實景移動增強現實的實驗室安全教育應用構建

［摘 要］ 實驗安全是實驗教學正常運行的根本，在實踐性教學中發揮重要作用。然而，目前的實驗室安全教育體系由于教學手段單一、教學內容缺乏適應性，以及考核較為抽象等問題，影響了實驗室安全教育的效果。針對目前實驗室安全教育的不足，提出了面向實驗室安全教育內容的移動增強現實學習應用。在實驗場所實景構建以移動增強現實為交互手段的自主化、探索化學習過程。借助移動增強現實的富交互學習行為，通過多維度數據反饋以及安全教育測試系統構建實驗室教學的安全準入機制，保障高校實驗室運行安全。

［關鍵詞］ 實驗室安全教育；開放性學習環境；移動增強現實；探索性學習

［基金項目］ 2021年度教育部產學合作協同育人項目“基于移動增強現實的創新實驗室安全培訓教育體系研究”（202101220031）；2022年度浙江省教育廳一般科研項目“基于教育職能決策的具身學習環境研究”（Y202249587）

［作者簡介］ 謝偉旋（1985—），男，浙江蘭溪人，碩士，浙江傳媒學院講師，主要從事增強現實、思想政治教育研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）18-0048-05 ［收稿日期］ 2023-10-13

引言

近年來，高等教育作為國家發展的重要支撐，在國家戰略中占據重要的地位。我國高等教育事業迅速發展，實驗室作為培養學生實踐能力的場所和支撐條件，在高等教育中占據重要地位［1］。然而，近年來，高校實驗室面臨科研任務和儀器設備急劇增加的情況，加之實驗空間有限且人員流動性大，給實驗室安全管理帶來了不利因素［2］。此外，部分師生的安全意識不強，抱有僥幸心理，導致管理措施無法得到有效執行，同時也為實驗室安全帶來隱患［3］。對此，在當前的實驗教育中，提升學生的實驗安全知識水平和相關技能成為一項至關重要的任務［4］。

目前，在國家政策以及安全需求的驅動下，高等教育部門對安全教育相關內容的教學較為重視，在相關課程教育體系中加入了一定的安全教育內容，同時，在新的教育技術應用的背景下，借助新的技術手段不斷地完成實驗室安全教育內容［5］。目前的實驗室安全教育手段和方法，仍存在以下幾個方面的問題。

第一，教學手段單一。目前，傳統的實驗室安全教育以專題培訓、集中講授等形式為主，對學生進行理論灌輸。教學手段較為單一，以單向教學為主，學生在傳統的接受教學的過程中對于學習抽象的安全知識缺乏主動性，在長時間的枯燥學習過程中會產生疲憊感［6］，進而影響實驗室安全學習的效果。

第二，缺乏實踐性和針對性。目前，實驗室安全教育存在重知識輕技能、重管理輕引導的現象［7］。部分高校在實驗室安全教育管理上更加強調實驗室安全的規范化和制度化的管理手段，缺乏對實際問題的安全操作指引，導致安全教育的實踐性不足、安全問題的針對性欠佳。

第三，學習效果考核機制抽象。目前，實驗室安全教育的考核大多采用與實驗室安全管理制度相關的文本交互式考核機制［8］。然而，由于抽象的交互式文本考核機制無法體現學生在有安全風險環境中的實際問題解決能力，缺乏具體、全面的學習考核機制，影響安全教育的學習效果。

因此，本文針對目前高校實驗室安全教育中存在的問題，應用移動增強現實技術，在真實的實驗場所和實驗設備條件下，構建實驗室安全教育的學習應用。

在應用設計和實現上，首先，以自主化學習為學習活動的組織方式，借助移動增強現實技術手段營造半沉浸的、豐富的學習交互氛圍；其次，優化移動增強現實學習的教學組織形式，以任務約束、社會化協作等方法，避免在開放學習環境中其他學習者、學習對象對學習活動產生的影響；最后，在富交互學習行為支撐下，通過多維度教學交互數據采集以及安全教育測試系統構建實驗室教學的安全準入機制，保障高校實驗室運行的安全。

一、實景移動增強現實學習的引入及分析

在引入移動增強現實進行安全教育時，需要對移動增強現實學習的特性進行分析。移動增強現實學習是指在一定的學習場景下，學習者與有目的性的信息加工的學習對象進行交互，獲取相應的知識內容，移動增強現實的教學環境構建是虛擬與真實相結合的［9］。相對于傳統的教學手段來說，移動增強現實具有如下優勢。

（一）構建沉浸式的學習環境

移動增強現實與傳統教學資源相比，最突出的優勢就是其所構建的沉浸式學習環境。通過這一環境的構建，學習者能夠將主要精力投入學習場景。通過虛擬構建或是信息加工的學習對象進行有效學習，將所要學習的知識內容從平面轉化為立體的知識內容，使學習者具有更強的真實感。

（二）豐富的學習交互手段

在虛擬現實和移動增強現實教學中，交互手段將會更加豐富，可以通過用戶動作行為、設備的圖像采集以及其他多樣化的交互手段，與教學內容之間產生交互，并通過交互響應獲取相關的知識內容，與傳統教學資源需要點擊響應的單一的互動手段相比，具有更強的互動感［10］。

（三）多維度的學習反饋

移動增強現實與傳統的學習活動相比，其更加強調學習者的學習交互行為。在學習者學習交互過程中，將會產生學習持續時間、學習地理位置、學習交互頻度以及知識組織順序等多種維度的學習描述數據。通過對這些數據的組織以及建模，可以對于學習者學習過程建立科學、全面的描述。

移動增強現實學習應用的這些優勢，可以在一定程度上解決當前安全教育存在的問題。通過移動增強現實半沉浸式的學習環境構建以及豐富的學習交互手段，可以解決安全學習中教學手段單一的問題［11］；同時，通過多維度的學習反饋數據有目的地進行重組及建模，可以構建對安全學習過程的科學、全面的評價。此外，移動增強現實學習還具備開放性學習環境的特點。借助學習環境開放性的特點，突出安全教育實際應用場景在教學中的作用，構建以實際物體為學習對象的實景移動增強現實學習應用，可以在一定程度上解決安全教育中缺乏實踐性和針對性的問題。

二、實景移動增強現實安全教育設計思路

為有效組織實景增強現實學習活動，需要對增強現實教學活動方式和知識組織結構進行設計和優化，發揮實際應用場景以及移動增強現實在教學活動中的優勢，同時避免開放性學習環境中多學習對象和多學習者對學習活動產生的影響。實驗室安全教育應用設計的主要思路如下。

（一）引入實體實驗場景

首要任務是將實際應用場景引入安全教育，以解決實驗室安全教育過程中缺乏實踐性和針對性的問題。在設計過程中，盡量使用真實環境下的自然對象作為學習對象，以實現有針對性的知識傳遞。通過自然對象的復合屬性和與其他對象之間的關系，向學習者傳遞復合型的信息內容。學習者通過對復合信息的分析和理解逐步建立對學習對象的信息模型，在自然場景中進行真實的學習活動，并將自然環境與虛擬環境有機整合，建立有針對性的實踐性安全教育學習工具［12］。實景移動增強現實安全教育設計思路見圖1。

（二）主動感知學習內容

在實驗室安全教育中，將實景增強現實學習中的學習對象甄別作為一個環節，通過有目的的教學組織和設計，讓學習者在相對開放的環境中以主動甄別學習對象和感知學習內容的方式進行學習。這強調學習者的自我探索學習活動，通過一定手段對學習對象所攜帶的知識信息進行探索性學習，構建完整的知識體系。結合移動增強現實的豐富學習交互手段特性，在知識探索式學習活動中，改變傳統的單向學習內容傳遞方式，增強實驗室安全教育的效果［13］。

（三）學習活動的任務約束機制建立

為有效約束學習者在多用戶以及多學習對象的實際環境中的學習行為，在學習活動的組織形式上，采用學習任務方式，對學習者學習路線進行結構化約束和規劃。通過學習任務，使學習者明晰在學習活動中哪些知識需要學習、如何進行學習以及學習后所要達到的目標。同時，在任務約束機制下，借助增強現實的多維度數據反饋，通過數據采集以及對行為數據的建模分析，結合實驗室安全教育的考核內容和安全準入機制，建立一套全面、科學的考核制度。通過學習者學習交互行為的分析，使實驗室安全教育的效果檢驗更加有效。

三、實景增強現實安全教育應用的設計

結合當前實驗室安全教育存在的問題以及提出的解決思路，本文構建了基于增強現實技術應用模式下的高校實驗室安全教育系統。本系統依托浙江傳媒學院媒體工程學院實驗中心，針對實際實驗室安全教學需求，構建碎片化、常態化的安全教育機制。實驗中心主要為電子信息類實驗室，因而在安全教育上本系統主要針對學生的實驗室用電安全、消防逃生等方面進行安全教育。

（一）系統功能設計

利用移動增強現實應用智能移動終端的對象識別技術，可以對學習對象進行識別，并激活相應的學習內容。通過對學習對象進行加工處理，讓學習者能夠參與相關的知識內容學習，以呈現更加形象生動的知識內容。在功能設計上，本系統采用基于移動增強現實的技術方法，應用增強現實技術中的對象識別技術，對于實驗室自然環境中的學習對象，通過學習者主動學習尋找的過程，傳遞給學習者相關的學習內容。

在教學目的的驅動下，通過增強現實技術中對自然環境與多媒體元素構建的虛擬環境的疊加，以及有目的的教學架構，有效傳遞給學習者多樣化、深交互的教學內容。具體的教學交互設計原型見圖2。

（二）教學組織設計

為保障學習者在真實、開放的實驗室環境下移動增強現實安全學習活動的有效性，以學習者自主探索化的學習活動為組織形式，通過學習任務驅動和約束的方法，并結合多個學習者、多個學習對象在共同的學習環境中的協同關系，發揮實際應用場景以及移動增強現實在教學活動中的優勢，同時避免開放性學習環境中多學習對象和多學習者對學習活動產生的影響。

1.學習任務機制設計。在學習組織方面，需要借助學習任務的形式，對離散的學習內容以及學習者的學習進行約束。在學習任務的設計上，一方面，要明確學習者的學習任務，并提供對學習者學習進程的反饋，以避免學習者在學習過程中遺漏學習內容，確保學習內容的完整性和條理性；另一方面，以任務驅動的形式明晰學習者在學習活動中的行為規范，避免學習者與學習無關的行為對其他學習者的學習活動產生影響。

2.教學考核設計。為檢驗學習者的學習效果，進一步保障實驗室的安全運行，要將實驗室安全教育與實驗室安全準入機制有效整合，在教學組織設計中需要對安全教育過程中的學習者交互數據進行綜合、全面的應用，建立一個相對較為全面、具體的安全教育考核制度，保障安全知識學習的有效性。本系統基于學習者對自然對象的知識學習過程、虛擬學習對象的交互，以及文本的考核等相關交互對象的時間、空間等學習信息，建立了一個多維度的考核準入機制。

結語

在實驗場所實地構建的以移動增強現實為交互手段的自主化學習過程，通過實際的安全教育對象以及經過有目的的教學加工的知識內容，構建基于增強現實的高校實驗室安全教育系統和方法，以多樣化的教育教學手段，最終服務實驗教學過程，得到良好的教學效果。有效地向學習者提供安全教育知識和教學交互，在富交互軟件的支撐下，通過教學交互數據采集以及安全教育測試系統，構建教學實驗室的安全準入機制，通過學習感知、沉浸式交互以及綜合性的準入制考核，建立更加科學、有效的安全教育手段，能夠進一步保障實驗室的正常運行。

參考文獻

［1］李劍平，楊詠東.省級高校重點實驗室可持續發展的現狀及對策［J］.實驗技術與管理，2015，32（8）：216-222.

［2］金仁東，馬慶，柯紅巖.分級分層次實驗室安全教育體系建設研究［J］.實驗技術與管理，2018，35（12）：4-8.

［3］陳穎博，張文蘭，陳思睿.基于增強現實的場館學習效果分析：以“AR盒子”虛擬仿真學習環境為例［J］.現代遠程教育研究，2020，32（5）：104-112.

［4］張寶儀，楊現民，胡永斌.中小學課堂突發安全事件處理虛擬仿真系統的設計與開發［J］.現代教育技術，2020，30（8）：98-105.

［5］李亮，朱津津，祝凌宇.虛擬現實與移動增強現實復合性教學環境設計［J］.中國電化教育，2019（5）：98-105.

［6］高偉，王昱霖，郭瑾.國外虛擬現實與增強現實技術教育研究熱點及啟示［J］.開放學習研究，2020，25（2）：47-54+62.

［7］古旭，賀斌，張文娟.新形勢下大學生實驗室安全意識培養研究［J］.實驗室科學，2020，23（1）：191-194+198.

［8］曲茜美，曾嘉靈，尚俊杰.情境故事視角下的MOOC游戲化設計模型研究［J］.中國遠程教育，2019，40（12）：24-33+92-93.

［9］劉瀟，王志軍，曹曉靜，等.AR技術促進科學教育的實驗研究［J］.實驗室研究與探索，2019，38（8）：179-183+208.

［10］龍紫陽，李鳳英.增強現實技術對高校學生學習的影響：基于2010—2019年21篇英文文獻的研究綜述［J］.中國教育信息化，2020（12）：8-14.

［11］王嵩林，唐震.基于新型移動增強現實技術的教學方式研究［J］.中國教育學刊，2017（S1）：125-127.

［12］于翠波，李青，劉勇.增強現實（AR）技術的教育研究現狀及發展趨勢：基于2011-2016中英文期刊文獻分析［J］.遠程教育雜志，2017，35（4）：104-112.

［13］徐敏，童強，張行文，等.增強現實技術在移動學習上的應用研究［J］.湖北師范大學學報（自然科學版），2017，37（1）：76-82.

Construction of Laboratory Safety Education and Learning Software Based on Mobile

Augmented Reality

XIE Wei-xuan， XU Yao， LI Liang

（Office of Students’ Affairs， Communication University of Zhejiang， Hangzhou，

Zhejiang 310018， China）

Abstract： Experimental safety is the basis of normal operation of experimental teaching， and plays an important role in practical teaching. However， in the current laboratory safety education system， due to the single teaching means， the lack of adaptability of teaching content and the abstract assessment， the effect of laboratory safety education is affected. In view of the shortcomings of current laboratory safety education， this paper proposes a mobile augmented reality learning application for laboratory safety education content. In terms of teaching organization， the laboratory safety start education for freshmen is oriented， and the autonomous and exploratory learning process with mobile augmented reality as interactive means is constructed in the experimental site. At the same time， the application of learning task mechanism and collaborative organization of multiple learning factors can effectively provide safety education knowledge and teaching interaction to learners. And on this basis， with the help of mobile augmented reality in the rich interactive learning behavior， through multi-dimensional data feedback and safety education test system， the safety access mechanism of laboratory teaching is constructed to ensure the safety of university laboratory operation.

Key words： laboratory safety education; open learning environment; mobile augmented reality; exploratory learning