基于虛擬現實的核事故應急實踐教學研究與實踐

郭明　王沫涵

摘? 要：核事故應急實踐教學訓練是核事故現場應急處置能力培養的關鍵環節。該文針對傳統核事故應急實踐教學現狀，分析目前核事故應急實踐教學的特點與困難，構建涵蓋實踐教學目標、實踐教學條件、實踐教學活動和實踐教學評價等要素的基于虛擬現實的實踐教學模式；結合具體的教學案例，對基于虛擬現實的教學模式如何運用于核事故實踐教學進行研究和探索。結果表明，結合沉浸式虛擬現實技術，實踐教學與訓練的生動性和真實感極大增強，教學訓練效果明顯改善。

關鍵詞：實踐教學；虛擬現實；核事故應急；教學條件；教學評價

中圖分類號：G641? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）14-0115-05

Abstract： Teaching training of nuclear accident emergency practice is a key link in the training of emergency response capabilities at the nuclear accident site. In response to the characteristics and difficulties of traditional practical teaching in nuclear accident emergency response， a virtual reality-based practical teaching model is constructed， which contains elements such as practical teaching objectives， practical teaching conditions， practical teaching activities and practical teaching evaluation. Through specific teaching cases， we have studied and explored how to use the virtual reality-based teaching model in practical teaching. The results show that combined with immersive virtual reality technology， the vividness and realism of practical teaching and training have been greatly enhanced， and the effect of teaching and training has been significantly improved.

Keywords： practical teaching; virtual reality; nuclear accident response; teaching conditions; teaching evaluation

核事故應急類課程是核專業重點專業課程，是一門理論與實踐緊密結合的課程。除了要求學生掌握核事故應急處置的相關知識，還要求學生具備一定的核事故現場應急處置與指揮能力。長期以來，受眾多因素限制，核事故現場應急處置實踐教學訓練只能依托課堂來實現，教學內容以單兵核應急裝備操作訓練為主，缺乏全流程的多人協同應急處置綜合教學與訓練；同時，由于缺少逼真的教學訓練場景，難以達到實戰化教學訓練效果。

虛擬仿真技術為解決上述問題提供了新的思路。早在1983年，美國陸軍開發了SIMNET坦克VR訓練模擬器，該模擬器對當時美軍的M1主戰坦克從設備和工作狀態進行逼真的仿真模擬，能夠模擬實戰條件下的仿真訓練[1]。步入新時代，隨著計算機技術、可視化技術、大型三維實景建模技術等高新技術的迅猛發展，沉浸式虛擬現實已經在應急救援培訓中得到了廣泛應用。2014年，法國衛生部新建一個名為“3D-SC1”的用于戰場救援的VR項目，該項目隸屬于“戰斗救援計劃”。參訓人員可在利用VR技術構建的實戰化戰場環境中進行整個戰場救傷應急從個人掩護—傷情判斷—確定傷員救治等級—戰場急救處置的全流程訓練，取得較好效果[2]。劉雄等[3]依托VR技術，以Unity3D為開發平臺，開發了面向煤礦火災應急救援VR培訓系統，通過逼真的場景和虛擬交互，能夠讓參訓人員快速了解礦山火災救援流程，掌握火災現場應急處置方法；潘衛軍等[4]基于VR技術構建了機場應急救援虛擬訓練平臺，能夠模擬典型機場事故災害場景，對于提升機場應急分隊的應急處置能力具有明顯效果。由于VR技術具有的低成本、高仿真、無傷害特性，其在軍事[5-7]和教育培訓[8-11]領域也得到越來越廣泛的應用。

針對核事故應急類課程實踐教學中存在的主要問題，以虛擬現實技術為基礎，構建了基于虛擬現實的實踐教學模式，并以某應急裝備的實踐教學為案例，分析了實踐教學的設計與實施。

一? 核事故應急實踐教學特點

核事故應急實踐教學訓練場景可分為物理場景與事故場景組成。當前核事故應急實踐教學的物理場景主要在實驗室，其與真實的核事故發生地差異是巨大的，而且由于學生對真實的核裝備、核設施了解較少，對其有限的了解僅僅來源于教師課堂提供的多媒體素材。訓練場景的失真造成學生對整個技能訓練的代入感和參與感明顯降低，教學訓練效果明顯不佳。

教學訓練場景另一個很重要的方面是事故場景，由于對人體有傷害性，且難以控制，通常情況下核事故場景是很難物理復現的。因此，在進行實踐課程教學訓練過程中，事故場景也是需要學生進行假想的。對于單兵實裝操作技能訓練中，由于事故源的缺乏，大部分應急設備的操作也僅能訓練規定的操作流程，儀器顯示出的結果為無事故環境下的結果。此外，由于事故是對人體有一定傷害的，現場的應急處置人會具有明顯的心理變化，因此心理訓練也是事故應急處置訓練的重要組成部分。事故場景的失真會淡化這種心理變化，使得整個訓練失真，無法達到既定的訓練目標。

二? 基于虛擬現實的實踐教學模式構建

教學模式是教師進行教學活動的標準規范，其往往需要結合現有的教學理論和教學技術手段。基于虛擬現實的實踐教學模式的構建應該以功能框架為基礎，以實際核事故應急流程為依據，培養學生在訓練情境中自主思考與學習的能力。基于虛擬現實的實踐教學模式主要由實踐教學目標、實踐教學條件、實踐教學評價和實踐教學活動組成，其框圖如圖1所示。

（一）? 實踐教學目標

教學目標是教學活動的第一要素，它決定著教學活動的組織方式。虛實一體的最終目的是通過虛擬實訓和實裝實訓結合的方式，使學生具備一定核事故現場應急處置技能。實踐教學目標可分為人才培養總目標、課程教學目標、具體實現三維目標。基于虛擬現實的實踐教學目標的基本框架如圖2所示。

人才培養總目標一般是根據人才培養方案制定的具體培養目標，是課程教學目標的上位目標，并對課程教學目標和具體三維目標起著方向指導作用。教學目標是總目標的進一步細化，它是為實現總目標而設置的。課程教學目標受人才培養總目標的制約，是人才培養總目標在課程層面的具體化。具體實現三維目標則是課程教學目標在施訓過程中在知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀三個維度的進一步細化。在專業課程實踐教學中，具體實現三維目標是課程施教的落腳點。

（二）? 實踐教學條件

實踐教學條件指實現基于虛擬現實的實踐教學所需的各種軟硬件條件，主要包括虛擬實訓條件、實裝教學條件及實訓學習資源，如圖3所示。

（三）? 實踐教學活動

實踐教學活動規定了教學過程中老師與學生的主要任務及教學活動步驟，實踐教學中，應堅持“學生為主體，教師為主導”的原則，其基本流程如圖4所示。

（四）? 實踐教學評價

實踐教學評價一般從評價主體與評價方式兩個方面展開。評價主體方面，除傳統的教師評價外，應增加學生互評環節，進一步激發學生主觀能動性；評價方式上，除了傳統的終結性評價，還增加形成性評價方式，重點對學生在實踐教學訓練中的每個實踐教學環節的參與情況進行評價。

三? 基于虛擬現實的核事故應急實踐教學案例

根據核事故應急課程實踐教學要求，其實踐教學分為實訓與實作兩種形式，包括應急裝設備的使用、典型事故場景全流程綜合演練、應急預案編制與推演共三類實踐教學科目，其中前兩類屬于實訓，第三類屬于實作。實訓教學中的應急裝設備的使用科目為所有應急處置的基礎技能，是整個課程實踐教學的重點也是基礎。下面以某型氣溶膠監測儀的使用為例，介紹基于虛擬現實的核事故應急實踐教學的設計與實施

（一）? 實踐教學設計

實際教學中，可以“任務驅動、情境創設”為原則對實踐教學進行有針對性的設計。設計過程中，將課程的重點、難點貫穿在問題之中，便于學生對重難點知識的掌握，利于實踐技能的形成。

典型的實踐教學設計包括實踐教學目標、教學任務、教學方法和教學小結四個部分。其中，教學目標要簡潔扼要，明確清晰表達通過實踐教學學生應該掌握的知識與能力，目標設計需要考慮層次性，既體現學生理解、記憶知識等“低級思維能力”目標，又要體現分析、評價、創造等“高級思維能力”目標；教學任務注意層次化設計，可遵循由易到難的基本原則，通過簡單的任務提升學習的興趣與成就感，再到高階任務提升素質能力；教學方法以自主探究與團隊合作相結合，既注重個人能力又強調團隊協作精神；最后的教學小結，既包括課中的點評與指導，也包括課程結束前對整個課程的總結講評。以某型氣溶膠監測儀的使用為例，其實踐教學設計見表1。

（二）? 實踐教學實施

在進行某型氣溶膠監測儀實踐教學時，除了需要掌握儀器基本理論知識，還需要通過實操訓練來培養學生的裝備實操與維護能力，同時鞏固理論知識。在教學實施過程中，教師先進行相關理論知識的回顧，在此基礎上，再進行實踐教學。在學生訓練過程中，教師還需從旁監督與指導；學生的任務就是在充分回顧基本理論知識的基礎上，完成實訓任務，并在施訓中完成理論知識和實操技能的固化，主要實踐教學實施過程見表2。

通過課前視頻，利用碎片化的時間回顧氣溶膠監測的基本理論與方法，在課堂上通過深度融合沉浸式虛擬現實技術，在計算機構建的與現實戰場環境一致的虛擬場景中完成核事故現場應急氣溶膠監測等實訓教學與訓練任務。通過沉浸式可交互訓練方式的引入，極大地增加了實踐教學與訓練的生動性和真實感，能夠明顯改善教學訓練效果。

四? 結束語

核事故現場應急處置能力培養是核事故應急類課程能力培養的重要目標之一。傳統的核事故應急實踐教學方式難以對現場應急處置能力培養起到有效支撐。本文在分析了目前核事故應急實踐教學特點基礎上，以沉浸式虛擬現實技術為基礎，構建了涵蓋實踐教學目標、實踐教學條件、實踐教學活動和實踐教學評價等要素的虛實一體的實踐教學模式，并通過具體的教學案例探索了基于虛擬現實的教學模式的組織與實施。教學實踐效果表明，結合沉浸式虛擬現實技術，增加了實踐教學與訓練的生動性和真實感，能夠明顯改善教學訓練效果。

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基金項目：軍隊院校教學成果立項培育項目“核事故應急課程實踐教學改革”（NUE2020009）

第一作者簡介：郭明（1979-），男，漢族，江西遂川人，博士，副教授。研究方向為核技術應用與核安全管理。

*通信作者：王沫涵（1980-），女，漢族，山東威海人，碩士，講師。研究方向為應急管理。