基于虛擬仿真技術(shù)的安全評價教學(xué)改革途徑

鄒全樂 張?zhí)煺\ 劉瑩 任松 張渝強(qiáng) 明陽

摘 ?要：虛擬仿真技術(shù)具有沉浸性、多感知性、自主性和交互性的顯著特點(diǎn)，在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在教育領(lǐng)域，虛擬仿真技術(shù)可以將二維知識和圖片三維立體化，建造出自主感知的教學(xué)模式，改善刻板的教育方式，增強(qiáng)實(shí)踐教育手段，極大地提升教學(xué)質(zhì)量。文章從虛擬仿真技術(shù)的特征和安全評價教學(xué)現(xiàn)狀出發(fā)，探究融合了虛擬仿真技術(shù)后的安全評價教學(xué)模式，從安全預(yù)評價，安全驗(yàn)收評價，安全現(xiàn)狀評價三個階段入手，建立一種基于虛擬仿真技術(shù)的安全評價教學(xué)模式，為改善安全評價教學(xué)效果提供有效的途徑。

關(guān)鍵詞：安全評價;虛擬仿真;教學(xué)改革;融合途徑

中圖分類號：G642 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2020）29-0114-04

Abstract： Virtual reality technology is widely used in many fields because of its outstanding characteristics of immersion， multi-perception， autonomy and interactivity. In the field of education， virtual simulation technology makes two-dimensional knowledge and pictures three-dimensional， builds a self-perceived teaching model， improves the rigid education method， enhances the practical educational means， and greatly improves the teaching quality. In this paper， the teaching model is explored based on the characteristics of virtual reality technology and the present situation of safety evaluation teaching. A safety evaluation teaching system based on virtual reality technology is established from the perspective of safety pre-assessment， safety assessment upon completion and safety assessment in operation， which could provide effective way for the improvement of safety assessment teaching effect.

Keywords： safety assessment; virtual reality; teaching reform; blending means

一、概述

教學(xué)改革一直是改善教學(xué)效果，提高教學(xué)質(zhì)量的有效方法，但是僅僅對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行增添或刪減的教學(xué)改革，其效果往往是不盡如人意的。近年來隨著電子科技的發(fā)展，越來越多的電子設(shè)備開始運(yùn)用在教學(xué)過程中，使得原本枯燥乏味的教學(xué)過程變得生動形象，教學(xué)成果也明顯得到了改善。王起全[1]等在安全工程教學(xué)過程中引入虛擬仿真技術(shù)，利用該技術(shù)，構(gòu)建了可拆解、可運(yùn)行的立體工藝系統(tǒng)，使得原本難以理解的機(jī)械結(jié)構(gòu)與工作原理變得更加形象。涂然[2]等將虛擬仿真及仿真技術(shù)融入安全工程的教學(xué)中，利用Pathfinder、FDS等軟件，對火災(zāi)安全事故進(jìn)行了模擬教學(xué)，不僅培養(yǎng)了學(xué)生應(yīng)對此類災(zāi)害的各項(xiàng)能力，也在很大程度上挖掘和拓展了學(xué)生的自我能動性。趙莉等[3]提出了將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在機(jī)械安全設(shè)計(jì)中的教學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)了各類機(jī)械設(shè)備參數(shù)的模擬整合，便于在虛擬環(huán)境中進(jìn)行大型機(jī)械的設(shè)計(jì)、組裝、更換零件等過程的模擬，為學(xué)習(xí)人員提供了更加直觀的教學(xué)模擬。張秋昭等[4]對《礦山測量學(xué)》課程進(jìn)行了教學(xué)改革，將新興的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與傳統(tǒng)課堂教學(xué)相融合，構(gòu)建了高還原度的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，為學(xué)生提供了更加立體而形象的模擬實(shí)踐教學(xué)。張麗等[5]利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對生產(chǎn)車間進(jìn)行了建模仿真，并對該車間可能發(fā)生的事故進(jìn)行了合理的預(yù)測，對安全評價工作的順利進(jìn)行有著極大的輔助作用。由此可見，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠較好地幫助教學(xué)人員還原生產(chǎn)現(xiàn)場，對可能發(fā)生的危險源進(jìn)行合理的分析排查。

安全評價是一項(xiàng)相對抽象的工作，現(xiàn)階段的安全評價分析方法和手段都是現(xiàn)場工作人員和科研人員經(jīng)過長期的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和實(shí)驗(yàn)分析而得來的。其教學(xué)效果也往往受限于它本身的多樣性與復(fù)雜性而難以令人滿意。由于安全評價多樣性與復(fù)雜性，導(dǎo)致評價很難依據(jù)理論作出嚴(yán)格的推算，這便讓安全，評價方法的選擇與實(shí)施更加具有主觀性。因此，在安全評價的教學(xué)過程中，不斷培養(yǎng)學(xué)生們的主觀能動性，激發(fā)學(xué)生們的獨(dú)立思考、獨(dú)立分析能力，才是安全評價教學(xué)過程中最主要的目的之一?；诖耍疚奶岢隽嘶谔摂M仿真技術(shù)的安全評價教學(xué)改革途徑，以期為改善安全評價教學(xué)效果提供有效的途徑。

二、安全評價教學(xué)現(xiàn)狀

安全評價是辨識系統(tǒng)危險并提出針對性安全對策的有效技術(shù)，按照其實(shí)施階段不同可劃分為安全預(yù)評價、安全驗(yàn)收評價和安全現(xiàn)狀評價。安全評價師安全工程專業(yè)學(xué)生的必修課，對學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)具有非常重要的作用。目前，安全評價教學(xué)存在以下四方面的難題：

（一）教學(xué)方式十分單調(diào)，而過多翻轉(zhuǎn)課堂加重學(xué)生負(fù)擔(dān)

教學(xué)的開放性較大使得大學(xué)教育與中學(xué)教育特點(diǎn)有明顯的不同，而且大多數(shù)教師已經(jīng)在擺脫固定的教學(xué)方式-教室授課和學(xué)生記筆記，想要進(jìn)行教師模式上的創(chuàng)新，如翻轉(zhuǎn)課堂，小組作業(yè)等。但事實(shí)上，這種所謂的“創(chuàng)新”教學(xué)方式在如今的大學(xué)教育已經(jīng)很難引起學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，這種更加注重“表現(xiàn)”的教學(xué)方式，反而更加容易忽略對同學(xué)們自身能力的鍛煉。

（二）教學(xué)內(nèi)容大部分是純理論化的內(nèi)容，難以讓學(xué)生做到“身臨其境”

學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后接受到的理論知識已經(jīng)全面掌握了，真正缺少的是對真實(shí)案例的分析。在教學(xué)過程中，僅僅依靠圖片、文字和視頻來進(jìn)行現(xiàn)場模擬，也會讓本就不感興趣的同學(xué)們覺得枯燥乏味。另外，感興趣的同學(xué)如果缺乏一定的空間想象能力，也就很難達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目的。

（三）成績考核方式較單一，僅僅起到了“紙上談兵”的效果

長遠(yuǎn)來看，課程的考核方式往往是端正學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度的一種動力。而目前國內(nèi)的安全評價課堂的成績考核筆試占據(jù)一大部分，期末考試成為衡量課程的學(xué)習(xí)水平的唯一手段。這種導(dǎo)向就會讓許多同學(xué)僅僅抓住紙面上的內(nèi)容，為了高分而死記硬背，不去理解其中的含義，學(xué)生們就缺少了安全評價中全面分析、獨(dú)立思考、因地制宜的過程。這讓本就很模糊和抽象的安全評價，顯得更加難以捉摸。

（四）實(shí)踐教學(xué)管理難、耗時長，卻難以達(dá)到教學(xué)目的

安全評價的成功教學(xué)需要同學(xué)們在積累了理論知識后，對一些特定的場景進(jìn)行實(shí)際的安全評價訓(xùn)練，這就需要教師在教學(xué)過程中設(shè)計(jì)一些實(shí)際場景給同學(xué)們進(jìn)行練習(xí)，所以安全評價課程中，往往包含著實(shí)踐教學(xué)這一部分。然而，帶同學(xué)們?nèi)ガF(xiàn)場實(shí)地考察，進(jìn)行現(xiàn)場的安全評價，卻往往不盡如人意。其原因在于，工作現(xiàn)場所需評價的內(nèi)容甚多，同學(xué)們難以抓住重點(diǎn)，另外，在戶外進(jìn)行教學(xué)，很難使同學(xué)們進(jìn)入學(xué)習(xí)的狀態(tài)，再加上天氣原因、工作環(huán)境、管理問題等因素，使得實(shí)踐教學(xué)出現(xiàn)了“教師累、學(xué)生玩”的現(xiàn)象。

由此可見，安全評價的教學(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容還需要進(jìn)一步的優(yōu)化和改革。如何充分利用現(xiàn)有技術(shù)手段來抓住學(xué)生們的興趣點(diǎn)、培養(yǎng)學(xué)生們的獨(dú)立分析、獨(dú)立思考的能力，成了改善教學(xué)效果的難題之一。

三、虛擬仿真技術(shù)和安全評價的融合途徑

下面將以加油站安全評價為例探討虛擬仿真技術(shù)和安全評價的融合途徑。

教師與設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)預(yù)先開發(fā)加油站的安全預(yù)評價VR模型、安全驗(yàn)收評價VR模型和安全現(xiàn)狀評價VR模型，每個模型均根據(jù)不同階段的特點(diǎn)設(shè)置不同類型的安全隱患，每個安全隱患均設(shè)置有不同的安全評價方法及其評價步驟供學(xué)生進(jìn)行選擇和排序。

在完成了相關(guān)理論教學(xué)后，首先，教師對加油站安全預(yù)評價VR模型進(jìn)行簡單介紹，學(xué)生依次戴上VR眼鏡和感知手柄，通過對加油站周圍構(gòu)筑物分布、自然環(huán)境，設(shè)計(jì)資料等基本信息進(jìn)行獲取，根據(jù)所學(xué)安全生產(chǎn)法律法規(guī)等知識，判斷加油站設(shè)計(jì)規(guī)劃等的符合性，辨識加油站規(guī)劃設(shè)計(jì)中可能存在的潛在危險因素，推演可能造成的事故及其嚴(yán)重性，對不同危險因素進(jìn)行安全評價方法選擇，并對選擇的安全評價方法步驟進(jìn)行排序，完成線上安全預(yù)評價。課后，學(xué)生根據(jù)線上評價情況，分組撰寫安全預(yù)評價報告。

其次，教師對加油站安全驗(yàn)收評價VR模型進(jìn)行簡單介紹，學(xué)生依次戴上VR眼鏡和感知手柄，進(jìn)入加油站，通過對加油站各部分設(shè)施進(jìn)行檢查，判斷其設(shè)置的合理性，辨識加油站建成后可能存在的潛在危險因素，推演可能造成的事故及其嚴(yán)重性，對不同危險因素進(jìn)行安全評價方法選擇，并對選擇的安全評價方法步驟進(jìn)行排序，完成線上安全驗(yàn)收評價。課后，學(xué)生根據(jù)線上評價情況，分組撰寫安全驗(yàn)收評價報告。

再次，教師對加油站安全現(xiàn)狀評價VR模型進(jìn)行簡單介紹，學(xué)生依次戴上VR眼鏡和感知手柄，進(jìn)入加油站，通過對加油站現(xiàn)實(shí)運(yùn)行中的情況進(jìn)行檢查，辨識加油站運(yùn)行中可能存在的潛在危險因素，對不同危險因素進(jìn)行安全評價方法選擇，并對選擇的安全評價方法步驟進(jìn)行排序，完成線上安全現(xiàn)狀評價。課后，學(xué)生根據(jù)線上評價情況，分組撰寫安全現(xiàn)狀評價報告。

最后，每個小組分別匯報加油站安全預(yù)評價、安全驗(yàn)收評價和安全現(xiàn)狀評價情況，教師可通過聘請其他專業(yè)人員的方式組成專家組，對學(xué)生匯報進(jìn)行點(diǎn)評和深入交流，學(xué)生根據(jù)評審情況修改安全評價報告，提交至教師，教師根據(jù)學(xué)生匯報情況及最終安全評價報告質(zhì)量對學(xué)生進(jìn)行評分計(jì)入該課程的平時成績。

四、改進(jìn)安全評價教學(xué)模式的優(yōu)勢

虛擬仿真技術(shù)在安全評價教學(xué)方面的優(yōu)勢，揭示了虛擬仿真技術(shù)的三個特點(diǎn)，即構(gòu)想、沉浸、互動，打破了教學(xué)時空的局限，創(chuàng)造了多種學(xué)習(xí)情境。這種新式的教學(xué)模式構(gòu)造了一個模擬仿真的沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境，在老師的指導(dǎo)和新式教學(xué)工具的輔助下，能更快的掌握相關(guān)知識。

（一）激發(fā)學(xué)生主動探索和獨(dú)立思考的能力

學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)分為外部動機(jī)和內(nèi)部動機(jī)，外部動機(jī)是讓學(xué)生被動的接受知識，而內(nèi)部動機(jī)則是要求學(xué)生在課堂內(nèi)外主動探求知識。可以看出內(nèi)部動機(jī)是最有效的提升學(xué)習(xí)能力的動機(jī)。虛擬仿真技術(shù)從維度轉(zhuǎn)化上使二維的知識變成三維真實(shí)的場景，并讓學(xué)生們身臨其境地體驗(yàn)安全評價的現(xiàn)場工作。這種全新的教學(xué)工具和手段能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)部動力，提高學(xué)生自主創(chuàng)作意識。從根本上改變知識接受者的學(xué)習(xí)觀念，讓學(xué)生以主動發(fā)現(xiàn)的身份探索學(xué)習(xí)內(nèi)容和更深層次的知識，同時創(chuàng)造真實(shí)可感的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)也將會大不同以前。

（二）鍛煉學(xué)生們應(yīng)對實(shí)際問題的能力

在虛擬仿真技術(shù)的輔助條件下，學(xué)生能夠身處生產(chǎn)現(xiàn)場，切實(shí)地考慮場景中可能引發(fā)事故的危險源，將學(xué)生從課堂上的觀看者轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)現(xiàn)場的探索者。學(xué)生能夠全面了解事故可能發(fā)生的背景和原因，預(yù)測事故發(fā)生所造成的影響范圍，而不僅僅只是學(xué)習(xí)如何預(yù)防事故。對事故可能發(fā)生的場景有了更好的認(rèn)知，就可以從各方面做到合理預(yù)測事故、科學(xué)防范事故，從而在工作中避免事故的發(fā)生。

（三）提高學(xué)生實(shí)踐探索的專注性

教師團(tuán)隊(duì)通過模擬VR技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場模擬，既解決了現(xiàn)場實(shí)踐教學(xué)難以保障安全的難題，又有利于提高學(xué)生們在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的專注性。既避免了教學(xué)過程中發(fā)生意外可能造成的損失，又可以利用VR技術(shù)讓學(xué)生們進(jìn)行現(xiàn)場模擬，達(dá)到現(xiàn)場實(shí)踐的目的。

（四）多樣化考核方式全面提升學(xué)生學(xué)習(xí)效果

虛擬仿真技術(shù)在事故案例豐富逼真的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造了沉浸式體驗(yàn)的學(xué)習(xí)環(huán)境，創(chuàng)造了獨(dú)立自主的學(xué)習(xí)方式。學(xué)生使用VR技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場模擬探索，有助于提升學(xué)生的專業(yè)知識素養(yǎng)，同時考察了學(xué)生們在現(xiàn)場應(yīng)用知識的能力，達(dá)到“活學(xué)活用”的目的。

五、教學(xué)改革中可能面臨的問題

雖然虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用能夠提升教學(xué)質(zhì)量，但同時存在著一些需要解決的問題。

（一）VR技術(shù)容易造成“3D眩暈感”

毫無疑問，進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)體驗(yàn)的人群中不可避免地會有人感到眩暈感，這是因?yàn)槿嗽谶M(jìn)行VR技術(shù)體驗(yàn)時，視覺神經(jīng)與其他傳輸神經(jīng)對中樞神經(jīng)產(chǎn)生了矛盾的信號，從而導(dǎo)致神經(jīng)中樞發(fā)出強(qiáng)烈的眩暈指令。這種眩暈感對于部分人群是難以克服的，甚至?xí)斐蓢I吐、昏倒等意外情況。因此，在教學(xué)過程中普遍使用VR技術(shù)進(jìn)行教學(xué)與考核會對部分患有“3D眩暈癥”的學(xué)生們造成影響，甚至?xí)?dǎo)致意外情況的發(fā)生。因此，如何減輕這種“3D眩暈感”成了限制VR技術(shù)應(yīng)用的難題之一。

（二）VR技術(shù)的使用會占用大量的教學(xué)資源

虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)的實(shí)現(xiàn)不僅需要完整且無漏洞的虛擬模型軟件，還需要VR眼鏡、感知手柄等相關(guān)的VR硬件支撐。因此，想要達(dá)到較好的模擬效果就需要專業(yè)的制作團(tuán)隊(duì)以及大量的資金投入，這就會造成教學(xué)中浪費(fèi)了過多的資源，會讓部分學(xué)校原本就不充足的教育資源“雪上加霜”。如果強(qiáng)制普及VR技術(shù)的教學(xué)改革，很容易造成模擬內(nèi)容的粗制濫造、漏洞百出，不僅浪費(fèi)了教學(xué)資源，也耗費(fèi)了學(xué)生與教師的精力。就目前的狀況來看，實(shí)現(xiàn)VR技術(shù)在教學(xué)中的普及仍然需要更多教育者的努力與探索。

（三）VR技術(shù)的使用淡化了指導(dǎo)教師的作用

教師的作用就是在課堂中點(diǎn)撥學(xué)生們的思維，使學(xué)生們能夠“少走彎路”，達(dá)到“事半功倍”的學(xué)習(xí)效果。然而，VR技術(shù)的使用雖然能在一定程度上激發(fā)學(xué)生們自主探索的能力，但這樣的探索過程也會消耗學(xué)生們大量的學(xué)習(xí)時間，在這段時間中缺少了學(xué)生們與教師的互動過程，很容易使學(xué)生們陷入困惑而自身卻難以解決，造成“事倍功半”的結(jié)果。因此，教師指導(dǎo)與學(xué)生自學(xué)之間的難以權(quán)衡，也是VR技術(shù)在教學(xué)過程中難以普及的原因之一。

六、結(jié)束語

虛擬仿真技術(shù)作為一項(xiàng)提升人體對模擬環(huán)境交互感的高新科技，把不能接觸的、抽象的、難以理解的生產(chǎn)現(xiàn)場轉(zhuǎn)化為立體又可感知的模型，極大地增強(qiáng)了學(xué)生們的現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)感，大大提升了學(xué)生們學(xué)習(xí)的興趣。利用虛擬仿真技術(shù)，在課堂上就能夠達(dá)到現(xiàn)場實(shí)踐教學(xué)的目的，避免了戶外教學(xué)的不安全性。將虛擬仿真技術(shù)融入安全評價的教學(xué)過程中，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)中體驗(yàn)，在體驗(yàn)中學(xué)習(xí)，既牢牢掌握了所學(xué)的知識，又切實(shí)地完成了掌握知識到培養(yǎng)能力的轉(zhuǎn)化過程，在教學(xué)過程中起到了良好的推進(jìn)作用，對進(jìn)一步的教學(xué)改革起到了一定的借鑒意義。同時，我們也要意識到，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用也在技術(shù)層面、資金層面與教學(xué)模式層面存在著一些亟待解決的問題，但隨著科技的發(fā)展、人才的涌現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)依然具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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