基于虛擬現實技術的“受限空間安全事故處理”實訓課程開發與實踐*

程雷相

(蘭州石化職業技術大學， 甘肅 蘭州 730207)

虛擬現實技術簡稱VR技術，是20世紀末興起的一項信息綜合應用的技術。目前VR技術在諸多領域有廣泛的應用。因其具有良好的直觀性、互動性、沉浸性從而在教育教學中應用廣泛。高職院校的實訓課程因場地、資金、設備、師資等條件的限制，并不能順利開展，尤其是占地面積大、資金投入高同時又帶有危險性的實訓課程很難在高職院校實施。例如“化工安全”“實驗室安全”等實訓課程。

受限空間作業是化工企業常見八大高危作業之一。受限空間作業常指在封閉或者部分封閉，出入口較為狹窄且與外界相對隔離的環境下的作業。因為在該環境下工作，常伴有自然通風不良，有毒有害氣體、易燃易爆物質的集聚，或者含氧量低于19.5%的工作條件。在化工企業生產中受限空間作業危險性極大，因為化工企業的介質存在高危高壓、有毒有害、易燃易爆的特點，這些特點增大了受限空間作業的危險性。受限空間作業中經常發生的事故有窒息、中毒、燃燒爆炸等。然而，受限空間作業在化工企業中經常存在，設備檢修、清洗、維護作業中常伴隨受限空間作業，因此受限空間作業非常重要。在高職應用化工技術專業教學中，有必要開發受限空間事故處理實訓課程。

受限空間事故處理實訓是《化工安全技術》課程里面的一項內容。這項實訓對場地和設備要求高，資金投入大，加之實訓內容的特點決定了實訓過程中常伴有危險性，學生生產實踐經歷少，經驗匱乏，在這些實訓場所中教學非常危險。指導教師一般以演示的教學方法進行教學，以確保教學中的安全。然而，這種教學方法效果差，不利于培養學生的事故應急處置能力，也滿足不了化工生產過程中受限空間作業崗位對能力的需求。既要保證學生實訓過程中的安全而使實訓課程順利進行，又要提高教學效果培養學生實踐技能水平，必須要另辟蹊徑，引入新技術，開發新的教學方法。VR 技術以其良好的直觀性、互動性、沉浸性和安全性給“受限空間事故處理”實訓課程的教學帶來了新思路。

1 虛擬現實技術在實訓課程中應用的優勢

目前，虛擬現實技術很好地填補了安全教育與IT技術融合處的空白，已經被應用在越來越多的安全教育培訓中。VR世界的沉浸感會將人們置身于火災、爆炸事故、特種作業環境、地震臺風等災害場景中，可以最大程度地讓人們從心底認識到事故預防的重要性。

1.1 智能化評估實訓效果

根據學員特點和災害強弱程度的分析，交互式的VR培訓平臺可以針對特定學員和組織做出獨特的處理。VR技術應用可以創建學員所需的特殊場景，并在教學任務的培訓中提供即時的反饋。例如，VR技術可以評估員工在面對事故時應急預案的成效。反過來，根據提供的即時數據找出差距和需要改進的地方，并進行反復訓練。通過VR場景和運動記錄，可以將表現進行數字化存儲，從而更有效地評估。當你在應急演練時，VR平臺可以將你的行為用360°拍攝下來，這是十分寶貴的預演分析視頻。可以用于更有效地積累經驗，為以后制定行動提供必要的糾正措施。需要指出的是，我們并不需要單單依靠VR去進行訓練，而是應當與其他傳統教學模式相結合，融合各自的優點，更好地達到目的。

1.2 實時教育

VR可以將諸如颶風或地震等自然現象一致同步到各個區域，讓多個組織同時進行培訓。在學員進行模擬的過程中，VR可以將傳統的教學元素如幻燈片的圖形和數據嵌入在虛擬環境中，進行實時教育。

1.3 場景逼真

另一個顯著優點就是更加逼真的視聽刺激，提高學員的重視程度，體驗著關注事故應急及避免事故發生的重要性。此外，培訓方案可模擬分布在各個城市和住宅的環境中。假如舉行一場火災事故應急演練，我們需要關閉數個有相當大的人流量的街區，這在學校環境中幾乎是不可能實現。VR卻可以很容易地模擬出這些苛刻環境，解決真實環境中的限制因素問題。

1.4 訓練靈活

VR應用允許學員按照自己的節奏來學習，逐步而全面地掌握相關的防范知識。在進行團體培訓時，VR平臺可以提供小組討論和分析的場景，用來討論個體行為的正確性以及是否能保證團隊協作。

1.5 實訓成本低

從成本的角度來看，VR培訓有著明顯的優勢。因近年來化工廠事故頻發，國家法律法規要求相關人員定期進行事故演練，但很多情況下因時間經費等問題，不能達到很好的效果，而VR方案只需要消耗一定量的資金去購買設備就可以在不同的虛擬環境中重復練習。

2 受限空間作業事故處理實訓課程開發

筆者基于北京東方仿真軟件技術有限公司合作開發的受限空間作業事故處理VR系統開發相應的實訓課程，內容包括“VR系統的認識”“VR系統操作”“在VR系統上進行受限空間作業和事故處理”。

2.1 VR系統硬件認識

VR系統的硬件主要有VR頭戴顯示器和操作手柄(圖1)。

VR頭戴顯示器具備完整的激光定位系統，精確追蹤定位，頭顯顯示屏部分具備，整個系統延時低于 20 ms，低于神經系統感知誤差，有效避免因延遲造成的眩暈。頭顯的顯示部分整體分辨率為2160×1200(單眼分辨率為1080×1200)，高于全高清分辨率，保證了顯示效果清晰；刷新率達到90次每秒，降低畫面撕裂失真。體感手柄配合激光定位捕捉肢體動作，模擬交互，提高沉浸感。另外，虛擬現實頭顯示設備內置有數個傳感器、兩個無線控制器，并具備手勢追蹤功能。而且，內置的跟蹤系統會向用戶所在屋內發射數道射線，并感知到墻壁的存在位置，因此學員可以佩戴這一頭盔在屋內隨意走動。

VR系統手柄主要用來跟系統角色互動，操作VR系統更好的完成任務。操作時需要用到兩個手柄，左手手柄用來操作工具和NPC(軟件設定的角色、不可操作)交互，右手手柄用來護具穿戴和人物移動。手柄的主要功能包括中移動、物品使用、物品拾取、綜合運用等功能。VR系統如圖1所示。

①開關機；②瞬移鍵；③菜單鍵；④顯示燈；

2.2 受限空間作業事故背景設置

應急虛擬現實仿真演練系統通過對各類災害數值模擬和人員行為數值模擬的仿真，在虛擬空間中仿真災害發生、發展的過程，以及人們在災害環境中可能做出的各種反應；并在演練平臺上，在最大限度仿真實際災害的條件下，開展應急演練。在此基礎上，制定各類企事業單位的數字化應急預案。應急仿真演練系統可以用來訓練各級決策與指揮人員、事故處置人員，發現應急處置過程中存在的問題，檢驗和評估應急預案的可操作性和實用性，提高應急能力。

典型污水處理廠受限空間安全事故處理VR系統，采用VR技術，形成一個沉浸式的三維仿真環境。需要根據典型污水處理廠AAO工藝(厭氧-缺氧-好氧生物脫氮除磷工藝)的建設和工藝布局要求，建立污水處理廠仿真教學場景模型。

根據典型污水處理廠建設和工藝布局要求，建立現代化污水處理廠仿真教學場景模型，包含：格柵池、泵房、沉砂池、二沉池、消毒池、污泥井、濃縮池、脫水機房、風機房、化驗室、中控室、初沉池、生化池等單體生產設備模型。進入仿真軟件后，用戶可控制人物在廠區行走，并進入到相應的事故單體建筑模型附近進行事故處理操作。

2.3 事故處理流程

1)發布任務

首先，與NPC交互，接受任務，然后選擇正確的作業票。

2)工具/護具選擇

選擇需要穿戴的護具：普通工作服、普通手套、安全帽、普通勞保鞋、安全礦燈、安全帶、呼吸機。選擇需要使用的工具：警戒線、作業牌、扳手、8字盲板、掛鉤、梯子、三腳架、鼓風機、風管、對講機、氣體檢測儀。

3)危害識別

首先，找到污泥井周圍環境中存在的風險隱患點，其中含有的風險隱患包括積水、生銹的欄桿等。

4)作業前安全隔離

操作步驟包括：①在作業區域設置警戒桿，進行區域隔離；②擺放作業指示牌；③切斷污泥螺桿泵電源，懸掛警示牌；④進口閥門安裝盲板；⑤填寫作業票。

5)作業

第一步進行氣體檢測，步驟包括：①打開污泥井蓋；②放置鼓風機、風管，進行通風置換；③進行氣體檢測。

第二步穿戴個人防護用品。

第三步下井作業，并做好安全監護，步驟包括：①安放直梯，下井作業；②按照巡檢路線進行巡檢。

6)發生事故，緊急救援

緊急救援步驟包括：①事故匯報；②安裝三腳架；③下井營救傷員；④傷員轉移，緊急救護；⑤填寫作業票。

3 教學實踐

3.1 教學設計

首先，制定教學目標。受限空間作業事故處理是化工安全技術課程的一部分內容，主要考察學員的受限空間作業應知應會的知識、作業規范、操作技能和職業素養。因此，在制定課程目標時，可以從知識目標、能力目標、素質目標等三個方面展開，另外設計一些課程思政元素也是有必要的。目標的描述應用動賓結構語句，量詞可評可測，切勿模糊不清。例如，知識目標課描述為陳述受限空間作業作業的流程、在VR系統上進入受限空間作業的操作規范等；能力目標可描述為在VR系統里處理受限空間作業事故(窒息、中毒等)；素質目標可描述為培養學員面對險情臨危不亂的職業素養。另外，在課程思政方面，深挖思政元素，包括國家科技的進步、愛國精神、保護人民生命安全及財產的擔當等。方法舉措包括教師結合現有的設備和軟件和實訓內容，一是體驗VR技術的科技感，二是生命安全意識的重要性。

其次，在教學策略上，應分為課前導預習、課上導學習和課后鞏固三個環節分別設計。依據翻轉課堂的教學理念，在課前導學習環節，可將淺顯易懂的理論知識制作成電子課件上傳到學生的手機端，讓學生進行預習；課上，教師先示范使用VR系統，然后讓學員依次練習，教師全過程指導，糾正錯誤，避免危險。課后鞏固環節，可自由開放實訓室，安排學生自由練習，并由專人指導和管理，鞏固教學成果。

3.2 教學效果評價及反思

針對應用化工技術專業二年級學生進行教學實踐，實踐過程中，學生對先進設備和系統充滿好奇心，學習興趣濃厚，積極參與實訓，相比傳統的教學方式方法，效果有明顯提高。

同時，在教學實踐過程中，有些地方需要進一步改進和提高。一是教師教學水平的提高，尤其在信息化教學水平方面。職業院校高速發展的同時，新設備和新技術不斷的引入到教學中，對教師是一項挑戰，教師應與時俱進，加強學習，進一步提高教學水平。二是要進一步的深入設計課程，充分利用先進的設備，發揮設備的功能進行教學，深挖思政元素，做好思政教育工作。三是學生在面對新技術、新設備時，雖然能迅速適應，但缺乏對知識系統的學習，把握不住學習重點，認為VR系統類似游戲，以玩游戲的心態參與實訓。面對這種情況，教師要加強引導，發揮引領示范作用。

4 總結

綜上所述，利用虛擬現實技術開展受限空間事故處理實訓既能順利開展教學活動提升教學效果，又避免了實訓過程中的危險性。在職業院校高速發展的今天，充分利用現代科技，發揮技術優勢，將先進的技術和設備引入教學活動，是職業教育教學的發展趨勢。