基于VR全景的實(shí)驗室安全教育的設(shè)計與實(shí)踐

王藝芳， 陸嘉宜， 王 靜， 程豫玨， 王景陽， 楊黎黎

(重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院 山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室， 重慶 400030)

0 引 言

實(shí)驗室是高校開展教學(xué)、科研的重要場所，是培養(yǎng)高技能型人才和創(chuàng)新型人才的主要陣地[1]。隨著高校生源及實(shí)驗室規(guī)模的不斷擴(kuò)大，教育改革的不斷深化，學(xué)生自主實(shí)驗、創(chuàng)新實(shí)驗的激增，實(shí)驗室的人員流動性、開放性的加大使得開展實(shí)驗室安全教育、提升學(xué)生的實(shí)驗室安全意識愈加重要[2]。有研究指出，實(shí)驗室安全教育必須符合學(xué)生認(rèn)知心理的特點(diǎn)，從激發(fā)興趣、感知、理解、鞏固和應(yīng)用實(shí)踐等方面層層推進(jìn)，以達(dá)到更好的教育效果，其中激發(fā)興趣和感知是引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)實(shí)驗室安全知識的重要環(huán)節(jié)，必須采取學(xué)生喜聞樂見的教育形式，應(yīng)避免“重理論輕實(shí)踐”“滿堂灌強(qiáng)制考”等學(xué)生厭惡的學(xué)習(xí)方式[3-4]。

VR全景是基于全景圖像的真實(shí)場景虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是虛擬仿真領(lǐng)域中非常核心的部分，以其獨(dú)特的真實(shí)性、沉浸性和易用性，提供了一種全新的敘事手法，同時也為觀看者提供了一種前所未有的視覺新體驗[5-6]?；谔摂M仿真的實(shí)踐教學(xué)是符合教育信息化2.0新形勢下的教學(xué)體驗，而將VR全景作為一種新的教育資源引入實(shí)驗室安全教育更是一種符合學(xué)生認(rèn)知心理特點(diǎn)的創(chuàng)新方式[2-4]。

1 實(shí)驗室安全教育現(xiàn)狀調(diào)查及分析

1.1 國內(nèi)高校實(shí)驗室安全教育現(xiàn)狀

國內(nèi)大部分高校的實(shí)驗室安全教育通常分為兩個部分，安全知識培訓(xùn)和安全知識考核[7]。初期的實(shí)驗室安全教育內(nèi)容大都停留在通識安全教育，教育內(nèi)容手段單一，以安全講座，專題培訓(xùn)，展板手冊宣傳為主。部分高校將實(shí)驗室安全教育納入教學(xué)體系，并開設(shè)實(shí)驗室安全課程，以化學(xué)、生物、輻射等專項安全教育課程為主，在講授相關(guān)安全知識，安全準(zhǔn)則，事故案例呈現(xiàn)，法規(guī)政策及事故的預(yù)防和處置等理論知識的同時輔助以圖像、視頻及動畫的播放。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的安全教育培訓(xùn)及考試系統(tǒng)迅速發(fā)展起來，包括MOOC、微課、在線學(xué)習(xí)考試平臺等，形式內(nèi)容逐漸多樣[8-13]。但我國高校的實(shí)驗室安全教育仍存在以下問題。

(1) 安全教育流于形式，不能落到實(shí)處。由于高校實(shí)驗室的安全教育效果是隱性的，導(dǎo)致高校管理者包括師生對安全教育的重視度不夠。只重視實(shí)驗室建設(shè)而忽視實(shí)驗室安全教育與管理的投入，使人員、經(jīng)費(fèi)等的投入都很有限，造成安全教育往往只停留在形式上，難以落到實(shí)處[14]。

(2) 安全教育內(nèi)容缺乏針對性，理念相對滯后。部分高校實(shí)驗室安全教育的內(nèi)容仍舊僅以常識性教育為主，缺乏具有針對性的實(shí)驗室技術(shù)安全教育內(nèi)容、缺乏對新知識和新技能的講授，也缺少典型案例分析。導(dǎo)致實(shí)驗室安全教育針對性和實(shí)用性不夠強(qiáng)。

(3) 重理論輕實(shí)踐，安全教育方法手段不夠豐富。安全教育形式單調(diào)，內(nèi)容乏味，導(dǎo)致學(xué)生對安全知識學(xué)習(xí)的興趣不足，安全意識薄弱以及對安全事故的預(yù)判和處理能力不足，難以起到相應(yīng)的安全教育效果。

1.2 建筑城規(guī)實(shí)驗教學(xué)中心實(shí)驗室安全教育現(xiàn)狀

目前中心實(shí)驗室的安全教育方式主要有：① 大一新生入學(xué)時期發(fā)放實(shí)驗室安全手冊，組織學(xué)生閱讀并最終簽署實(shí)驗室安全責(zé)任書；② 偶爾開展安全知識講座或參加校消防安全運(yùn)動會等演習(xí)活動，但不做強(qiáng)制性要求；③ 實(shí)驗室安全管理教師在師生進(jìn)入實(shí)驗室，使用大型儀器設(shè)備之前會再次進(jìn)行使用方法指導(dǎo)和安全提醒；④ 實(shí)驗室公共空間、實(shí)驗室內(nèi)張貼安全知識展板，安全警示標(biāo)識，引導(dǎo)指示裝置等?，F(xiàn)有的實(shí)驗室安全教育缺乏重視，內(nèi)容、方法較為單一，乏味，使得實(shí)驗室安全教育效果有限。

為了充分了解中心實(shí)驗室安全教育現(xiàn)狀，了解學(xué)生對目前實(shí)驗室安全教育的感受及評價，開展問卷調(diào)查研究。問卷調(diào)查的對象為建筑城規(guī)學(xué)院的學(xué)生。共回收有效問卷65份。數(shù)據(jù)分析得出，學(xué)生普遍明白實(shí)驗室安全的重要性，但很少有人愿意主動學(xué)習(xí)和了解實(shí)驗室安全相關(guān)的知識。其原因主要在于目前的實(shí)驗室安全教育形式單調(diào)、內(nèi)容乏味、不重視實(shí)踐，無法引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，不能起到較好的安全教育效果。此外，還讓受訪學(xué)生對學(xué)生安全手冊、課程講座、視頻動畫、學(xué)校公告畫報、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等幾種安全教育方進(jìn)行了“趣味程度”“可獲得收獲的多少”“更愿意接受的安全教育方式”等幾方面的打分，結(jié)果顯示，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在所有假設(shè)的安全教育方式中最受歡迎，見圖1。

圖1 實(shí)驗室安全教育方式打分評價折線圖

2 基于VR全景的實(shí)驗室安全教育的設(shè)計

2.1 設(shè)計原則

(1) 強(qiáng)調(diào)針對性，體現(xiàn)信息化。實(shí)驗室安全教育的設(shè)計要緊扣中心實(shí)驗室的現(xiàn)狀，有針對性地設(shè)計相關(guān)安全教育的內(nèi)容；需符合學(xué)生認(rèn)知心理的特點(diǎn)，將枯燥的知識技能趣味化；要有時效性、實(shí)用性，安全教育信息可隨時更新。

(2) 強(qiáng)調(diào)體驗性，體現(xiàn)高效化。虛擬場景的設(shè)計要強(qiáng)調(diào)情景式、沉浸式的體驗感[15]，利用三維仿真技術(shù)對實(shí)驗室的環(huán)境、設(shè)備、材料等進(jìn)行模型構(gòu)建，并可配合手柄、頭盔、VR眼鏡等人機(jī)交互技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)在虛擬場景中進(jìn)行身臨其境式的操作和學(xué)習(xí)體驗，使學(xué)生可以快速有效地獲得實(shí)驗室安全相關(guān)的知識與技能。

(3) 強(qiáng)調(diào)低成本，體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性。近年來，有高校嘗試?yán)锰摂M仿真技術(shù)開發(fā)實(shí)驗安全教育游戲，開發(fā)實(shí)驗安全教育情景互動式虛擬仿真教學(xué)項目等，都取得了良好的效果，但均為化學(xué)類相關(guān)實(shí)驗室，且均為新開發(fā)軟件或系統(tǒng)，需要投入大量經(jīng)費(fèi)，對于非高危實(shí)驗室來說借鑒意義較小。因此要考慮VR全景形式開展實(shí)驗室安全教育的經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)行低成本設(shè)計。

2.2 設(shè)計思路

整體設(shè)計思路見圖2。

圖2 設(shè)計思路

(1) 素材準(zhǔn)備。對建筑城規(guī)實(shí)驗教學(xué)中心開展充分調(diào)研，對實(shí)驗室所涉及到的安全知識進(jìn)行全面梳理，如：安全思想教育、安全規(guī)章制度教育、安全通識類知識教育、大型儀器設(shè)備安全操作技能教育、應(yīng)急處理能力教育等多個方面[16]。對可利用VR全景技術(shù)設(shè)計轉(zhuǎn)化的內(nèi)容進(jìn)行識別，再分類制作相關(guān)實(shí)驗室安全教育的素材，為后期VR全景程序制作做好準(zhǔn)備。

(2) 模型制作。使用CAD、Sketchup等軟件制作中心實(shí)驗室的三維模型，還原中心實(shí)驗室的真實(shí)場景、布局、設(shè)備、材料等，并對其進(jìn)行初步渲染。

(3) VR全景程序制作。利用前期準(zhǔn)備好的模型和素材，使用光輝城市Mars、Venus及720云等相關(guān)軟件和平臺制作VR全景程序。具體步驟包括：① 使用Mars軟件對模型的環(huán)境、材質(zhì)、配景等進(jìn)一步優(yōu)化補(bǔ)充，進(jìn)行二次渲染，輸出多張、多角度全景圖片；② 使用Venus或720云等軟件或平臺，將輸出的全景圖按敘事手法進(jìn)行設(shè)計排列，添加互動按鈕，包括前進(jìn)后退和與場景中的儀器，公告欄的互動，如：點(diǎn)擊某大型儀器設(shè)備，會彈出操作視頻或相應(yīng)的儀器簡介、安全使用注意事項等；點(diǎn)擊前進(jìn)后退可以在空間層面沉浸式地進(jìn)入下一個場景或返回之前的場景等。

(4) 抽樣實(shí)驗設(shè)計?；?020年新增設(shè)的實(shí)驗室安全準(zhǔn)入考試，制定檢驗虛擬仿真教育方案的效果的對比實(shí)驗，并根據(jù)調(diào)研所得的中心實(shí)驗室所涉及的安全教育內(nèi)容對實(shí)驗室安全考試系統(tǒng)的題庫進(jìn)行了增補(bǔ)，使得考試內(nèi)容能夠具有針對性。選取3組2020級新生作為實(shí)驗樣本，開展不同形式的實(shí)驗室安全教育，安全教育完成后進(jìn)入實(shí)驗室安全考試平臺進(jìn)行測試，再對測試結(jié)果進(jìn)行分析，評價安全教育的效果。

2.3 設(shè)計成果

(1) 認(rèn)知學(xué)習(xí)部分。認(rèn)知學(xué)習(xí)包括：規(guī)章制度、安全標(biāo)識、消防設(shè)施、防護(hù)設(shè)施、應(yīng)急救援物品等，對實(shí)驗室經(jīng)常遇到的安全標(biāo)識，應(yīng)急救援物品，防護(hù)設(shè)施、消防設(shè)施進(jìn)行整理，并提出認(rèn)知要求，確保學(xué)生讀懂安全標(biāo)識的提示，了解常用消防設(shè)施如何使用，在遇到危險時可以第一時間正確使用應(yīng)急救援物品、防護(hù)設(shè)施等進(jìn)行自救或救助他人。部分認(rèn)知學(xué)習(xí)素材見圖3。

圖3 部分認(rèn)知學(xué)習(xí)素材

(2) 場景學(xué)習(xí)部分。場景學(xué)習(xí)包括：實(shí)驗場所、實(shí)驗大型儀器設(shè)備的安全操作，應(yīng)急傷害處理和安全逃生等。該部分內(nèi)容均要求學(xué)生熟練掌握。見圖4～6。

圖4 實(shí)驗室實(shí)景照片

3 基于VR全景的實(shí)驗室安全教育的實(shí)施

3.1 實(shí)驗室安全教育實(shí)驗

選取建筑城規(guī)學(xué)院2020級城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)生(城規(guī)1班32人為A班，城規(guī)2班32人為C班)和2020級風(fēng)景園林學(xué)生(景園班32人為B班)作為測試人員，將開展兩組對照實(shí)驗。

第1組對照實(shí)驗：A班與B班分別用兩種不同的形式進(jìn)行實(shí)驗室安全教育，A班進(jìn)行VR全景式實(shí)驗室安全教育，B班按照以往的方式進(jìn)行安全教育，如實(shí)驗室安全手冊的宣講學(xué)習(xí)，安全責(zé)任書的簽訂等，完成學(xué)習(xí)后同一時間段參加實(shí)驗室安全在線考試，并記錄結(jié)果進(jìn)行對比。

第2組對照實(shí)驗：C班在進(jìn)行完傳統(tǒng)的實(shí)驗室安全教育后參加在線考試，記錄成績；然后C班再進(jìn)行VR全景式實(shí)驗室安全教育，再一次參加在線考試，記錄成績，前后2次成績進(jìn)行對比。

3.2 實(shí)驗室安全在線測試

根據(jù)新梳理的中心實(shí)驗室所涉及的安全教育內(nèi)容對對實(shí)驗室安全考試題庫進(jìn)行增補(bǔ)，使考試更具有針對性。建筑城規(guī)實(shí)驗室安全相關(guān)題庫包含通知類安全題、消防安全題及針對性增補(bǔ)的安全題等共計515道題目，系統(tǒng)將從題庫隨機(jī)抽取100道題生成試卷，學(xué)生每組測試將有10次考試機(jī)會，取最高分記錄成績。

3.3 測試結(jié)果

第1組為A班平均成績94.75分，B班平均成績85.28分。接受VR全景實(shí)驗室安全教育的測試班級取得了較好的成績，所有學(xué)生成績均在80分以上，有94%的學(xué)生成績在90分以上(見圖7)。

圖7 第1組測試結(jié)果柱狀圖

第2組C班第1次平均成績85.28分，第2次平均成績93.96分。C班的學(xué)生在接受VR全景式實(shí)驗室安全教育后，所有學(xué)生成績均在80分以上，成績較第1次測試有顯著的提高(見圖8)。

圖8 第2組測試結(jié)果柱狀圖

4 基于VR全景的實(shí)驗室安全教育的效果及評價

通過VR全景程序的實(shí)驗室安全教育，可以得出這種安全教育方式相較于傳統(tǒng)的安全教育優(yōu)勢是顯著的。由于VR全景程序具有較強(qiáng)的交互性與沉浸感，學(xué)生普遍對其有較強(qiáng)的興趣，愿意進(jìn)入虛擬仿真場景進(jìn)行在線的體驗學(xué)習(xí)，并認(rèn)為這是一種有趣的方式來了解學(xué)院實(shí)驗室，學(xué)習(xí)實(shí)驗室安全知識。

通過實(shí)驗室安全教育對比的實(shí)驗，可以得出基于VR全景的實(shí)驗室安全教育的效果是顯著的。學(xué)生在通過新的方式學(xué)習(xí)后在實(shí)驗室安全考試中取得了更好的成績，說明學(xué)生在此過程中，對于知識的感知、理解和內(nèi)化效果較好，對于其安全意識的提高具有潛移默化的影響。

5 結(jié) 語

基于VR全景的實(shí)驗室安全教育，相較于傳統(tǒng)安全教育方式在學(xué)習(xí)效果以及學(xué)習(xí)興趣上具有明顯的優(yōu)勢，對于提高學(xué)生實(shí)驗安全意識和學(xué)習(xí)主動性有促進(jìn)作用；它以一種沉浸式、交互式的體驗彌補(bǔ)了實(shí)驗安全教育中實(shí)踐缺乏的部分，在虛擬仿真體驗中強(qiáng)化對安全知識的理解與內(nèi)化，能有效提高學(xué)生安全教育的質(zhì)量；這是一種同時不受時間、空間限制，低成本的實(shí)驗室安全教育方式，師生可隨時隨地打開程序進(jìn)行在線學(xué)習(xí)、漫游體驗，且其安全教育的內(nèi)容可隨時更新，此外VR全景程序建設(shè)所用到的軟件都為市場上較為成熟且易操作的軟件，不必投入大量經(jīng)費(fèi)到軟件或程序的編程開發(fā)上。建議VR全景式的實(shí)驗室安全教育可作為一種有效且創(chuàng)新的方式來開展實(shí)驗室安全教育，發(fā)揮其重要的輔助教學(xué)作用。