机械安全工程课程引入虚拟现实与计算机仿真技术的教学探索

涂然 曾怡 周学进

摘要：虚拟现实与仿真技术作为新时代环境下的先进科技是新型教育模式中的重要工具。在打破传统机械安全工程教学壁垒的基础上，基于虚拟仿真的教学模式可以提高学生在实际应用中的参与度与问题的应对能力。在调动学生学习的主观能动性的同时，也有效提升了课堂教学的整体质量。随着相关科技的突飞猛进，虚拟仿真一定会在机械安全领域的教学中起到重要作用，具有积极意义和正面的价值。

关键词：安全工程；虚拟现实；数值仿真

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）18-0190-03

随着经济的高速发展，“安全”已经成为我国日益突出的重要矛盾，例如近年来发生的央视大楼火灾、天津港特大火災爆炸事故等[1，2]使得安全问题引起了全社会的空前关注，因此在时代的大背景下，教育部也正在积极的推动各高校增设或加大对安全工程学科的建设力度。“机械安全工程”是机械工程及安全工程专业的重要课程之一，作为一门交叉学科，本身囊括了许多自然及社会科学方面的基础知识，例如公共安全、火灾安全等，同时与实际工程应用又紧密相连。

在传统安全工程学的课堂教学活动中，学生与实际安全场景的距离相对遥远，缺乏对实际问题的参与感，在理解上也会产生不同程度的偏差乃至误解，因此远不能达到该课程的教学目的。正是由于这些因素，具有相关专业的高校在教学实施过程中更应该考虑引入新的教学模式，一个较为有效并切实可行的方法是将虚拟仿真以及相关数值模拟技术引入到安全工程的教学之中，使具有危险性或高成本的实际场景得以在教室内重现，让学生迅速理解和掌握相关知识。

虚拟现实及仿真技术是基于现代计算机技术的一大类，可创建和体验虚拟仿真世界的技术统称[3，4]。利用计算机技术生成效果逼真且兼具视觉、听觉甚至嗅觉、触觉等多种感知的虚拟环境，通过使用对应的交互设备，同虚拟环境中的实体进行互动交流，是一种先进的数字化人机接口技术。自其诞生以来，已经在军事、测绘、制造、建筑、生物、医学等领域中发挥了巨大作用。本文旨在针对目前机械安全工程中的一些难点，分析和探讨引入虚拟现实及仿真技术后的优势，并对今后课程的教学发展提出了建议。

一、传统教学方式在安全工程学课程中的困境

机械安全工程在教学时由于涉及到大量应用场景，是一门实践性很强的课程，此时传统的教师单方面灌输课堂知识略显苍白，例如在讲授机械工业厂房火灾防治的相关内容时，书本作为传统媒介几乎无法展示火灾发生的一系列复杂动力学现象，也无法让学生感受到灾害环境下的人因作用，导致学生在认知过程中达不到预定的教学目的。总体来看目前普遍存在以下两大问题。

1.课程内容与实际应用场景相差较大或严重脱节。由于传统理工科教学的限制，以知识点和公式为重心的授课内容在日益变化的安全问题中是滞后的。不仅容易导致学生目光短视，也不利于学生毕业后进入相关行业。一个突出问题便是相关专业的学生缺少接触实际安全问题的机会，造成无法运用所学理论来指导实践活动，或者在工作中常常错误的估计场景的安全性或危险度，不能作出正确的应对措施，这对于从事安全领域的相关职业而言是极为不利的。

2.安全工程学的学生参与度及课堂满意度普遍不高。对于一门综合性、交叉性极强的学科来说，其本身便具有复杂、多元与实践要求高的特点。传统课堂以讲授为主的模式已被大量案例证明是难负重任的，并且由于我国的相关教材很大一部分是节选国外上世纪的研究内容，进一步加大了教学活动与实际应用的落差，因此对于这类新兴学科而言，教师可以吸纳构建主义的教学观，在教学过程中教师起到组织、指导和促进的作用。利用情境重构、协作互动等学习要素充分发挥学生的主观能动性、学习积极性和创新精神。可以预见的是在安全工程的教学中引入虚拟现实与仿真技术，能够较好的激发学生的学习动力，并体现学生认知中的主体地位，使学生可在相对贴近复杂真实的应用情境中完成学习内容，培养和提高自身综合学习的能力。

二、虚拟现实及仿真在安全工程学的具体实现

1.基于pathfinder软件的危险环境人员疏散虚拟仿真教学。安全领域中的基本原则是优先保障人身安全，因此机械安全工程课程中特别包含了发生灾害，如地震、火灾后的人员疏散等相关内容。正如前文所述，受限于传统教学场地等条件限制，要让学生体验大型机械厂房受灾过程中的大规模人群疏散几乎是无法实现的，而利用专业的数值仿真软件Pathfinder[5]，结合虚拟现实硬件设备便能够很好的解除这种限制。Pathfinder是由美国Thunderhead engineering公司开发的专业人员运动模拟器。软件自身提供了图形用户界面的场景建模工具以及后期进行三维可视化分析的处理程序。在实际建模过程中，用于进行人员运动的环境是一个完整的基于有限元网格的三维空间，例如在对建筑内人员进行疏散仿真时，首先将按照建筑物的比例与门、窗、电梯等出入口进行综合建模，值得一提的是Pathfinder提供的建模UI界面十分便捷，可以轻松建立房间隔墙、房门出口、走廊通道、上下楼梯及电梯等各种建筑内的场景，方便教师进行操作和演示。然后对人员的体态、分布、运动特性等进行设置，Pathfinder通过一套特殊的动力学参数算法，可以对场景中每个人员的运动情况进行追踪，并且可以模拟出不同运动速度、人员身高、相互碰撞、紧急寻路及方向迷失等特殊情况。最终，通过直观的可视化模拟结果（如图1所示），不仅能科学地分析出人员疏散的相关数据，还能得到人员疏散的最佳时间或最佳路径等方案。在此基础上，可直接将虚拟现实的软硬件进行耦合编程，最终通过虚拟现实头盔或眼镜等外设将学生置身于所搭建的逃生场景中，切实体验真实的大规模人员疏散过程，对于学生理解真实疏散、培养协作逃生能力、提高灾害自救素养具有重要作用。

2.基于FDS软件的火灾安全事故虚拟仿真教学。火灾安全由于其广泛性及后果的严重性，自安全学科诞生起便是其中的重要组成部分，而在传统课堂教学中是很难让学生对其有直观体会的。为大幅改善教学效果，可以通过FDS软件[6]让学生观察和感受到身临其境火灾的发生发展过程。FDS软件是由美国国家标准局NIST的建筑火灾实验室所自行研发的针对火灾过程的开源动力学数值仿真软件。目前该软件的开发已接近有20年的历史，是火灾安全方面的权威软件，其目的就是为了解决火灾与消防安全中所存在的实际问题，为其提供定量或定性的参考依据。FDS软件内部包含了两部分的程序模块：第一块是求解各种物理化学控制方程的主程序模块；第二块则与Pathfinder的可视化分析模块类似，为一个用于后端输出的三维可视化模块SmokeView，用于查看计算结果以及对整个火灾过程进行可视化仿真演示。例如通过该软件可以重现整个建筑从局部着火、烟气蔓延、火势扩大到室内轰燃等火灾各特征阶段的典型现象规律，如图2所示。FDS的开源优势在于能够方便的对其他仿真软件进行嵌入，例如可与上述的Pathfinder进行联合仿真，可以模拟出真实火灾情况下的人员逃生规律。借助这一平台，学生不但可以更真切的了解到火灾对人的复杂影响，还能训练如何应对此类灾害的各项能力，不仅提高了课程的整体效能，也在很大程度上挖掘和拓展了学生的自我能动性。

3.基于虚拟仿真和眼动追踪的危险环境感知教学。机械安全工程中人员的感知是非常重要的内容之一，考虑到传统教学手段基本无法在课堂上实现对学生感知体验的互动式教学，可以借助神经认知类的相关仪器设备，如脑电波电位系统、ETG眼动追踪系统并结合虚拟现实眼镜等装置。在课堂上一方面教授学生学习上述先进仪器的基本操作，另外教師通过设置搭建三维仿真危险场景，还可使学生作为危险“亲历者”，通过虚拟手柄、手势运动追踪等工具实现在虚拟危险场景中的互动体验，如危险源识别、扑救、人员互助及协同逃生等，并结合脑电、皮电、眼动数据测量学生的感知反应，最终让学生在生动有趣的课堂环境中了解真实危险环境下的人员行为特征。实际上在华侨大学机电学院VR仿真实验室与旅游学院神经认知实验室硬件的支持下，开展了数次尝试性教学活动，并获得了学生的广泛好评。

三、引入虚拟仿真的教学优势和意义

作为一个新兴事物，虚拟仿真将在一定程度上促进传统教学的改革，并为课堂带来了新的活力，对于教学而言具有非常正面的意义和价值，其具体优势如下。

1.突破了传统课堂教学模式的种种限制。由于安全领域的大尺度实验项目存在设备昂贵、成本高、周期长等问题，很难在课堂教学中引入这些手段，而虚拟仿真平台则不受时间、空间的约束，能够最大程度的利用教学资源为学生的多元自主学习提供支持。

2.虚拟仿真技术能够将学生从平面的书本或黑板学习迅速带入到生动且具体的实际场景中，减少学生在认知上的理解成本。利用计算机仿真软件可以大幅度扩展教学内容和灵活度，能够很好的培养学生的全面理解能力、创造思维能力以及运用现代信息技术的综合能力。

3.高度仿真的应用场景可以解决学生平时实践能力缺乏的问题。借助虚拟现实及仿真手段，学生可以自主设计并开发应用场景，促进知识的转化与扩展。

四、结语

虚拟现实与仿真技术作为新时代环境下的先进科技，必将成为教学科研的重要组成部分，将其引入机械安全工程领域的教学环节是合理可行的。在打破传统安全学教学壁垒的基础上，基于虚拟仿真的教学模式可以大大提高学生在实际机械安全问题中的参与度与应对能力。不仅调动了学生学习的主观能动性，也提升了课堂的整体教学水平。我们有理由相信，随着虚拟仿真相关科技的突飞猛进，一定会在机械安全领域的本科教学中起到举足轻重的作用。

参考文献：

[1]董大旻，左芬.从央视配楼火灾事件看建筑防火安全[J].建筑，2009，（6）：44.

[2]梁立武.天津港“8·12”特别重大火灾爆炸事故抢险救援卫勤保障的反思[J].武警医学，2015，26（10）：973-974.

[3]周世杰，吉家成，王华.虚拟仿真实验教学中心建设与实践[J].计算机教育，2015，（9）：5-11.

[4]马天辉.利用虚拟仿真技术激发学生科学研究兴趣[J].中国科教创新导刊，2013，（4）：173-177.

[5]金润国，毛龙，乐增.FDS与pathfinder在建筑火灾与人员疏散中的应用[J].工业安全与环保，2009，（35）：1-8.

[6]刘军，刘敏，智会强，路世昌.FDS火灾模拟基本理论探析与应用技巧[J].安全，2006，27（1）：6-9.