基于VR全景的實驗室安全教育的設計與實踐

王藝芳， 陸嘉宜， 王 靜， 程豫玨， 王景陽， 楊黎黎

(重慶大學 建筑城規學院 山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室， 重慶 400030)

0 引 言

實驗室是高校開展教學、科研的重要場所，是培養高技能型人才和創新型人才的主要陣地[1]。隨著高校生源及實驗室規模的不斷擴大，教育改革的不斷深化，學生自主實驗、創新實驗的激增，實驗室的人員流動性、開放性的加大使得開展實驗室安全教育、提升學生的實驗室安全意識愈加重要[2]。有研究指出，實驗室安全教育必須符合學生認知心理的特點，從激發興趣、感知、理解、鞏固和應用實踐等方面層層推進，以達到更好的教育效果，其中激發興趣和感知是引導學生主動學習實驗室安全知識的重要環節，必須采取學生喜聞樂見的教育形式，應避免“重理論輕實踐”“滿堂灌強制考”等學生厭惡的學習方式[3-4]。

VR全景是基于全景圖像的真實場景虛擬現實技術，是虛擬仿真領域中非常核心的部分，以其獨特的真實性、沉浸性和易用性，提供了一種全新的敘事手法，同時也為觀看者提供了一種前所未有的視覺新體驗[5-6]。基于虛擬仿真的實踐教學是符合教育信息化2.0新形勢下的教學體驗，而將VR全景作為一種新的教育資源引入實驗室安全教育更是一種符合學生認知心理特點的創新方式[2-4]。

1 實驗室安全教育現狀調查及分析

1.1 國內高校實驗室安全教育現狀

國內大部分高校的實驗室安全教育通常分為兩個部分，安全知識培訓和安全知識考核[7]。初期的實驗室安全教育內容大都停留在通識安全教育，教育內容手段單一，以安全講座，專題培訓，展板手冊宣傳為主。部分高校將實驗室安全教育納入教學體系，并開設實驗室安全課程，以化學、生物、輻射等專項安全教育課程為主，在講授相關安全知識，安全準則，事故案例呈現，法規政策及事故的預防和處置等理論知識的同時輔助以圖像、視頻及動畫的播放。隨著現代信息技術的迅猛發展，基于網絡環境下的安全教育培訓及考試系統迅速發展起來，包括MOOC、微課、在線學習考試平臺等，形式內容逐漸多樣[8-13]。但我國高校的實驗室安全教育仍存在以下問題。

(1) 安全教育流于形式，不能落到實處。由于高校實驗室的安全教育效果是隱性的，導致高校管理者包括師生對安全教育的重視度不夠。只重視實驗室建設而忽視實驗室安全教育與管理的投入，使人員、經費等的投入都很有限，造成安全教育往往只停留在形式上，難以落到實處[14]。

(2) 安全教育內容缺乏針對性，理念相對滯后。部分高校實驗室安全教育的內容仍舊僅以常識性教育為主，缺乏具有針對性的實驗室技術安全教育內容、缺乏對新知識和新技能的講授，也缺少典型案例分析。導致實驗室安全教育針對性和實用性不夠強。

(3) 重理論輕實踐，安全教育方法手段不夠豐富。安全教育形式單調，內容乏味，導致學生對安全知識學習的興趣不足，安全意識薄弱以及對安全事故的預判和處理能力不足，難以起到相應的安全教育效果。

1.2 建筑城規實驗教學中心實驗室安全教育現狀

目前中心實驗室的安全教育方式主要有：① 大一新生入學時期發放實驗室安全手冊，組織學生閱讀并最終簽署實驗室安全責任書；② 偶爾開展安全知識講座或參加校消防安全運動會等演習活動，但不做強制性要求；③ 實驗室安全管理教師在師生進入實驗室，使用大型儀器設備之前會再次進行使用方法指導和安全提醒；④ 實驗室公共空間、實驗室內張貼安全知識展板，安全警示標識，引導指示裝置等。現有的實驗室安全教育缺乏重視，內容、方法較為單一，乏味，使得實驗室安全教育效果有限。

為了充分了解中心實驗室安全教育現狀，了解學生對目前實驗室安全教育的感受及評價，開展問卷調查研究。問卷調查的對象為建筑城規學院的學生。共回收有效問卷65份。數據分析得出，學生普遍明白實驗室安全的重要性，但很少有人愿意主動學習和了解實驗室安全相關的知識。其原因主要在于目前的實驗室安全教育形式單調、內容乏味、不重視實踐，無法引起學生的學習興趣，不能起到較好的安全教育效果。此外，還讓受訪學生對學生安全手冊、課程講座、視頻動畫、學校公告畫報、虛擬現實技術等幾種安全教育方進行了“趣味程度”“可獲得收獲的多少”“更愿意接受的安全教育方式”等幾方面的打分，結果顯示，虛擬現實技術在所有假設的安全教育方式中最受歡迎，見圖1。

圖1 實驗室安全教育方式打分評價折線圖

2 基于VR全景的實驗室安全教育的設計

2.1 設計原則

(1) 強調針對性，體現信息化。實驗室安全教育的設計要緊扣中心實驗室的現狀，有針對性地設計相關安全教育的內容；需符合學生認知心理的特點，將枯燥的知識技能趣味化；要有時效性、實用性，安全教育信息可隨時更新。

(2) 強調體驗性，體現高效化。虛擬場景的設計要強調情景式、沉浸式的體驗感[15]，利用三維仿真技術對實驗室的環境、設備、材料等進行模型構建，并可配合手柄、頭盔、VR眼鏡等人機交互技術手段實現在虛擬場景中進行身臨其境式的操作和學習體驗，使學生可以快速有效地獲得實驗室安全相關的知識與技能。

(3) 強調低成本，體現經濟性。近年來，有高校嘗試利用虛擬仿真技術開發實驗安全教育游戲，開發實驗安全教育情景互動式虛擬仿真教學項目等，都取得了良好的效果，但均為化學類相關實驗室，且均為新開發軟件或系統，需要投入大量經費，對于非高危實驗室來說借鑒意義較小。因此要考慮VR全景形式開展實驗室安全教育的經濟性，進行低成本設計。

2.2 設計思路

整體設計思路見圖2。

圖2 設計思路

(1) 素材準備。對建筑城規實驗教學中心開展充分調研，對實驗室所涉及到的安全知識進行全面梳理，如：安全思想教育、安全規章制度教育、安全通識類知識教育、大型儀器設備安全操作技能教育、應急處理能力教育等多個方面[16]。對可利用VR全景技術設計轉化的內容進行識別，再分類制作相關實驗室安全教育的素材，為后期VR全景程序制作做好準備。

(2) 模型制作。使用CAD、Sketchup等軟件制作中心實驗室的三維模型，還原中心實驗室的真實場景、布局、設備、材料等，并對其進行初步渲染。

(3) VR全景程序制作。利用前期準備好的模型和素材，使用光輝城市Mars、Venus及720云等相關軟件和平臺制作VR全景程序。具體步驟包括：① 使用Mars軟件對模型的環境、材質、配景等進一步優化補充，進行二次渲染，輸出多張、多角度全景圖片；② 使用Venus或720云等軟件或平臺，將輸出的全景圖按敘事手法進行設計排列，添加互動按鈕，包括前進后退和與場景中的儀器，公告欄的互動，如：點擊某大型儀器設備，會彈出操作視頻或相應的儀器簡介、安全使用注意事項等；點擊前進后退可以在空間層面沉浸式地進入下一個場景或返回之前的場景等。

(4) 抽樣實驗設計。基于2020年新增設的實驗室安全準入考試，制定檢驗虛擬仿真教育方案的效果的對比實驗，并根據調研所得的中心實驗室所涉及的安全教育內容對實驗室安全考試系統的題庫進行了增補，使得考試內容能夠具有針對性。選取3組2020級新生作為實驗樣本，開展不同形式的實驗室安全教育，安全教育完成后進入實驗室安全考試平臺進行測試，再對測試結果進行分析，評價安全教育的效果。

2.3 設計成果

(1) 認知學習部分。認知學習包括：規章制度、安全標識、消防設施、防護設施、應急救援物品等，對實驗室經常遇到的安全標識，應急救援物品，防護設施、消防設施進行整理，并提出認知要求，確保學生讀懂安全標識的提示，了解常用消防設施如何使用，在遇到危險時可以第一時間正確使用應急救援物品、防護設施等進行自救或救助他人。部分認知學習素材見圖3。

圖3 部分認知學習素材

(2) 場景學習部分。場景學習包括：實驗場所、實驗大型儀器設備的安全操作，應急傷害處理和安全逃生等。該部分內容均要求學生熟練掌握。見圖4～6。

圖4 實驗室實景照片

3 基于VR全景的實驗室安全教育的實施

3.1 實驗室安全教育實驗

選取建筑城規學院2020級城鄉規劃學生(城規1班32人為A班，城規2班32人為C班)和2020級風景園林學生(景園班32人為B班)作為測試人員，將開展兩組對照實驗。

第1組對照實驗：A班與B班分別用兩種不同的形式進行實驗室安全教育，A班進行VR全景式實驗室安全教育，B班按照以往的方式進行安全教育，如實驗室安全手冊的宣講學習，安全責任書的簽訂等，完成學習后同一時間段參加實驗室安全在線考試，并記錄結果進行對比。

第2組對照實驗：C班在進行完傳統的實驗室安全教育后參加在線考試，記錄成績；然后C班再進行VR全景式實驗室安全教育，再一次參加在線考試，記錄成績，前后2次成績進行對比。

3.2 實驗室安全在線測試

根據新梳理的中心實驗室所涉及的安全教育內容對對實驗室安全考試題庫進行增補，使考試更具有針對性。建筑城規實驗室安全相關題庫包含通知類安全題、消防安全題及針對性增補的安全題等共計515道題目，系統將從題庫隨機抽取100道題生成試卷，學生每組測試將有10次考試機會，取最高分記錄成績。

3.3 測試結果

第1組為A班平均成績94.75分，B班平均成績85.28分。接受VR全景實驗室安全教育的測試班級取得了較好的成績，所有學生成績均在80分以上，有94%的學生成績在90分以上(見圖7)。

圖7 第1組測試結果柱狀圖

第2組C班第1次平均成績85.28分，第2次平均成績93.96分。C班的學生在接受VR全景式實驗室安全教育后，所有學生成績均在80分以上，成績較第1次測試有顯著的提高(見圖8)。

圖8 第2組測試結果柱狀圖

4 基于VR全景的實驗室安全教育的效果及評價

通過VR全景程序的實驗室安全教育，可以得出這種安全教育方式相較于傳統的安全教育優勢是顯著的。由于VR全景程序具有較強的交互性與沉浸感，學生普遍對其有較強的興趣，愿意進入虛擬仿真場景進行在線的體驗學習，并認為這是一種有趣的方式來了解學院實驗室，學習實驗室安全知識。

通過實驗室安全教育對比的實驗，可以得出基于VR全景的實驗室安全教育的效果是顯著的。學生在通過新的方式學習后在實驗室安全考試中取得了更好的成績，說明學生在此過程中，對于知識的感知、理解和內化效果較好，對于其安全意識的提高具有潛移默化的影響。

5 結 語

基于VR全景的實驗室安全教育，相較于傳統安全教育方式在學習效果以及學習興趣上具有明顯的優勢，對于提高學生實驗安全意識和學習主動性有促進作用；它以一種沉浸式、交互式的體驗彌補了實驗安全教育中實踐缺乏的部分，在虛擬仿真體驗中強化對安全知識的理解與內化，能有效提高學生安全教育的質量；這是一種同時不受時間、空間限制，低成本的實驗室安全教育方式，師生可隨時隨地打開程序進行在線學習、漫游體驗，且其安全教育的內容可隨時更新，此外VR全景程序建設所用到的軟件都為市場上較為成熟且易操作的軟件，不必投入大量經費到軟件或程序的編程開發上。建議VR全景式的實驗室安全教育可作為一種有效且創新的方式來開展實驗室安全教育，發揮其重要的輔助教學作用。