基于虛擬仿真的軍隊(duì)院校突發(fā)環(huán)境污染應(yīng)急技術(shù)實(shí)踐課程改革

袁馨 秦冰 林源野 彭小紅

摘? 要：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)深化改革和教育教學(xué)信息化的重要內(nèi)容。將虛擬仿真技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)相融合，可以很好地解決軍隊(duì)院校傳統(tǒng)訓(xùn)練中復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境難構(gòu)建、危險(xiǎn)環(huán)境下難訓(xùn)練等問(wèn)題，讓學(xué)員在虛擬的突發(fā)環(huán)境污染場(chǎng)景中進(jìn)行應(yīng)急技能訓(xùn)練和協(xié)同演練，有利于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，提升受訓(xùn)學(xué)員應(yīng)急處突能力，推動(dòng)軍事教育高質(zhì)量發(fā)展。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；突發(fā)環(huán)境污染；課程改革

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9；G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2023）03-0184-04

Practice Curriculum Reform of Sudden Environmental Pollution Emergency Technical in Military Academies and Universities Based on Virtual Simulation

YUAN Xin， QIN Bing， LIN Yuanye， PENG Xiaohong

（Department of Military Facilities， PLA Army Service College， Chongqing 401331， China）

Abstract： Virtual simulation experimental teaching is an important part of the deepening reform of experimental teaching and the information of education and teaching in academies and universities. The integration of virtual simulation technology with traditional teaching can well solve the problems of difficult construction of complex battlefield environment and difficult training in dangerous environments in the traditional training of military academies and universities， so that trainees can carry out emergency skills training and collaborative exercises in virtual sudden environmental pollution scenarios， which is conducive to improving the effectiveness of experimental teaching， improving the emergency response ability of trainees， and promoting the high-quality development of military education.

Keywords： virtual simulation; sudden environmental pollution; curriculum reform

0? 引? 言

突發(fā)環(huán)境污染事故是指環(huán)境質(zhì)量偏離穩(wěn)態(tài)時(shí)環(huán)境質(zhì)量隨之變化，若在極短時(shí)間內(nèi)激烈“擾動(dòng)”，即發(fā)生“瞬態(tài)局部嚴(yán)重污染”[1]。隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，我國(guó)突發(fā)環(huán)境污染事件已經(jīng)進(jìn)入高發(fā)期，是社會(huì)“非常態(tài)”中的“常態(tài)”，并且數(shù)量呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)。此外，在國(guó)家沖突中，極可能因?yàn)榇驌艉穗姀S、化工廠、大型危險(xiǎn)品倉(cāng)庫(kù)、油氣田等目標(biāo)，或使用核生化武器造成嚴(yán)重的突發(fā)環(huán)境污染事故。

突發(fā)環(huán)境污染事故具有發(fā)生時(shí)間突然性、污染范圍不確定性、負(fù)面影響多重性、健康危害復(fù)雜性、處理處置艱巨性等特點(diǎn)。軍隊(duì)具有高度集中、反應(yīng)迅速、組織性強(qiáng)、紀(jì)律嚴(yán)明等特點(diǎn)，不僅具有武裝集團(tuán)的優(yōu)勢(shì)，也有專(zhuān)業(yè)突擊的長(zhǎng)處，是國(guó)家應(yīng)急處突的重要力量。近年來(lái)，我軍組建了抗洪搶險(xiǎn)應(yīng)急部隊(duì)、地震災(zāi)害緊急救援隊(duì)、核生化應(yīng)急救援隊(duì)、空中緊急運(yùn)輸服務(wù)隊(duì)、交通應(yīng)急搶險(xiǎn)隊(duì)、海上應(yīng)急搜救隊(duì)、應(yīng)急機(jī)動(dòng)通信保障隊(duì)、醫(yī)療防疫救援隊(duì)共8支應(yīng)急專(zhuān)業(yè)力量，但突發(fā)環(huán)境污染事故應(yīng)急處理專(zhuān)業(yè)人才的培養(yǎng)和培訓(xùn)未引起足夠重視。因此，我院向軍事設(shè)施專(zhuān)業(yè)學(xué)員開(kāi)設(shè)了突發(fā)環(huán)境污染事故應(yīng)急處理課程。

1? 課程現(xiàn)狀分析

1.1? 課程定位與目標(biāo)

原后勤工程學(xué)院自2012年開(kāi)始向環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)本科學(xué)員開(kāi)設(shè)“突發(fā)環(huán)境污染應(yīng)急處理”課程。目前，該課程為軍事設(shè)施專(zhuān)業(yè)本科學(xué)員首次任職課程。

“突發(fā)環(huán)境污染應(yīng)急處理”課程總體目標(biāo)是學(xué)員系統(tǒng)掌握突發(fā)性環(huán)境污染事故防范與應(yīng)急處理的基本理論，了解突發(fā)性環(huán)境污染事故分類(lèi)、管理、評(píng)價(jià)等相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，熟悉常見(jiàn)的突發(fā)環(huán)境污染應(yīng)急監(jiān)測(cè)與處理技術(shù)，基本具備應(yīng)對(duì)突發(fā)性環(huán)境污染事故、開(kāi)展相關(guān)處置工作的能力[2]。

1.2? 課程教學(xué)內(nèi)容

突發(fā)環(huán)境污事故的發(fā)生在對(duì)環(huán)境造成污染的同時(shí)，嚴(yán)重危及人及動(dòng)物的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全。因此，對(duì)突發(fā)環(huán)境事件進(jìn)行系統(tǒng)性研究，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，提高事件防范和應(yīng)急處理能力十分重要。根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，本門(mén)課程教學(xué)內(nèi)容主要分為三大模塊：（1）理論教學(xué)。包括突發(fā)性環(huán)境污染危險(xiǎn)源識(shí)別與評(píng)價(jià)，突發(fā)性環(huán)境污染應(yīng)急準(zhǔn)備與響應(yīng)，突發(fā)性環(huán)境污染應(yīng)急監(jiān)測(cè)，突發(fā)性環(huán)境污染應(yīng)急處理技術(shù)，應(yīng)急決策支持系統(tǒng)基礎(chǔ)等內(nèi)容。（2）案例分析。從國(guó)內(nèi)外近50年發(fā)生的水、土壤、大氣污染等突發(fā)環(huán)境污染事故中，選取近20個(gè)典型案例作為教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合案例解析 、情境式教學(xué)進(jìn)行典型案例教學(xué)。（3）實(shí)踐教學(xué)。依托某化工園區(qū)突發(fā)水污染三級(jí)防控系統(tǒng)進(jìn)行參觀見(jiàn)學(xué)，并對(duì)不同想定條件下突發(fā)環(huán)境污染進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測(cè)、應(yīng)急處置預(yù)案的制訂。

1.3? 實(shí)踐教學(xué)中存在的問(wèn)題

實(shí)踐教學(xué)以培養(yǎng)學(xué)員理論聯(lián)系實(shí)際的能力、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力、崗位任職的能力為目標(biāo)，是貫穿在高等教育整個(gè)教學(xué)計(jì)劃過(guò)程中的一個(gè)系統(tǒng)工程?！巴话l(fā)環(huán)境污染應(yīng)急處理”是一門(mén)實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程，因此，在實(shí)施教學(xué)時(shí)，不僅僅只注重于理論知識(shí)的理解，更應(yīng)該強(qiáng)化實(shí)踐技能的訓(xùn)練。雖然我們?cè)O(shè)置了參觀見(jiàn)學(xué)、想定作業(yè)、預(yù)案編制等實(shí)踐內(nèi)容，但取得的效果并不太理想，筆者認(rèn)為原因有三：（1）實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容缺乏軍事特色。對(duì)于軍隊(duì)院校的學(xué)員而言，課程內(nèi)容不貼近實(shí)戰(zhàn)，不能對(duì)接崗位需求，學(xué)員就容易對(duì)課程產(chǎn)生疲勞感，從而慢慢失去興趣。（2）實(shí)踐課程缺少現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐的環(huán)節(jié)。學(xué)員只有置身于事故現(xiàn)場(chǎng)后，才能激發(fā)他們運(yùn)用所學(xué)知識(shí)、技能真正地去解決問(wèn)題，才能對(duì)本門(mén)課程有更深的理解，訓(xùn)練出獨(dú)有的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)。實(shí)際環(huán)境安全事件中，由于其自身的危險(xiǎn)性，往往會(huì)對(duì)學(xué)員造成嚴(yán)重的心理負(fù)擔(dān)，進(jìn)而影響其應(yīng)急處置行為，但是事件的危險(xiǎn)性在日常實(shí)操訓(xùn)練中是難以模擬的，這就成了學(xué)員掌握應(yīng)急技術(shù)的最大掣肘。并且應(yīng)急監(jiān)測(cè)、處理與處置的儀器裝備較為精貴，為了避免儀器裝備的損害，部分實(shí)驗(yàn)只能設(shè)計(jì)為演示實(shí)驗(yàn)，嚴(yán)重限制了學(xué)員對(duì)儀器設(shè)備的熟悉程度和操作技能的提升。（3）學(xué)員學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性差。即使教員花費(fèi)更多的時(shí)間、精力去備課，把知識(shí)點(diǎn)以更好的方式展現(xiàn)出來(lái)，但由于學(xué)員缺乏學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力，學(xué)習(xí)的唯一動(dòng)力只有考試，考試一完，全部忘掉，也不能取得盡如人愿的教學(xué)效果。

2? 虛擬仿真的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)

2.1? 虛擬仿真技術(shù)簡(jiǎn)介

虛擬仿真技術(shù)于20世紀(jì)60年代出現(xiàn)，與傳感器技術(shù)、光學(xué)計(jì)算機(jī)、圖形學(xué)人工智能等領(lǐng)域關(guān)聯(lián)密切，隨著三維技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用效果不斷提高，為技術(shù)應(yīng)用提供了有力支撐。當(dāng)前，虛擬仿真技術(shù)以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，從聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、觸覺(jué)等方面進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，在特定范圍內(nèi)形成了非常真實(shí)的虛擬環(huán)境，用戶可以在自然狀態(tài)下或借助設(shè)備等方式于虛擬環(huán)境中完成對(duì)象交互，以此獲得身臨其境的體驗(yàn)感[3]。

2.2? 創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式構(gòu)建

虛擬仿真技術(shù)可以解決“突發(fā)環(huán)境污染應(yīng)急處理”實(shí)踐教學(xué)中傳統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境難構(gòu)建、危險(xiǎn)環(huán)境難訓(xùn)練的問(wèn)題，消除學(xué)員在突發(fā)環(huán)境污染事故現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的安全隱患，避免實(shí)踐中對(duì)精密貴重儀器的損壞。

2.2.1? 虛擬仿真模擬戰(zhàn)場(chǎng)突發(fā)環(huán)境污染

本次實(shí)踐課程改革是依托我室《特種污染防治應(yīng)急模擬訓(xùn)練系統(tǒng)》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)訓(xùn)練系統(tǒng)）開(kāi)展虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)。訓(xùn)練系統(tǒng)利用3DS MAX對(duì)不明飛行器墜落、恐怖襲擊、臟彈爆炸等場(chǎng)景進(jìn)行模型的建立，然后導(dǎo)入U(xiǎn)NREAL引擎中，完成信息和數(shù)據(jù)的交互功能設(shè)計(jì)以及模型的渲染等工作，學(xué)員通過(guò)佩戴專(zhuān)業(yè)級(jí)虛擬現(xiàn)實(shí)頭顯套裝來(lái)實(shí)現(xiàn)“互動(dòng)化、高仿真、沉浸式”的效果[4]，污染防治應(yīng)急模擬訓(xùn)練系統(tǒng)如圖1所示。

在對(duì)突發(fā)環(huán)境污染應(yīng)急技術(shù)課程的改革中，以臟彈爆炸事件應(yīng)急監(jiān)測(cè)為例，利用虛擬仿真技術(shù)模擬某城市公園內(nèi)發(fā)生一起嚴(yán)重爆炸事件，某恐怖組織聲稱(chēng)對(duì)此事負(fù)責(zé)，并告知引爆了一顆大劑量“臟彈”。事發(fā)地附近人口密集，伴隨著3～4級(jí)偏北風(fēng)，污染煙羽向周?chē)鷶U(kuò)散，事態(tài)趨向嚴(yán)重。涉及的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括煙羽測(cè)量、地面沉積調(diào)查、環(huán)境累積劑量測(cè)定、就地γ能譜分析、表面污染調(diào)查、個(gè)人監(jiān)測(cè)、各類(lèi)樣品采集等。學(xué)員進(jìn)入該模塊以后，根據(jù)事故現(xiàn)場(chǎng)位置、場(chǎng)地設(shè)施等基本情況，分析事故基本情況，準(zhǔn)備相應(yīng)監(jiān)測(cè)程序（穿戴防護(hù)用品、儀器裝備、工作表格等），出發(fā)前往事故現(xiàn)場(chǎng)，并根據(jù)不同時(shí)段的事故現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景（初期、煙雨期、煙雨過(guò)后）進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)完畢后撤回，回收監(jiān)測(cè)人員個(gè)人劑量計(jì)與環(huán)境累積劑量計(jì)（TLD），執(zhí)行任務(wù)結(jié)束后的污染檢查，模擬臟彈爆炸場(chǎng)景如圖2所示。

在操作過(guò)程中，訓(xùn)練系統(tǒng)對(duì)異常輸入具有容錯(cuò)能力，并進(jìn)行相應(yīng)提示，訓(xùn)練系統(tǒng)信息與數(shù)據(jù)交互如圖3所示。學(xué)員操作席之間、教員控制席與學(xué)員操作席之間，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)組成局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)教學(xué)管理與學(xué)員之間的協(xié)同式演練。操作結(jié)束后，訓(xùn)練系統(tǒng)對(duì)學(xué)員各操作步驟進(jìn)行評(píng)分。

虛擬仿真技術(shù)讓教員可以把傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中難以呈現(xiàn)的真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)突發(fā)環(huán)境污染場(chǎng)景遷移到課堂中，從而打破了傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)中缺乏軍事特色的瓶頸和對(duì)客觀條件的依賴。

2.2.2? 傳統(tǒng)實(shí)踐與虛擬仿真相結(jié)合

傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)都有固定的模式，教員詳細(xì)地講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟，甚至進(jìn)行操作示范，整個(gè)教學(xué)過(guò)程簡(jiǎn)明、清晰，有利于學(xué)員對(duì)相對(duì)結(jié)論的認(rèn)可、理解和記憶，也有利于教員對(duì)整個(gè)教學(xué)過(guò)程的控制。其弊端也顯而易見(jiàn)，學(xué)員按部就班進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在一定程度上抑制了學(xué)員學(xué)習(xí)的興趣。虛擬仿真教學(xué)，可以不受時(shí)間和空間的限制，任何時(shí)間能都進(jìn)入虛擬場(chǎng)景開(kāi)始相應(yīng)的訓(xùn)練，也不用考慮應(yīng)急演練的空間局限性和實(shí)驗(yàn)過(guò)程對(duì)精密儀器的損壞。除此之外，在虛擬世界中，學(xué)員還能夠體驗(yàn)各種危險(xiǎn)、有害因素而不用考慮安全性，通過(guò)自己的探索與思考，掌握真實(shí)事故場(chǎng)景下危險(xiǎn)源的識(shí)別與評(píng)價(jià)、突發(fā)環(huán)境污染的應(yīng)急監(jiān)測(cè)與處理。虛擬仿真教學(xué)多感知性、沉浸性、互動(dòng)性等特點(diǎn)有利于激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，使學(xué)員全身心的投入到課堂中去，推進(jìn)教學(xué)活動(dòng)。但虛擬仿真系統(tǒng)由于制作成本高，難度大、周期長(zhǎng)，我們也沒(méi)有必要把每一個(gè)實(shí)驗(yàn)，或?qū)嶒?yàn)中每一個(gè)環(huán)節(jié)都構(gòu)建在虛擬仿真系統(tǒng)中。仍以臟彈爆炸事件應(yīng)急監(jiān)測(cè)為例，我們就可以采用傳統(tǒng)模式進(jìn)行桌面推演，分解任務(wù)后在訓(xùn)練系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測(cè)的實(shí)驗(yàn)。

不管是傳統(tǒng)實(shí)踐還是虛擬仿真，其目的是讓學(xué)員能將所學(xué)的理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際問(wèn)題處理，并在此過(guò)程中考核學(xué)員的知識(shí)掌握度、操作的正確熟練度、解決問(wèn)題的能力，從而提升學(xué)員的應(yīng)急處突能力?！耙蕴撗a(bǔ)實(shí)”“虛實(shí)結(jié)合”，將虛擬仿真與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)結(jié)合，才能實(shí)現(xiàn)實(shí)踐教學(xué)的最大效益。

2.2.3? 構(gòu)建多維度實(shí)踐考核模式

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，主要根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫(xiě)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程的操作進(jìn)行評(píng)分。但部分學(xué)生并沒(méi)有參與其中，也能夠撰寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)報(bào)告，因此分?jǐn)?shù)存在一定的不公平性[4]。虛擬仿真技術(shù)促進(jìn)了教學(xué)內(nèi)容的重新設(shè)計(jì)和教學(xué)方式的改革，可以將實(shí)作訓(xùn)練考核轉(zhuǎn)換為虛擬練習(xí)考核。訓(xùn)練系統(tǒng)可以進(jìn)行多種事故場(chǎng)景下多人協(xié)同完成任務(wù)的技能訓(xùn)練與考核，同時(shí)全程記錄每一位學(xué)員的每一步實(shí)驗(yàn)操作及用時(shí)，并根據(jù)教員預(yù)設(shè)的評(píng)分環(huán)節(jié)、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)學(xué)員進(jìn)行評(píng)分。因此，教員還可根據(jù)學(xué)員的預(yù)習(xí)情況、實(shí)驗(yàn)過(guò)程、討論與思考情況、實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量等多維度進(jìn)行更可觀和更全面考核評(píng)價(jià)。同時(shí)，教員可對(duì)學(xué)員學(xué)習(xí)過(guò)程中產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)加以整理、對(duì)比，據(jù)此可進(jìn)一步對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化[5]。

3? 結(jié)? 論

突發(fā)環(huán)境污染的應(yīng)急處置專(zhuān)業(yè)性、時(shí)效性強(qiáng)，人的作用尤為關(guān)鍵，必須配備訓(xùn)練有素的專(zhuān)業(yè)技術(shù)隊(duì)伍。近些年，在國(guó)家和軍隊(duì)的高度重視下，應(yīng)急監(jiān)測(cè)、處理與處置的儀器裝備發(fā)展迅速，其數(shù)量與質(zhì)量都有顯著提升，但是專(zhuān)業(yè)技術(shù)隊(duì)伍的培養(yǎng)與訓(xùn)練方面卻明顯滯后。虛擬仿真融合傳統(tǒng)實(shí)踐的新型教學(xué)模式在應(yīng)急技術(shù)人員的培養(yǎng)中有著得天獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)。虛擬仿真技術(shù)讓學(xué)員安全地、不受時(shí)空限制地在平時(shí)和戰(zhàn)時(shí)突發(fā)環(huán)境污染現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)操訓(xùn)練，有效提升了學(xué)員應(yīng)急處突能力。正確運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)，配合軍隊(duì)院校課程改革，有利于培養(yǎng)應(yīng)用型和創(chuàng)新型軍事人才。

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作者簡(jiǎn)介：袁馨（1983—），女，漢族，四川安岳人，講師，碩士，研究方向：污染生態(tài)修復(fù)。

收稿日期：2022-09-26