基于VR全景的实验室安全教育的设计与实践

王艺芳， 陆嘉宜， 王 静， 程豫珏， 王景阳， 杨黎黎

(重庆大学 建筑城规学院 山地城镇建设与新技术教育部重点实验室， 重庆 400030)

0 引 言

实验室是高校开展教学、科研的重要场所，是培养高技能型人才和创新型人才的主要阵地[1]。随着高校生源及实验室规模的不断扩大，教育改革的不断深化，学生自主实验、创新实验的激增，实验室的人员流动性、开放性的加大使得开展实验室安全教育、提升学生的实验室安全意识愈加重要[2]。有研究指出，实验室安全教育必须符合学生认知心理的特点，从激发兴趣、感知、理解、巩固和应用实践等方面层层推进，以达到更好的教育效果，其中激发兴趣和感知是引导学生主动学习实验室安全知识的重要环节，必须采取学生喜闻乐见的教育形式，应避免“重理论轻实践”“满堂灌强制考”等学生厌恶的学习方式[3-4]。

VR全景是基于全景图像的真实场景虚拟现实技术，是虚拟仿真领域中非常核心的部分，以其独特的真实性、沉浸性和易用性，提供了一种全新的叙事手法，同时也为观看者提供了一种前所未有的视觉新体验[5-6]。基于虚拟仿真的实践教学是符合教育信息化2.0新形势下的教学体验，而将VR全景作为一种新的教育资源引入实验室安全教育更是一种符合学生认知心理特点的创新方式[2-4]。

1 实验室安全教育现状调查及分析

1.1 国内高校实验室安全教育现状

国内大部分高校的实验室安全教育通常分为两个部分，安全知识培训和安全知识考核[7]。初期的实验室安全教育内容大都停留在通识安全教育，教育内容手段单一，以安全讲座，专题培训，展板手册宣传为主。部分高校将实验室安全教育纳入教学体系，并开设实验室安全课程，以化学、生物、辐射等专项安全教育课程为主，在讲授相关安全知识，安全准则，事故案例呈现，法规政策及事故的预防和处置等理论知识的同时辅助以图像、视频及动画的播放。随着现代信息技术的迅猛发展，基于网络环境下的安全教育培训及考试系统迅速发展起来，包括MOOC、微课、在线学习考试平台等，形式内容逐渐多样[8-13]。但我国高校的实验室安全教育仍存在以下问题。

(1) 安全教育流于形式，不能落到实处。由于高校实验室的安全教育效果是隐性的，导致高校管理者包括师生对安全教育的重视度不够。只重视实验室建设而忽视实验室安全教育与管理的投入，使人员、经费等的投入都很有限，造成安全教育往往只停留在形式上，难以落到实处[14]。

(2) 安全教育内容缺乏针对性，理念相对滞后。部分高校实验室安全教育的内容仍旧仅以常识性教育为主，缺乏具有针对性的实验室技术安全教育内容、缺乏对新知识和新技能的讲授，也缺少典型案例分析。导致实验室安全教育针对性和实用性不够强。

(3) 重理论轻实践，安全教育方法手段不够丰富。安全教育形式单调，内容乏味，导致学生对安全知识学习的兴趣不足，安全意识薄弱以及对安全事故的预判和处理能力不足，难以起到相应的安全教育效果。

1.2 建筑城规实验教学中心实验室安全教育现状

目前中心实验室的安全教育方式主要有：① 大一新生入学时期发放实验室安全手册，组织学生阅读并最终签署实验室安全责任书；② 偶尔开展安全知识讲座或参加校消防安全运动会等演习活动，但不做强制性要求；③ 实验室安全管理教师在师生进入实验室，使用大型仪器设备之前会再次进行使用方法指导和安全提醒；④ 实验室公共空间、实验室内张贴安全知识展板，安全警示标识，引导指示装置等。现有的实验室安全教育缺乏重视，内容、方法较为单一，乏味，使得实验室安全教育效果有限。

为了充分了解中心实验室安全教育现状，了解学生对目前实验室安全教育的感受及评价，开展问卷调查研究。问卷调查的对象为建筑城规学院的学生。共回收有效问卷65份。数据分析得出，学生普遍明白实验室安全的重要性，但很少有人愿意主动学习和了解实验室安全相关的知识。其原因主要在于目前的实验室安全教育形式单调、内容乏味、不重视实践，无法引起学生的学习兴趣，不能起到较好的安全教育效果。此外，还让受访学生对学生安全手册、课程讲座、视频动画、学校公告画报、虚拟现实技术等几种安全教育方进行了“趣味程度”“可获得收获的多少”“更愿意接受的安全教育方式”等几方面的打分，结果显示，虚拟现实技术在所有假设的安全教育方式中最受欢迎，见图1。

图1 实验室安全教育方式打分评价折线图

2 基于VR全景的实验室安全教育的设计

2.1 设计原则

(1) 强调针对性，体现信息化。实验室安全教育的设计要紧扣中心实验室的现状，有针对性地设计相关安全教育的内容；需符合学生认知心理的特点，将枯燥的知识技能趣味化；要有时效性、实用性，安全教育信息可随时更新。

(2) 强调体验性，体现高效化。虚拟场景的设计要强调情景式、沉浸式的体验感[15]，利用三维仿真技术对实验室的环境、设备、材料等进行模型构建，并可配合手柄、头盔、VR眼镜等人机交互技术手段实现在虚拟场景中进行身临其境式的操作和学习体验，使学生可以快速有效地获得实验室安全相关的知识与技能。

(3) 强调低成本，体现经济性。近年来，有高校尝试利用虚拟仿真技术开发实验安全教育游戏，开发实验安全教育情景互动式虚拟仿真教学项目等，都取得了良好的效果，但均为化学类相关实验室，且均为新开发软件或系统，需要投入大量经费，对于非高危实验室来说借鉴意义较小。因此要考虑VR全景形式开展实验室安全教育的经济性，进行低成本设计。

2.2 设计思路

整体设计思路见图2。

图2 设计思路

(1) 素材准备。对建筑城规实验教学中心开展充分调研，对实验室所涉及到的安全知识进行全面梳理，如：安全思想教育、安全规章制度教育、安全通识类知识教育、大型仪器设备安全操作技能教育、应急处理能力教育等多个方面[16]。对可利用VR全景技术设计转化的内容进行识别，再分类制作相关实验室安全教育的素材，为后期VR全景程序制作做好准备。

(2) 模型制作。使用CAD、Sketchup等软件制作中心实验室的三维模型，还原中心实验室的真实场景、布局、设备、材料等，并对其进行初步渲染。

(3) VR全景程序制作。利用前期准备好的模型和素材，使用光辉城市Mars、Venus及720云等相关软件和平台制作VR全景程序。具体步骤包括：① 使用Mars软件对模型的环境、材质、配景等进一步优化补充，进行二次渲染，输出多张、多角度全景图片；② 使用Venus或720云等软件或平台，将输出的全景图按叙事手法进行设计排列，添加互动按钮，包括前进后退和与场景中的仪器，公告栏的互动，如：点击某大型仪器设备，会弹出操作视频或相应的仪器简介、安全使用注意事项等；点击前进后退可以在空间层面沉浸式地进入下一个场景或返回之前的场景等。

(4) 抽样实验设计。基于2020年新增设的实验室安全准入考试，制定检验虚拟仿真教育方案的效果的对比实验，并根据调研所得的中心实验室所涉及的安全教育内容对实验室安全考试系统的题库进行了增补，使得考试内容能够具有针对性。选取3组2020级新生作为实验样本，开展不同形式的实验室安全教育，安全教育完成后进入实验室安全考试平台进行测试，再对测试结果进行分析，评价安全教育的效果。

2.3 设计成果

(1) 认知学习部分。认知学习包括：规章制度、安全标识、消防设施、防护设施、应急救援物品等，对实验室经常遇到的安全标识，应急救援物品，防护设施、消防设施进行整理，并提出认知要求，确保学生读懂安全标识的提示，了解常用消防设施如何使用，在遇到危险时可以第一时间正确使用应急救援物品、防护设施等进行自救或救助他人。部分认知学习素材见图3。

图3 部分认知学习素材

(2) 场景学习部分。场景学习包括：实验场所、实验大型仪器设备的安全操作，应急伤害处理和安全逃生等。该部分内容均要求学生熟练掌握。见图4～6。

图4 实验室实景照片

3 基于VR全景的实验室安全教育的实施

3.1 实验室安全教育实验

选取建筑城规学院2020级城乡规划学生(城规1班32人为A班，城规2班32人为C班)和2020级风景园林学生(景园班32人为B班)作为测试人员，将开展两组对照实验。

第1组对照实验：A班与B班分别用两种不同的形式进行实验室安全教育，A班进行VR全景式实验室安全教育，B班按照以往的方式进行安全教育，如实验室安全手册的宣讲学习，安全责任书的签订等，完成学习后同一时间段参加实验室安全在线考试，并记录结果进行对比。

第2组对照实验：C班在进行完传统的实验室安全教育后参加在线考试，记录成绩；然后C班再进行VR全景式实验室安全教育，再一次参加在线考试，记录成绩，前后2次成绩进行对比。

3.2 实验室安全在线测试

根据新梳理的中心实验室所涉及的安全教育内容对对实验室安全考试题库进行增补，使考试更具有针对性。建筑城规实验室安全相关题库包含通知类安全题、消防安全题及针对性增补的安全题等共计515道题目，系统将从题库随机抽取100道题生成试卷，学生每组测试将有10次考试机会，取最高分记录成绩。

3.3 测试结果

第1组为A班平均成绩94.75分，B班平均成绩85.28分。接受VR全景实验室安全教育的测试班级取得了较好的成绩，所有学生成绩均在80分以上，有94%的学生成绩在90分以上(见图7)。

图7 第1组测试结果柱状图

第2组C班第1次平均成绩85.28分，第2次平均成绩93.96分。C班的学生在接受VR全景式实验室安全教育后，所有学生成绩均在80分以上，成绩较第1次测试有显著的提高(见图8)。

图8 第2组测试结果柱状图

4 基于VR全景的实验室安全教育的效果及评价

通过VR全景程序的实验室安全教育，可以得出这种安全教育方式相较于传统的安全教育优势是显著的。由于VR全景程序具有较强的交互性与沉浸感，学生普遍对其有较强的兴趣，愿意进入虚拟仿真场景进行在线的体验学习，并认为这是一种有趣的方式来了解学院实验室，学习实验室安全知识。

通过实验室安全教育对比的实验，可以得出基于VR全景的实验室安全教育的效果是显著的。学生在通过新的方式学习后在实验室安全考试中取得了更好的成绩，说明学生在此过程中，对于知识的感知、理解和内化效果较好，对于其安全意识的提高具有潜移默化的影响。

5 结 语

基于VR全景的实验室安全教育，相较于传统安全教育方式在学习效果以及学习兴趣上具有明显的优势，对于提高学生实验安全意识和学习主动性有促进作用；它以一种沉浸式、交互式的体验弥补了实验安全教育中实践缺乏的部分，在虚拟仿真体验中强化对安全知识的理解与内化，能有效提高学生安全教育的质量；这是一种同时不受时间、空间限制，低成本的实验室安全教育方式，师生可随时随地打开程序进行在线学习、漫游体验，且其安全教育的内容可随时更新，此外VR全景程序建设所用到的软件都为市场上较为成熟且易操作的软件，不必投入大量经费到软件或程序的编程开发上。建议VR全景式的实验室安全教育可作为一种有效且创新的方式来开展实验室安全教育，发挥其重要的辅助教学作用。