基于虚拟仿真技术的安全评价教学改革途径

邹全乐 张天诚 刘莹 任松

摘  要：虚拟仿真技术具有沉浸性、多感知性、自主性和交互性的显著特点，在很多领域得到了广泛的应用。在教育领域，虚拟仿真技術可以将二维知识和图片三维立体化，建造出自主感知的教学模式，改善刻板的教育方式，增强实践教育手段，极大地提升教学质量。文章从虚拟仿真技术的特征和安全评价教学现状出发，探究融合了虚拟仿真技术后的安全评价教学模式，从安全预评价，安全验收评价，安全现状评价三个阶段入手，建立一种基于虚拟仿真技术的安全评价教学模式，为改善安全评价教学效果提供有效的途径。

关键词：安全评价;虚拟仿真;教学改革;融合途径

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

教学改革一直是改善教学效果，提高教学质量的有效方法，但是仅仅对教学内容进行增添或删减的教学改革，其效果往往是不尽如人意的。近年来随着电子科技的发展，越来越多的电子设备开始运用在教学过程中，使得原本枯燥乏味的教学过程变得生动形象，教学成果也明显得到了改善。王起全[1]等在安全工程教学过程中引入虚拟仿真技术，利用该技术，构建了可拆解、可运行的立体工艺系统，使得原本难以理解的机械结构与工作原理变得更加形象。涂然[2]等将虚拟仿真及仿真技术融入安全工程的教学中，利用Pathfinder、FDS等软件，对火灾安全事故进行了模拟教学，不仅培养了学生应对此类灾害的各项能力，也在很大程度上挖掘和拓展了学生的自我能动性。赵莉等[3]提出了将虚拟仿真技术应用在机械安全设计中的教学方法，实现了各类机械设备参数的模拟整合，便于在虚拟环境中进行大型机械的设计、组装、更换零件等过程的模拟，为学习人员提供了更加直观的教学模拟。张秋昭等[4]对《矿山测量学》课程进行了教学改革，将新兴的虚拟仿真实验教学与传统课堂教学相融合，构建了高还原度的虚拟实验环境，为学生提供了更加立体而形象的模拟实践教学。张丽等[5]利用虚拟现实技术对生产车间进行了建模仿真，并对该车间可能发生的事故进行了合理的预测，对安全评价工作的顺利进行有着极大的辅助作用。由此可见，虚拟现实技术能够较好地帮助教学人员还原生产现场，对可能发生的危险源进行合理的分析排查。

安全评价是一项相对抽象的工作，现阶段的安全评价分析方法和手段都是现场工作人员和科研人员经过长期的经验总结和实验分析而得来的。其教学效果也往往受限于它本身的多样性与复杂性而难以令人满意。由于安全评价多样性与复杂性，导致评价很难依据理论作出严格的推算，这便让安全，评价方法的选择与实施更加具有主观性。因此，在安全评价的教学过程中，不断培养学生们的主观能动性，激发学生们的独立思考、独立分析能力，才是安全评价教学过程中最主要的目的之一。基于此，本文提出了基于虚拟仿真技术的安全评价教学改革途径，以期为改善安全评价教学效果提供有效的途径。

二、安全评价教学现状

安全评价是辨识系统危险并提出针对性安全对策的有效技术，按照其实施阶段不同可划分为安全预评价、安全验收评价和安全现状评价。安全评价师安全工程专业学生的必修课，对学生实践能力的培养具有非常重要的作用。目前，安全评价教学存在以下四方面的难题：

（一）教学方式十分单调，而过多翻转课堂加重学生负担

教学的开放性较大使得大学教育与中学教育特点有明显的不同，而且大多数教师已经在摆脱固定的教学方式-教室授课和学生记笔记，想要进行教师模式上的创新，如翻转课堂，小组作业等。但事实上，这种所谓的“创新”教学方式在如今的大学教育已经很难引起学生们的学习兴趣，这种更加注重“表现”的教学方式，反而更加容易忽略对同学们自身能力的锻炼。

（二）教学内容大部分是纯理论化的内容，难以让学生做到“身临其境”

学生进入大学后接受到的理论知识已经全面掌握了，真正缺少的是对真实案例的分析。在教学过程中，仅仅依靠图片、文字和视频来进行现场模拟，也会让本就不感兴趣的同学们觉得枯燥乏味。另外，感兴趣的同学如果缺乏一定的空间想象能力，也就很难达到预期的教学目的。

（三）成绩考核方式较单一，仅仅起到了“纸上谈兵”的效果

长远来看，课程的考核方式往往是端正学生学习态度的一种动力。而目前国内的安全评价课堂的成绩考核笔试占据一大部分，期末考试成为衡量课程的学习水平的唯一手段。这种导向就会让许多同学仅仅抓住纸面上的内容，为了高分而死记硬背，不去理解其中的含义，学生们就缺少了安全评价中全面分析、独立思考、因地制宜的过程。这让本就很模糊和抽象的安全评价，显得更加难以捉摸。

（四）实践教学管理难、耗时长，却难以达到教学目的

安全评价的成功教学需要同学们在积累了理论知识后，对一些特定的场景进行实际的安全评价训练，这就需要教师在教学过程中设计一些实际场景给同学们进行练习，所以安全评价课程中，往往包含着实践教学这一部分。然而，带同学们去现场实地考察，进行现场的安全评价，却往往不尽如人意。其原因在于，工作现场所需评价的内容甚多，同学们难以抓住重点，另外，在户外进行教学，很难使同学们进入学习的状态，再加上天气原因、工作环境、管理问题等因素，使得实践教学出现了“教师累、学生玩”的现象。

由此可见，安全评价的教学方式和教学内容还需要进一步的优化和改革。如何充分利用现有技术手段来抓住学生们的兴趣点、培养学生们的独立分析、独立思考的能力，成了改善教学效果的难题之一。

三、虚拟仿真技术和安全评价的融合途径

下面将以加油站安全评价为例探讨虚拟仿真技术和安全评价的融合途径。

教师与设计团队预先开发加油站的安全预评价VR模型、安全验收评价VR模型和安全现状评价VR模型，每个模型均根据不同阶段的特点设置不同类型的安全隐患，每个安全隐患均设置有不同的安全评价方法及其评价步骤供学生进行选择和排序。

在完成了相关理论教学后，首先，教师对加油站安全预评价VR模型进行简单介绍，学生依次戴上VR眼镜和感知手柄，通过对加油站周围构筑物分布、自然环境，设计资料等基本信息进行获取，根据所学安全生产法律法规等知识，判断加油站设计规划等的符合性，辨识加油站规划设计中可能存在的潜在危险因素，推演可能造成的事故及其严重性，对不同危险因素进行安全评价方法选择，并对选择的安全评价方法步骤进行排序，完成线上安全预评价。课后，学生根据线上评价情况，分组撰写安全预评价报告。

其次，教师对加油站安全验收评价VR模型进行简单介绍，学生依次戴上VR眼镜和感知手柄，进入加油站，通过对加油站各部分设施进行检查，判断其设置的合理性，辨识加油站建成后可能存在的潜在危险因素，推演可能造成的事故及其严重性，对不同危险因素进行安全评价方法选择，并对选择的安全评价方法步骤进行排序，完成线上安全验收评价。课后，学生根据线上评价情况，分组撰写安全验收评价报告。

再次，教师对加油站安全现状评价VR模型进行简单介绍，学生依次戴上VR眼镜和感知手柄，进入加油站，通过对加油站现实运行中的情况进行检查，辨识加油站运行中可能存在的潜在危险因素，对不同危险因素进行安全评价方法选择，并对选择的安全评价方法步骤进行排序，完成线上安全现状评价。课后，学生根据线上评价情况，分组撰写安全现状评价报告。

最后，每个小组分别汇报加油站安全预评价、安全验收评价和安全现状评价情况，教师可通过聘请其他专业人员的方式组成专家组，对学生汇报进行点评和深入交流，学生根据评审情况修改安全评价报告，提交至教师，教师根据学生汇报情况及最终安全评价报告质量对学生进行评分计入该课程的平时成绩。

四、改进安全评价教学模式的优势

虚拟仿真技术在安全评价教学方面的优势，揭示了虚拟仿真技术的三个特点，即构想、沉浸、互动，打破了教学时空的局限，创造了多种学习情境。这种新式的教学模式构造了一个模拟仿真的沉浸式学习环境，在老师的指导和新式教学工具的辅助下，能更快的掌握相关知识。

（一）激发学生主动探索和独立思考的能力

学生的学习动机分为外部动机和内部动机，外部动机是让学生被动的接受知识，而内部动机则是要求学生在课堂内外主动探求知识。可以看出内部动机是最有效的提升学习能力的动机。虚拟仿真技术从维度转化上使二维的知识变成三维真实的场景，并让学生们身临其境地体验安全评价的现场工作。这种全新的教学工具和手段能够激发学生学习的内部动力，提高学生自主创作意识。从根本上改变知识接受者的学习观念，让学生以主动发现的身份探索学习内容和更深层次的知识，同时创造真实可感的学习环境，学生的学习体验也将会大不同以前。

（二）锻炼学生们应对实际问题的能力

在虚拟仿真技术的辅助条件下，学生能够身处生产现场，切实地考虑场景中可能引发事故的危险源，将学生从课堂上的观看者转变为生产现场的探索者。学生能够全面了解事故可能发生的背景和原因，预测事故发生所造成的影响范围，而不仅仅只是学习如何预防事故。对事故可能发生的场景有了更好的认知，就可以从各方面做到合理预测事故、科学防范事故，从而在工作中避免事故的发生。

（三）提高学生实践探索的专注性

教师团队通过模拟VR技术进行现场模拟，既解决了现场实践教学难以保障安全的难题，又有利于提高学生们在实验教学中的专注性。既避免了教学过程中发生意外可能造成的损失，又可以利用VR技术让学生们进行现场模拟，达到现场实践的目的。

（四）多样化考核方式全面提升学生学习效果

虚拟仿真技术在事故案例丰富逼真的基础上，创造了沉浸式体验的学习环境，创造了独立自主的学习方式。学生使用VR技术进行现场模拟探索，有助于提升学生的专业知识素养，同时考察了学生们在现场应用知识的能力，達到“活学活用”的目的。

五、教学改革中可能面临的问题

虽然虚拟现实技术在教学中的应用能够提升教學质量，但同时存在着一些需要解决的问题。

（一）VR技术容易造成“3D眩晕感”

毫无疑问，进行虚拟现实技术体验的人群中不可避免地会有人感到眩晕感，这是因为人在进行VR技术体验时，视觉神经与其他传输神经对中枢神经产生了矛盾的信号，从而导致神经中枢发出强烈的眩晕指令。这种眩晕感对于部分人群是难以克服的，甚至会造成呕吐、昏倒等意外情况。因此，在教学过程中普遍使用VR技术进行教学与考核会对部分患有“3D眩晕症”的学生们造成影响，甚至会导致意外情况的发生。因此，如何减轻这种“3D眩晕感”成了限制VR技术应用的难题之一。

（二）VR技术的使用会占用大量的教学资源

虚拟现实教学的实现不仅需要完整且无漏洞的虚拟模型软件，还需要VR眼镜、感知手柄等相关的VR硬件支撑。因此，想要达到较好的模拟效果就需要专业的制作团队以及大量的资金投入，这就会造成教学中浪费了过多的资源，会让部分学校原本就不充足的教育资源“雪上加霜”。如果强制普及VR技术的教学改革，很容易造成模拟内容的粗制滥造、漏洞百出，不仅浪费了教学资源，也耗费了学生与教师的精力。就目前的状况来看，实现VR技术在教学中的普及仍然需要更多教育者的努力与探索。

（三）VR技术的使用淡化了指导教师的作用

教师的作用就是在课堂中点拨学生们的思维，使学生们能够“少走弯路”，达到“事半功倍”的学习效果。然而，VR技术的使用虽然能在一定程度上激发学生们自主探索的能力，但这样的探索过程也会消耗学生们大量的学习时间，在这段时间中缺少了学生们与教师的互动过程，很容易使学生们陷入困惑而自身却难以解决，造成“事倍功半”的结果。因此，教师指导与学生自学之间的难以权衡，也是VR技术在教学过程中难以普及的原因之一。

六、结束语

虚拟仿真技术作为一项提升人体对模拟环境交互感的高新科技，把不能接触的、抽象的、难以理解的生产现场转化为立体又可感知的模型，极大地增强了学生们的现实体验感，大大提升了学生们学习的兴趣。利用虚拟仿真技术，在课堂上就能够达到现场实践教学的目的，避免了户外教学的不安全性。将虚拟仿真技术融入安全评价的教学过程中，使得学生在学习中体验，在体验中学习，既牢牢掌握了所学的知识，又切实地完成了掌握知识到培养能力的转化过程，在教学过程中起到了良好的推进作用，对进一步的教学改革起到了一定的借鉴意义。同时，我们也要意识到，虚拟仿真技术的应用也在技术层面、资金层面与教学模式层面存在着一些亟待解决的问题，但随着科技的发展、人才的涌现，虚拟现实技术依然具有较大的发展潜力。

参考文献：

[1]王起全，张以波，杨鑫刚.虚拟现实技术在安全工程教学中的应用研究[J].信息记录材料，2019，20（2）：103-107.

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[3]赵莉，毛禹.虚拟仿真技术在机械安全领域的应用展望[J].民营科技，2018，7：145.

[4]张秋昭，张书毕，汪云甲，等.《矿山测量学》课程实践教学的虚拟仿真教学方法[J].能源技术与管理，2017，42（4）：14-16.

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