基于虚拟现实技术的“受限空间安全事故处理”实训课程开发与实践*

程雷相

(兰州石化职业技术大学， 甘肃 兰州 730207)

虚拟现实技术简称VR技术，是20世纪末兴起的一项信息综合应用的技术。目前VR技术在诸多领域有广泛的应用。因其具有良好的直观性、互动性、沉浸性从而在教育教学中应用广泛。高职院校的实训课程因场地、资金、设备、师资等条件的限制，并不能顺利开展，尤其是占地面积大、资金投入高同时又带有危险性的实训课程很难在高职院校实施。例如“化工安全”“实验室安全”等实训课程。

受限空间作业是化工企业常见八大高危作业之一。受限空间作业常指在封闭或者部分封闭，出入口较为狭窄且与外界相对隔离的环境下的作业。因为在该环境下工作，常伴有自然通风不良，有毒有害气体、易燃易爆物质的集聚，或者含氧量低于19.5%的工作条件。在化工企业生产中受限空间作业危险性极大，因为化工企业的介质存在高危高压、有毒有害、易燃易爆的特点，这些特点增大了受限空间作业的危险性。受限空间作业中经常发生的事故有窒息、中毒、燃烧爆炸等。然而，受限空间作业在化工企业中经常存在，设备检修、清洗、维护作业中常伴随受限空间作业，因此受限空间作业非常重要。在高职应用化工技术专业教学中，有必要开发受限空间事故处理实训课程。

受限空间事故处理实训是《化工安全技术》课程里面的一项内容。这项实训对场地和设备要求高，资金投入大，加之实训内容的特点决定了实训过程中常伴有危险性，学生生产实践经历少，经验匮乏，在这些实训场所中教学非常危险。指导教师一般以演示的教学方法进行教学，以确保教学中的安全。然而，这种教学方法效果差，不利于培养学生的事故应急处置能力，也满足不了化工生产过程中受限空间作业岗位对能力的需求。既要保证学生实训过程中的安全而使实训课程顺利进行，又要提高教学效果培养学生实践技能水平，必须要另辟蹊径，引入新技术，开发新的教学方法。VR 技术以其良好的直观性、互动性、沉浸性和安全性给“受限空间事故处理”实训课程的教学带来了新思路。

1 虚拟现实技术在实训课程中应用的优势

目前，虚拟现实技术很好地填补了安全教育与IT技术融合处的空白，已经被应用在越来越多的安全教育培训中。VR世界的沉浸感会将人们置身于火灾、爆炸事故、特种作业环境、地震台风等灾害场景中，可以最大程度地让人们从心底认识到事故预防的重要性。

1.1 智能化评估实训效果

根据学员特点和灾害强弱程度的分析，交互式的VR培训平台可以针对特定学员和组织做出独特的处理。VR技术应用可以创建学员所需的特殊场景，并在教学任务的培训中提供即时的反馈。例如，VR技术可以评估员工在面对事故时应急预案的成效。反过来，根据提供的即时数据找出差距和需要改进的地方，并进行反复训练。通过VR场景和运动记录，可以将表现进行数字化存储，从而更有效地评估。当你在应急演练时，VR平台可以将你的行为用360°拍摄下来，这是十分宝贵的预演分析视频。可以用于更有效地积累经验，为以后制定行动提供必要的纠正措施。需要指出的是，我们并不需要单单依靠VR去进行训练，而是应当与其他传统教学模式相结合，融合各自的优点，更好地达到目的。

1.2 实时教育

VR可以将诸如飓风或地震等自然现象一致同步到各个区域，让多个组织同时进行培训。在学员进行模拟的过程中，VR可以将传统的教学元素如幻灯片的图形和数据嵌入在虚拟环境中，进行实时教育。

1.3 场景逼真

另一个显著优点就是更加逼真的视听刺激，提高学员的重视程度，体验着关注事故应急及避免事故发生的重要性。此外，培训方案可模拟分布在各个城市和住宅的环境中。假如举行一场火灾事故应急演练，我们需要关闭数个有相当大的人流量的街区，这在学校环境中几乎是不可能实现。VR却可以很容易地模拟出这些苛刻环境，解决真实环境中的限制因素问题。

1.4 训练灵活

VR应用允许学员按照自己的节奏来学习，逐步而全面地掌握相关的防范知识。在进行团体培训时，VR平台可以提供小组讨论和分析的场景，用来讨论个体行为的正确性以及是否能保证团队协作。

1.5 实训成本低

从成本的角度来看，VR培训有着明显的优势。因近年来化工厂事故频发，国家法律法规要求相关人员定期进行事故演练，但很多情况下因时间经费等问题，不能达到很好的效果，而VR方案只需要消耗一定量的资金去购买设备就可以在不同的虚拟环境中重复练习。

2 受限空间作业事故处理实训课程开发

笔者基于北京东方仿真软件技术有限公司合作开发的受限空间作业事故处理VR系统开发相应的实训课程，内容包括“VR系统的认识”“VR系统操作”“在VR系统上进行受限空间作业和事故处理”。

2.1 VR系统硬件认识

VR系统的硬件主要有VR头戴显示器和操作手柄(图1)。

VR头戴显示器具备完整的激光定位系统，精确追踪定位，头显显示屏部分具备，整个系统延时低于 20 ms，低于神经系统感知误差，有效避免因延迟造成的眩晕。头显的显示部分整体分辨率为2160×1200(单眼分辨率为1080×1200)，高于全高清分辨率，保证了显示效果清晰；刷新率达到90次每秒，降低画面撕裂失真。体感手柄配合激光定位捕捉肢体动作，模拟交互，提高沉浸感。另外，虚拟现实头显示设备内置有数个传感器、两个无线控制器，并具备手势追踪功能。而且，内置的跟踪系统会向用户所在屋内发射数道射线，并感知到墙壁的存在位置，因此学员可以佩戴这一头盔在屋内随意走动。

VR系统手柄主要用来跟系统角色互动，操作VR系统更好的完成任务。操作时需要用到两个手柄，左手手柄用来操作工具和NPC(软件设定的角色、不可操作)交互，右手手柄用来护具穿戴和人物移动。手柄的主要功能包括中移动、物品使用、物品拾取、综合运用等功能。VR系统如图1所示。

①开关机；②瞬移键；③菜单键；④显示灯；

2.2 受限空间作业事故背景设置

应急虚拟现实仿真演练系统通过对各类灾害数值模拟和人员行为数值模拟的仿真，在虚拟空间中仿真灾害发生、发展的过程，以及人们在灾害环境中可能做出的各种反应；并在演练平台上，在最大限度仿真实际灾害的条件下，开展应急演练。在此基础上，制定各类企事业单位的数字化应急预案。应急仿真演练系统可以用来训练各级决策与指挥人员、事故处置人员，发现应急处置过程中存在的问题，检验和评估应急预案的可操作性和实用性，提高应急能力。

典型污水处理厂受限空间安全事故处理VR系统，采用VR技术，形成一个沉浸式的三维仿真环境。需要根据典型污水处理厂AAO工艺(厌氧-缺氧-好氧生物脱氮除磷工艺)的建设和工艺布局要求，建立污水处理厂仿真教学场景模型。

根据典型污水处理厂建设和工艺布局要求，建立现代化污水处理厂仿真教学场景模型，包含：格栅池、泵房、沉砂池、二沉池、消毒池、污泥井、浓缩池、脱水机房、风机房、化验室、中控室、初沉池、生化池等单体生产设备模型。进入仿真软件后，用户可控制人物在厂区行走，并进入到相应的事故单体建筑模型附近进行事故处理操作。

2.3 事故处理流程

1)发布任务

首先，与NPC交互，接受任务，然后选择正确的作业票。

2)工具/护具选择

选择需要穿戴的护具：普通工作服、普通手套、安全帽、普通劳保鞋、安全矿灯、安全带、呼吸机。选择需要使用的工具：警戒线、作业牌、扳手、8字盲板、挂钩、梯子、三脚架、鼓风机、风管、对讲机、气体检测仪。

3)危害识别

首先，找到污泥井周围环境中存在的风险隐患点，其中含有的风险隐患包括积水、生锈的栏杆等。

4)作业前安全隔离

操作步骤包括：①在作业区域设置警戒杆，进行区域隔离；②摆放作业指示牌；③切断污泥螺杆泵电源，悬挂警示牌；④进口阀门安装盲板；⑤填写作业票。

5)作业

第一步进行气体检测，步骤包括：①打开污泥井盖；②放置鼓风机、风管，进行通风置换；③进行气体检测。

第二步穿戴个人防护用品。

第三步下井作业，并做好安全监护，步骤包括：①安放直梯，下井作业；②按照巡检路线进行巡检。

6)发生事故，紧急救援

紧急救援步骤包括：①事故汇报；②安装三脚架；③下井营救伤员；④伤员转移，紧急救护；⑤填写作业票。

3 教学实践

3.1 教学设计

首先，制定教学目标。受限空间作业事故处理是化工安全技术课程的一部分内容，主要考察学员的受限空间作业应知应会的知识、作业规范、操作技能和职业素养。因此，在制定课程目标时，可以从知识目标、能力目标、素质目标等三个方面展开，另外设计一些课程思政元素也是有必要的。目标的描述应用动宾结构语句，量词可评可测，切勿模糊不清。例如，知识目标课描述为陈述受限空间作业作业的流程、在VR系统上进入受限空间作业的操作规范等；能力目标可描述为在VR系统里处理受限空间作业事故(窒息、中毒等)；素质目标可描述为培养学员面对险情临危不乱的职业素养。另外，在课程思政方面，深挖思政元素，包括国家科技的进步、爱国精神、保护人民生命安全及财产的担当等。方法举措包括教师结合现有的设备和软件和实训内容，一是体验VR技术的科技感，二是生命安全意识的重要性。

其次，在教学策略上，应分为课前导预习、课上导学习和课后巩固三个环节分别设计。依据翻转课堂的教学理念，在课前导学习环节，可将浅显易懂的理论知识制作成电子课件上传到学生的手机端，让学生进行预习；课上，教师先示范使用VR系统，然后让学员依次练习，教师全过程指导，纠正错误，避免危险。课后巩固环节，可自由开放实训室，安排学生自由练习，并由专人指导和管理，巩固教学成果。

3.2 教学效果评价及反思

针对应用化工技术专业二年级学生进行教学实践，实践过程中，学生对先进设备和系统充满好奇心，学习兴趣浓厚，积极参与实训，相比传统的教学方式方法，效果有明显提高。

同时，在教学实践过程中，有些地方需要进一步改进和提高。一是教师教学水平的提高，尤其在信息化教学水平方面。职业院校高速发展的同时，新设备和新技术不断的引入到教学中，对教师是一项挑战，教师应与时俱进，加强学习，进一步提高教学水平。二是要进一步的深入设计课程，充分利用先进的设备，发挥设备的功能进行教学，深挖思政元素，做好思政教育工作。三是学生在面对新技术、新设备时，虽然能迅速适应，但缺乏对知识系统的学习，把握不住学习重点，认为VR系统类似游戏，以玩游戏的心态参与实训。面对这种情况，教师要加强引导，发挥引领示范作用。

4 总结

综上所述，利用虚拟现实技术开展受限空间事故处理实训既能顺利开展教学活动提升教学效果，又避免了实训过程中的危险性。在职业院校高速发展的今天，充分利用现代科技，发挥技术优势，将先进的技术和设备引入教学活动，是职业教育教学的发展趋势。