘門內側應急按鈕、內側閘門開關。（2）輕軌站臺（二樓）：站臺模型、火災報警按鈕、消火栓、站臺指示牌（路牌、站牌）。（3）中央乘客休息區、無障礙電梯、滅火器。（4）輕軌站臺（一樓）：站臺模型、消防栓、滅火器、水龍頭、毛巾。如圖2、圖3所示。

除此之外，還會設置一個登錄系統時的初始場景，在該場景中，會設置一些其他的道具，比如書包、枕頭、滅火器，用來幫助體驗者熟悉對控制手柄的操作，如何移動，怎么拾取物品等等。如圖4所示。

2. 危險、有害因素的設計

（1）火焰。本項目設定火災是從站臺一樓開始發生，而且隨著時間的推移，火災會不斷擴大，學生必須在有限的時間里完成逃生。（2）煙霧。有毒的煙霧也是火災現場造成人員傷亡的因素之一，在輕軌站一樓，通過Unity3D設置煙霧模型，并且煙霧會不斷擴散。如果逃生人員長時間處于煙霧中，而且逃生時不采取彎腰前行的方式，那么很可能會因為煙霧中毒而造成逃生失敗。（3）破碎的玻璃。在火焰長時間的輻射下，高溫和火風壓會造成二樓過道上方的玻璃破碎，從而導致人員傷亡。（4）漏電。中央乘客休息區兩側弱電及空調掛機存在漏電，如貼近漏電處，觸發觸電效果，逃生失敗。

3. 逃生環節的設計

進入場景后，有教學模式和體驗模式兩種可供選擇，而二者的差異就是在逃生過程中，教學模式會給出相應的提示，相應的逃生步驟，體驗模式則沒有。在將該系統融入課程時，把兩種模式結合，讓學生在體驗模式中檢驗自己的知識水平和事故應急處置能力，同時，也可以根據自己的逃生經歷來改善系統，培養自己的創新能力，而在教學模式中驗證自己不足的地方。進入相應的模式后，主要逃生環節如下：

（1）學生從列車內進入場景，火情發生，輕軌緊急停運并緩慢駛入站臺停靠，學生通過輕軌艙內門側應急按鈕與應急閘門打開車廂門，進入站臺二樓。（2）進入站臺二樓首先按響警報器并撥打火警電話尋求幫助，觀察周圍環境、探索逃生路線，左側下樓通道濃煙彌漫無法通行，往另一側通道行進，途經乘客休息區和直梯右側下樓通道煙霧較輕，可以通行。（3）進入站臺一樓，往出口方向煙霧漸濃，前往衛生間，完成交互動作（找尋毛巾類物件、打開水龍頭、打濕毛巾、捂住口鼻），接著彎腰往出口方向前行，路徑某側發生爆炸，及時躲避危險。另一方向有坍塌的燃燒著的障礙物，找到滅火器，正確使用滅火器撲滅障礙火焰，到達安全出口，逃離火場。（4）離開火災現場，遠離輕軌站，與消防、醫務人員取得聯系，溝通站內情況與身體檢查。如圖5所示。

圖5 進入站臺二樓的場景

4. 課后調查設計

在虛擬仿真系統實驗課程結束后，通過問卷調查、現場訪問等方式，了解學生對于首次將VR融入到本門課程的感受，從學生的角度來分析這種教學方式的優缺點，發揮學生的主觀能動性，使得應急救援技術課程的改革以學生實踐為基礎，不斷地進行修正，從而更加地適合于課堂，適合于學生。此外，在對學生的課后體驗調查過程中，老師能夠充分了解學生思想的變化，加深了師生之間的交流。在交流的過程中，通過老師的點撥，學生能夠對本系統進行創新，以此來參加“國家級大學生創新創業項目”“SRTP”大學生創新創業科技實踐計劃項目，培養其科研能力、創新能力和實踐能力。

四、結束語

將VR技術運用于教育行業，已經成為這個時代的必然，在應急救援技術課程的改革中，也取得了較好的效果。首先是極大地提高了學生的學習興趣、動手實踐能力;其次是增強了學生對課程內容的理解，以及通過近乎真實的現場事故場景，磨練了學生的事故應急處置的能力;最后是培養了學生的安全意識，提高了其在輕軌站火災事故這一特定場景下的逃生水平。

除此之外，在后續的時間里運用VR技術對課程教學進行更深一步的改革時，我們還可以針對不同的事故類型，設計出相應的虛擬仿真系統。比如校園地震，可以通過虛擬系統的實踐課程，訓練同學們在地震來臨時的事故應急處置能力。又如以宿舍環境為對象設計虛擬系統，學生可以通過該系統培養辨識、評估、控制寢室內部危險有害因素的能力。正確運用虛擬現實技術，配合高校課程改革，有利于培養應用型和創新型人才。

參考文獻：

[1]胡蓮，曾昭平，羅遠.財經院校計算機導論的混合式教學改革探討[J].高教學刊，2020（20）：134-136.

[2]王起全，葉周景.事故應急與救援導論[M].上海：上海交通大學出版社，2015.

[3]劉顏東.虛擬現實技術的現狀與發展[J].中國設備工程，2020（14）：162-164.

[4]龍雪梅.“雙一流”背景下基于“OBE”理念的大學生學業指導體系構建——以桂林電子科技大學為例[J].高教學刊，2020（3）：30-33.

基金項目：國家級大學生創新創業訓練計劃資助項目“基于VR的地鐵站隱患探查及逃生演練系統的研究”（編號：201910611117）

作者簡介：吳斐（1989-），男，漢族，安徽安慶人，工學博士，副教授，研究方向：安全工程。