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【摘要】虛擬現實技術以其高仿真性、多感知性以及自主交互性等特點，迅速在各垂直細分領域開花結果。尤其在教育行業，利用虛擬現實技術打造的立體化感知型課堂，極大地拓寬了教學邊界，提升了教學質量。虛擬現實技術在理論培訓、事故體驗、科學實驗、應急演練等安全工程教學領域的應用研究與實踐也正在如火如荼的進行。本研究課題從虛擬現實技術和安全工程教學的特點出發，尋找兩者之間的契合點，研究虛擬現實技術在安全工程教學中的最落地的應用模式，為安全工程教學改革提供參考方向。

【關鍵詞】虛擬現實技術；安全工程；教學改革

1引言

虛擬現實技術，簡稱VR技術，通俗來講就是用虛擬創造現實。即利用計算機技術生成一種多源信息融合的三維動態場景，使用者利用其可交互性，實現與仿真場景的反饋互動，從虛擬場景中或者“現實感”。近年來，虛擬現實技術迅猛發展，“十三五”規劃綱要中指出：“大力推進先進半導體、機器人、增材制造、智能系統、新一代航空裝備、空間技術綜合服務系統、智能交通、精準醫療、高效儲能與分布式能源系統、智能材料、高效節能環保、虛擬現實與互動影視等新興前沿領域創新和產業化，形成一批新增長點。”“虛擬現實”位列其中。虛擬現實技術的應用轉化及生態系統建設也如火如荼的進行，也讓虛擬現實技術成為與物聯網、增強現實、區塊鏈、人工智能、3D打印、無人機和機器人并列的核心科技。目前虛擬現實技術在教育行業中的應用大多聚焦于義務教育階段的通識教育，利用頭戴式、桌面式的VR設備進行以感知和體驗為主的趣味教學，但是缺乏在某一領域的縱向發展，不夠精，不夠專。安全工程教學要求既要教理論，又要引導實踐，既要傳授知識，又要培養技能，隨著社會經濟的發展和科學技術水平的提升，對安全工程教學也提出了新的要求，傳統的教學方式和教學內容也亟待改變與升級。曾子力、劉方奎、王子君等人指出，可以利用虛擬現實技術去模擬危險性較高、組織較為困難的安全工程教學環境，借以實現應急管理等知識的培訓，西安科技大學消防實驗室，也正引進虛擬現實技術進行安全及消防教學。但是虛擬現實技術的真正落地使用，需要軟件內容與硬件系統的配套使用，在真正的垂直領域，落地還很困難。不過將虛擬現實技術與安全工程教學相結合并推動落地實施，既是虛擬現實技術在垂直細分領域應用的又一次突破，也為安全工程教學改革提供了新的解決思路。

2虛擬現實技術在安全工程教學中的應用優勢

虛擬現實的構想性、沉浸感和交互性的三大特性打破了學習的時空限制，創造了豐富多樣的學習情境，海量的內容與新穎的形式有助于激發學習者的學習動機，提升教學質量并促進教學資源的均衡。

2.1激發動機，從“要我學習”到“我要學習”

學習動機分為外部動機和內部動機，而真正能夠提升學習效果的是內部動機。相比于“被動接受”，內部動機所激發的學習行為強調“主動探索”。虛擬現實技術在教學方式手段呈現上，實現了知識點從二維到全景三維的轉變，讓知識的呈現方式更加立體豐富，從而激發學習者的學習興趣，創造良好的學習體驗。從根本上改變學習者的學習觀念，以探索者的身份去探索和擁抱學習內容。虛擬現實的應用，能夠為教育工作者提供全新的教學工具，讓學習者在動手體驗中迸發自主創新的火花。

2.2豐富內容，從“千篇一律”到“因材施教”

利用虛擬現實技術，將生物、物理、化學、工程技術、工藝加工、飛行駕駛、語言、歷史、人文地理、文化習俗等教學內容進行制作與動態轉化，在豐富內容的基礎上，虛擬現實技術營造了自主學習的環境，由傳統的“以教促學”的學習方式演變為學生通過新型信息化環境和工具來獲取知識和技能的新型學習方式，符合新一輪教學改革的教育理念，有助于學生核心素養的培養。

2.3促進均衡，從“僧多粥少”到“雨露均沾”

我國幅員遼闊，地區之間貧富差距較大，存在教學資源分配不均的情況。經濟發達地區無論是軟硬件配置，教學師資和教學資源都非常豐富，而經濟落后、地域偏遠的山村學校學生連接受最基本的教育都難以實現。各級政府和教育主管部門都在大力推進教育均衡發展，加大教育投資力度，而虛擬現實技術應用將是解決城鄉教育資源不均衡問題的一把金鑰匙，有利于緩解教育資源兩極分化，擴大優質資源的分享范圍，能讓教育資源不再受限于地區和學校，讓教育發達地區的名教師通過虛擬現實課堂走進山村學校，能通過整體優化教育資源配置，來縮小城鄉差距，實現教育公平，同時這也是教育扶貧的較佳途徑。

3虛擬現實技術在安全工程教學中的應用

3.1在安全理論培訓中的應用

安全工程教學涉及各類安全原理、理論及技術。安全相關理論具有高度的概括性和抽象性，而安全技術不僅涉及各類基礎設備和工具，還針對具體操作過程具有較高的要求。傳統的安全理論教學以教師講解輔以圖文資料進行，最終的教學效果很大程度上取決于教職人員的技術水平和學生自身的接收程度，因為理論學習不僅需要言傳，還需要意會。利用虛擬現實技術，讓靜態枯燥的理論“動”起來，躍然于顯示終端，讓學員對理論知識的學習方式不僅僅局限于聽，而是近距離去感知，去觀察。將原本需要靠想象構建的知識點，變成立體而又具象的情景展示在學生面前。以安全工程教學工業通風及除塵中除塵系統為例。利用虛擬現實技術，構建除塵系統全工藝流程所涉及的三維模型，以三維模型為基礎既能夠實現除塵系統各單元的結構拆解、內部原理模擬還原、除塵機理及塵土流轉等單個理論知識呈現，還能夠通過模擬，實現一整套除塵系統的運轉原理動態展示，還可以根據需要實現可遠可近、可內可外、可大可小的呈現方式。同時，利用虛擬現實技術的交互性，學生可以第一人稱的方式參與到場景中，實現除塵系統的啟停等操作。

3.2在事故體驗中的應用

“事故”是安全生產工作永恒的對手，也是最好的老師。安全工程的發展史也是生命財產損失的血淚史，安全意識的培養、防范經驗的積累都離不開豐富的事故案例教學。傳統的案例教學以圖文和音視頻資料為主，圖文資料的二維局限性，音視頻資料的內容碎片性都是影響事故案例教學的主要因素，導致傳統的事故案例教學多是“隔靴撓癢”，體會不到“切膚之痛”。事故案例教學的目的在于警醒，警醒的方式在于刺激，刺激則來源于全身視覺、觸覺、聽覺、嗅覺等立體化的感官刺激。利用虛擬現實技術與其他技術設施的組合，創造虛擬事故體驗場景，讓事故真真切切就發生在身前，看得見、聽得到、觸的著，讓學習人員從第三者變成經歷者。針扎在自己身上，才會知道有多疼。利用虛擬現實技術進行事故體驗，真正能夠讓學習人員全景感知事故發生的背景、起因、發展演變過程、影響范圍、事故后果，而不僅僅是就事論事，停留在表面。更好地感知事故，才能更多地汲取教訓、總結經驗，才能以事故為鑒，從而更好地防范事故。

3.3在實驗教學中的應用

實驗教學作為培養學習者動手能力和實踐能力的主要手段，也是安全工程教學的重要環節。安全工程的燃燒、火災、爆炸等實驗對實驗條件、監測手段等有較高的要求。虛擬現實技術在這一領域的應用，不僅能夠提升實驗過程的操作性，對實現結果的呈現也更加直觀。虛擬實驗通常分模擬性試驗、探究性實驗、實證性實驗。在模擬性試驗中，學習者利用化學藥品、天平、祛碼等實驗工具，操作類型多樣的化學實驗，近距離地觀察燃燒、爆炸等化學現象;探究性實驗更多的是用來展示物理、化學、生物等課程中特殊的事物，將難以描述的現象以更直觀的方式呈現出來。實證性試驗強調在實驗者和被實驗對象分離的情況下開展以解決真實問題為目標的虛擬實驗。新加坡國立大學設計開發的基于網絡的遠程機器人操作系統是其典型代表，學習者可以通過操作該機器人進行試驗，完成實驗數據的記錄。以美國的火災動態模擬器（FDS）為例，FDS是美國國家標準技術研究所(NIST:NationalInstituteofStandardsandTechnology)建筑火災研究實驗室(BuildingandFireResearchLaboratory)開發的模擬火災中流體運動的計算流體動力學軟件。該軟件采用數值方法求解受火災浮力驅動的低馬赫數流動的N-S方程（粘性流體Navis-Stokes，重點計算火災中的煙氣和熱傳遞過程）。由于FDS是開放源碼的，所以得到了使用者持續不斷的完善，在火災科學領域得到了廣泛應用。國內使用FDS的隊伍也在不斷壯大，包括清華大學、中國科技大學、上海交通大學、消防研究所等。清華大學的史建勇等以有限元分析軟件ANSYS和火災模擬軟件FDS為基礎，針對2008年北京奧運會體育場館火災安全分析開發了一套建筑火災模擬和結構安全綜合分析系統。示意圖如下所示。圖火災煙氣蔓延示意

3.4在仿真演練中的應用

2018年3月設立的中華人民共和國應急管理部其主要職責中的重要一項就是推動應急預案體系建設和預案演練。同時針對應急預案的演練也是應急管理工作準備環節的重要內容。我國目前的應急預案演練方式主要包括桌面演練、功能演練和全面演練，三種演練方式各有側重也都各有局限。桌面演練作為室內的口頭演練，通過情景設定側重于針對應急流程的訓練，由于所有的情景均為口頭表述，因此代入感不強。功能演練和全面演練，雖然能夠指針對應急預案中全部或大部分應急響應功能，進行應急組織應急運行能力的實戰檢驗、評價，但是在實際操作過程中，面臨組織周期長、經費投入大、實施頻次低等問題。受限于這些難題，演練組織者為抓住這“來之不易”的實戰演練機會會將應急預案演練的重心側重于“演”，而讓“練”的功能大打折扣，是謂“七分演，三分練”。特別是石油石化等高危行業具有物料危險性大、工藝復雜、裝置連續性強的特點，使得在這種最需要高頻次演練的場所不具備進行高頻次演練的先天條件。而虛擬現實技術在應急預案演練中的應用，為解決應急預案的高頻次演練問題提供了解決思路，利用虛擬現實技術，根據不同的演練目標和任務，按照真實生產場景，通過三維建模的技術手段，實現真實場景的1:1還原，為訓練提供一個虛擬的訓練場景，并根據演練情景進行演練災害還原和流程植入創造逼真的虛擬仿真演練環境。在三維虛擬演練中，參演人員以不同的角色參與其中，配合實時語音、視頻、對講等多種溝通方式進行多人多崗位多角色的協同演練，實現從預案啟動到應急響應結束的全流程實時動態演練，讓受訓人員了解在發生事故時知道該做什么、怎么做，真正讓預案動起來，活起來，更加有生命力。同時，通過音視頻資料的全程記錄，實現演練過程的復盤，不僅可作為演練記錄進行留檔保存，也可作為演練評估的依據。利用虛擬現實技術進行應急預案演練可以擺脫現實環境依賴，打破時空限制，無限拓寬演練的邊界，即使最復雜最危險的演練環境也可躍然眼前，同時內容可設置，過程可記錄，結果能評估更有利于打造“學、練、考、評”為一體的綜合性應急預案演練方式。

4虛擬現實技術在安全工程教學中存在的主要問題

雖然虛擬現實技術在教學中的應用能夠改變教學方式、提高教學質量、完善教學評估，加快教學評估，但是在虛擬現實技術應用并不特別成熟的現階段，在技術限制、內容制作、教學推廣等方面還存有諸多問題。

4.1虛擬現實設備的技術制約

“眩暈感”一直是困擾虛擬現實技術體驗的頭號問題，特別是半小時以上的長時間使用，會導致使用者產生眩暈、惡心、嘔吐等不適癥狀。究其原因，主要是受限于硬件設備的處理能力。如果要保證不出現眩暈，VR設備必須要輸出120Hz及以上刷新率和4K及以上分辨率的畫面。以目前市面上最先進的VR設備OculusRift為例，其刷新率僅為75Hz，而分辨率也只有1080P。并且這幾乎已經是目前VR設備的極限，同時也是PC處理能力的極限。另外，可穿戴式的VR設備在人員定位技術上，一直沒有突破性的解決方案，激光定位、紅外光學定位及可見光定位都或多或少存在定位精度低，抗遮擋性差等缺點，而且受限于攝像頭視角，還存在可移動范圍小、追蹤目標有限的問題。此外，受供電及數據傳輸因素影響，頭戴式VR顯示設備需要拖著連接主機的數據線，這也進一步限制了VR顯示設備使用者的行動自由。

4.2虛擬現實教學資源的短缺

虛擬現實教學資源的制作涉及三維建模、動畫制作、腳本設計、UI設計、引擎研發、軟件編程、業務設計等不同領域的知識及技能，因此教學資源的制作不僅是個系統性工作，還需要大量的人才及資金投入。這一方面導致虛擬現實教學資源在制作時往往不夠專、不夠精，另一方面導致內容制作卻往往“輕內容、重形式”，片面追求形式的新穎而忽略了內容才是教學資源的核心。同時，在整體的VR生態中，由于資本的逐利性，往往導致研發投入流向了更具有短期經濟價值的快消娛樂VR內容及產品中，專業性的內容制作明顯“供血不足”。這也進一步導致了虛擬現實教學資源的短缺。

4.3“去教師中心化”與傳統課堂的沖突

虛擬現實的教學方式強調“因材施教”，這本無可厚非也是展現素質教育的有效方式，但這也迫使教師與學生的身份發生轉變，學生不再是被動接受者，而是去主動探索與發現；教師不再是知識的傳授者，而更多地以引導者身份出現。無論是教師還是學生，都需要快速實現身份的轉換與適應才能發揮出虛擬現實教學的優勢。不再以教師為中心雖然能夠給予學生更多地自由與自主權，但是對學生的自律自覺性也提出了更高的要求。

5虛擬現實技術在安全工程教學中的建議

安全工程教學具有較強的專業性，虛擬現實技術在安全工程教學中的應用絕不能流于形式，浮于表面。因此無論是軟硬件條件還是教學組織上都應具備一定的先決條件，都應當聚焦教學流程、注重教學質量。為保障虛擬現實技術在安全工程教學中的應用，需要滿足有場所、有設備、有內容、有組織的“四有”要求。

5.1有場所——無限場景有限空間

雖然虛擬現實技術打破了時間和空間的局限，但那僅僅是針對教學內容而言。從教學這一行為本身來講，有“教”有“學”，是兩種不同身份之間的互動。而這種互動需要一定的場所。雖然線上教育作為一種教學方式備受推崇，但是傳統課堂的生命力依舊頑強，線下課堂教育擁有不可比擬的交流特性與及時反饋特性，既縮短了信息的互通渠道，也減少了信息傳遞的失真。虛擬現實技術在安全工程教學中的應用，首先需要一定的場所，集中式的課堂教學能夠讓安全工程的教學內容更加的系統，沒有一定空間，零敲碎打式，快消式的教學不是教學，是體驗。

5.2有設備——虛擬現實教學需要硬件支撐

虛擬現實技術的應用離不開強大的硬件支撐。硬件性能的好壞直接影響虛擬現實業務內容的呈現效果。支撐虛擬現實技術應用的設備從功能來分，主要包括高性能主機、顯示設備、操作設備和定位設備。這些設備往往成套設計與生產，也可根據實際需求進行定制化制作。以顯示設備和定位設備為例，顯示設備從人眼觀看方式上主要包括裸眼式，例如普通PC端、移動端的呈現；頭戴式，例如HTCVIVE等VR眼鏡的呈現方式。而定位設備主要分為光學定位設備和步態定位設備兩種。在安全工程的教學課堂上，無論是采用傳統的PC呈現方式，還是可穿戴式的VR設備，都需要根據教學規模、空間實際、經費預算匹配性價比最高的設備設施。

5.3有內容——虛擬現實教學需要海量內容設計

場所和設備是基礎條件，也是載體。而所承載的核心，就是“內容”，也可以理解為知識點。教學的過程，歸根結底就是知識點的傳遞與升華。因此無論教學技術手段如何發展，依舊是內容為王。在利用虛擬現實技術教學之前，需要以教學大綱及課程體系為基礎，開發特定的教學系統與教學內容，虛擬現實技術不過是一種新型高效直觀地教學手段，而教學內容依然是不變的核心。在利用虛擬現實技術做安全工程教學內容呈現時，不必貪多求全，以免泥沙俱下，僅針對事故體驗、仿真操作、模擬演練等傳統課堂無法有效呈現的內容做體驗升級即可。

5.4有組織——虛擬現實教學需要化零為整

教學過程是一系列行為和環節的組成。是一項系統性工作，要想取得較好的效果，需要統籌與組織。因此利用虛擬現實技術的安全工程教學，同樣需要嚴謹全面的組織，涉及教學準備、師生互動、討論分享、總結評比等各個環節。有組織的結果是有紀律，能夠在一定程度上保證教學的效果。在規范教學內容的同時，也可防止學員各自為政，出現知識點的缺項漏項。同時，教學也是師生之間、生生之間教學相長的過程，通過教學組織，可以讓虛擬現實教學與傳統課堂教學相互補充，相輔相成。

6結論

虛擬現實技術以其構想性、沉浸感和交互特性能夠針對性模擬再現豐富的學習環節，為學習者提供多樣的感官刺激和精彩互動，通過創造沉浸式的學習體驗提升教學效果。其在教學領域的應用已經得到了充分的印證，但是在更加精細的安全工程教學領域的應用目前尚在不斷研究和試錯的階段。內容設計、硬件基礎、使用方式也一直是困擾虛擬現實技術在安全工程教學中推廣應用的主要問題，但是隨著技術的發展、基礎硬件的研發以及使用場景的不斷優化，虛擬現實技術在安全工程教學中的應用也會更加普遍與便捷。虛擬現實技術也必將在探索和發展現代教育思路、提高教育水平、改造教學環境、優化教學過程和推動教學改革等工作中發揮重要作用。

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作者：王起全 張以波 楊鑫剛 單位：中國勞動關系學院安全工程系