安全工程专业虚拟仿真实验教学平台建设

阳富强，杨 健

（福州大学 环境与资源学院，福建 福州 350116）

虚拟仿真实验教学是学科专业与信息技术深度融合的产物，也是高等教育信息化建设的重要内容[1]。在新工科建设背景下，传统实验教学模式已满足不了各高校专业人才培养的需要。虚拟仿真教学主要依托先进的虚拟现实、人机交互、多媒体、数据库和网络通信等多种信息技术，创建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，实现学生在虚拟环境中运用虚拟实验设备完成相应的实验内容而达到预期的教学目标[2-3]。目前，国内许多高校围绕土木工程、材料科学与工程、环境工程、水利工程、电子信息类、化工类等不同专业积极建设虚拟仿真实验教学平台[2,4-8]，充分发挥其在创新型人才培养中的重要作用。

近年来，社会各界对安全工作日益重视，安全工程专业人才已普遍受到各用人单位的认可及欢迎。实验教学作为安全工程专业本科生培养的重要组成部分，有效促进了专业理论知识与工程实践的有机结合。结合安全工程专业办学特点及其实验教学环节中存在的主要问题，将虚拟仿真实验教学内容融入不同专业课程的实验教学中，构建完整统一的虚拟仿真实验教学平台，促进本专业学生有效掌握各种专业理论知识。此外，依托该平台指导学生开展各项创新活动，分析复杂的安全工程问题，培养满足信息化时代要求的专业人才。

1 安全工程专业实验教学现状

（1）实验项目多，部分真实实验存在安全隐患。安全工程专业的实验教学内容主要依托电气安全、机械安全、建筑施工安全、消防安全、化工安全等多门专业核心课程，具体涵盖特重设备安全检测、氧指数测定、闪点与燃点测试、气体及粉尘爆炸特征参数测定等多种类型的实验项目。实验对象主要是大型机电设备、锅炉压力容器、易燃易爆化学品。实验过程中经常用到石油液化气罐、高压气瓶、明火、汽油、可燃粉尘等，若在某个实验环节中存有失误，很容易造成安全事故。此外，部分化工安全类实验项目操作周期长，且要求在高温高压等极端环境下开展，实验过程中还会产生有毒、有害性物质[9]。

（2）真实实验课时数偏少，难以达到理想的实践教学效果。近些年来，本专业按照学校要求多次对本科人才培养方案进行修订，不断压缩专业课学时数。例如，燃烧学、消防工程学、安全检测与监控等专业核心课程均减少了8 个学时。由于专业实验教学内容及课时必须依据教学大纲设置，这就迫使部分实验项目必须在更短的时间内完成，甚至无法正常开设。尽管学校鼓励各专业采取开放式实验教学，通过指导各类课外创新活动培养学生的实践创新能力，但真正参与其中的仅仅是少数学生，不能保证本专业所有学生都有机会接触。

（3）实验教学经费投入偏少，实验空间及硬件受限。许多高校的学科经费主要用于搭建科研平台，真正投入到本科实验教学中的费用不多，由此导致本科实验仪器台套数少、实验设备陈旧、实验空间受限[10]。安全工程专业课程需要多类实验教学项目来支撑，由于受教学经费和实验场地限制，很难引进一些先进的实验设备，造成部分实验内容无法纳入教学计划。某些已有的大型贵重设备数量有限，维护成本较高，只能进行演示观摩，学生很少有机会动手操作。再者，气体与粉尘爆炸实验、桥式起重机安全检测等危险性实验项目要求在开阔场地开展，但受实验室空间影响，难以多次重复操作，实验效果欠佳。

（4）部分课程内容抽象，真实实验难以达到预期的教学目标。燃烧学、消防工程学等专业课程知识点多、理论性强，而且涉及许多经验公式。学生依托相应的真实实验只能测定燃烧爆炸反应中的某几个具体参数（闪点、燃点、压力），很难掌握整个反应过程中所表现出的参数变化规律及反应机理。此外，在对某些大型机电设备进行安全检测时，由于其结构复杂且拆装难度大，学生无法在短时间内熟悉其内部构造及工作原理。依托虚拟仿真模拟上述实验内容，可以让学生在虚拟环境中感知爆炸反应的震撼场面及特种设备的工作原理，由此调动学生的学习积极性，实现最佳的教学目标。

2 虚拟仿真实验教学平台建设

2.1 平台建设思路

福州大学作为省部共建“双一流”高校，是福建省内唯一培养安全工程本科专业人才的重点大学。随着“海西经济区”“一带一路”“福建自贸区”等国家政策的实施，福建省在公共消防、机械制造、城市化建设、石油化工等领域急需一大批安全工程专业人才。针对安全工程专业实验教学存在的主要问题，采用资源共享、自主研发、校企合作等多种渠道建设“三层次”“四模块”的虚拟仿真实验平台，安全工程专业虚拟仿真实验教学平台建设思路见图1。

图1 安全工程专业虚拟仿真实验教学平台建设思路

首先，可充分利用本校土木工程、机械工程、化学工程等特色专业的虚拟仿真实验教学共享平台。例如，我校土木工程虚拟仿真实验教学中心设有岩土与地下工程虚拟仿真实验室、工程结构虚拟仿真实验室、道路工程虚拟仿真实验室、给排水工程虚拟仿真实验室、水利工程虚拟仿真实验室等，这些教学资源能够用于支撑本专业建筑安全方向的虚拟仿真实验教学。通过借助互联网平台，也能收集公开发布的事故案例、施工工艺等虚拟仿真教学资源。其次，本专业课程主讲教师可以结合各自主持的国家级、省部级科研项目，自主研发虚拟仿真教学资源。再者，通过产学研政合作，与本专业签约的实践教学基地共同开发虚拟仿真实验教学资源。

2.2 虚拟仿真实验教学内容

本校安全工程专业采取通才式“大安全”培养模式，即要求学生掌握多个行业领域的安全专业知识[11]。在此，结合福建省区域经济发展需求，重点建设消防工程类、机械安全类、建筑安全类、化工安全类4 大模块的虚拟仿真实验平台，用于支撑安全工程专业理论课程，以及课程设计、认识实习、生产（毕业）实习、毕业设计（论文）等实践教学环节，安全工程专业虚拟仿真实验内容见表1。

表1 安全工程专业虚拟仿真实验内容

以建筑安全类虚拟仿真实验教学为例，该类项目能够巩固建筑工程概论、建筑安全、消防工程学等专业课程中的抽象概念及复杂工艺，不仅让学生直观感受到工程项目重点部位的结构特点、施工工艺流程，还可以采用交互虚拟操作参与整个施工过程[12]。同时，不断加强与本课程真实实验的密切联系，可以有效促进本专业学生的工程实践能力的培养。

此外，根据实验教学目标可以将相应的实验教学内容划分为基础演示型、综合设计型、研究创新型三个层次[6,13]。基础演示型虚拟仿真实验主要用于课堂教学、认识实习、校园科普活动，能让学生在短时间内直观理解某些知识点，提高学生的学习兴趣。综合型虚拟仿真实验项目涵盖较多知识内容，通常用于开展专业课程综合实验、课程设计、毕业实习、毕业论文（设计）等教学活动。研究创新型虚拟仿真实验项目旨在引导本专业学生开展安全科技作品大赛、科研训练计划项目等课外实践活动。本专业教师也可以依托该类平台加强与企业之间的合作，进行科学研究。

2.3 虚拟仿真实验教学平台管理

为了保证本专业虚拟仿真实验教学平台持续运作，需要从经费支持、制度保障、师资建设、持续改进等多方面加强管理。学校、学院等部门积落实教育部、省教育厅下达的关于建设虚拟仿真实验中心与虚拟仿真实验教学项目的通知要求，从省级一流本科专业建设项目、双一流学科建设项目中设立专项经费用于支持本专业建设虚拟仿真实验平台。先后出台了“绩效考核”“职称晋升”等系列文件，激励各专业加强信息化教学资源建设。此外，学校每年都定期举办大学生虚拟仿真实验教学项目创新设计竞赛，引导广大师生参与虚拟仿真实验教学活动。

本专业构建了虚拟仿真实验教学师资团队参与平台规划、设计、运行、管理、维护等全部工作。团队各成员在职称、年龄、教学科研经历等方面形成梯队，结合各自擅长的专业领域分工协作。该平台现有教师10 人，其中7 人为专业骨干教师，2 人为专职实验员，1 人为学院教学办负责人。在学历、职称方面，5 人拥有高级职称，6 人取得博士学位，承担了多项国家级、省部级和企业委托的科研项目。团队各成员不断学习3DS Max、FDS 等开发软件，将虚拟现实、人机交互、数据库和计算机网络等多种信息技术融入到平台建设中，自主开发了一系列虚拟仿真实验教学项目。同时，该平台还聘请了多位企业安全专家参与虚拟仿真教学项目的设计与维护。

由于信息技术发展迅速，还需要从硬件、软件等方面定期对该教学平台进行升级改进。考虑各门专业核心课程知识在不断更新，需要及时融入最新的安全事故案例，这就要求专业教师不断对相应的虚拟仿真实验教学资源进行优化。同时，学生在接受多轮实验授课后，也会从内容设置、课时安排、考核要求等方面提出一些建议，相关教师需吸收学生的反馈意见，不断完善平台的运行环境和操作功能。为了保障该平台安全运行，还需部署防火墙、IPS、VPN 进行网络安全防护[14]。

3 虚拟仿真实验教学平台应用

本校是福建省唯一培养安全工程本科专业人才的高校，依托虚拟仿真实验教学网络平台能有效整合学校、合作单位的优质资源，打破实验人数限制。今后将从校内共享、校际分享、社会服务三个方面予以推广应用[13]。这不仅能够满足本专业教师的教学与科研需求，而且还可以向相关专业、不同院系、兄弟高校，以及企事业单位开放，为校内外人员开展各项安全实践活动、安全培训等提供服务支持。

（1）面向全校师生开放，校内资源共享。本校是一所以工为主、理工结合的省属重点高校，毕业生主要服务于各领域的生产一线。结合大学生安全文化通识教育课程，为不同专业学生提供安全实训平台，由此培养大学生的安全文化素质，促使他们将“安全第一”的理念落实到未来工作岗位。例如，每年可以在“安全生产月”“校园安全文化周”“全国消防日”等重要安全主题活动中，借助该平台向校内师生传播各类安全文化知识。学生也可以跨院系成立研究小组，依托相关虚拟仿真实验资源，开展创新创业实践活动。

（2）加强与兄弟院校间的交流，跨校分享教学资源。各省教育厅相继发布了全面振兴本科教育的实施意见，强调在高校集中区组建若干个教学联盟，共建共享实验教学平台和优质课程资源。当前，全国有200余所高校开设了安全工程本科专业，在校生规模约5.6万人。为了推动兄弟院校在安全工程专业教学改革与人才培养领域的交流合作，国内先后成立了全国高校安全科学与工程院长联合会、安全工程专业高校联盟，旨在构建优质教育资源共享的合作机制，引领本专业往更好的方向发展。本校可利用全国高校安全工程专业学术年会、公共安全科学技术学会向同行推荐本专业虚拟仿真实验教学平台，吸引广大师生前来参观交流。

（3）深化校企合作，为社会提供服务。作为地处海峡西岸经济区的重点高校，福州大学为福建及周边区域发展培养了大批安全工程专业人才。依托广大校友资源，本专业已经同中铝瑞闽、省安科院、福州市消防支队、中建海峡、福建六建等多家单位建立了长期稳定的合作关系，可依托该平台为各单位职工提供安全教育培训、技术咨询、项目研发，进一步加强产学研合作。这不仅提高了各类教学资源的利用效率，同时有助于企业为本教学平台的运行维护、持续改进提供建议及经费支持。

4 结语

随着信息化技术在高等教育教学领域的不断推进，虚拟仿真实验已在许多高校的专业人才培养中发挥了积极效用。安全工程属于综合性交叉学科，涵盖消防工程、机械安全、建筑安全、化工安全等不同领域的专业知识，且部分授课内容抽象复杂，有必要将现代信息技术融入本专业教学。结合本校安全工程专业的教学现状，建立了三层次、四模块的虚拟仿真实验教学平台，从经费支持、制度保障、师资团队建设、持续改进等多方面加强管理。通过校内资源共享、跨校分享、社会服务，实现虚拟仿真实验教学平台的推广应用。虚拟仿真实验教学能够弥补本专业部分真实实验及现场实践教学中存在的不足，有利于指导学生开展科学研究及工程实践活动，有效促进本专业学生创新与工程实践能力的培养。