虚拟仿真在高校实验室安全教育中的应用*

王少鹏，王丽伟

(广西大学海洋学院，广西 南宁 530004)

实验室是高校进行科研和实践的重要场所，也是培养专业实验技术队伍的必要条件。近年来，高校教育系统不断强调安全教育发展理念，实验室安全教育工作成果显著。但是，实验室安全事故依然时有发生，暴露出实验室安全管理工作仍存在薄弱环节。据统计[1]，2001-2018年全国高等院校公开报道了110起实验室典型事故，致使10人死亡，102人中毒或者受伤，其中化学实验室造成5人死亡78人受伤，危险性最高。因此，如何提高和完善高校实验室安全教育水平，保护师生生命安全，使高校安全事故发生率降至最低，已成为当前高校教育和管理的重要环节。

目前我国教育处于信息化、智能化改革挑战的前沿，随着计算机和网络技术的飞速发展，以网络为基础的知识学习将传统的教育教学推进一个全新的时代。虚拟仿真实验的概念在此背景下出现，其对增进高校教学效率、促进高校学生综合发展和专业素养培养等方面具有十分重要的意义；虚拟仿真教学模式也蓬勃发展，相比传统教育而言优势巨大。本文通过对国内外虚拟仿真实验教学的进展分析，发现虚拟仿真技术更多的应用在专业实验课程实践教育方面，较少应用在安全培训教育方面。而实验室安全教育作为实验教学的重要组成部分，将虚拟仿真技术应用于实验室安全教育环节符合现代教育信息化发展潮流，也将对科研人才培养方式产生积极的影响。

1 实验室安全教育存在的问题

实验室安全保障在教育事业发展和学生培养的过程中意义重大，但随着高校学生扩招，诸多高校实验室运转负荷高，致使实验室安全问题时有出现，说明实验室安全管理教育仍存在一定的问题：

(1)传统安全教学方式缺乏灵活性。目前高校通常以专题培训、安全讲座等形式开展实验室安全教育培训，教师未能充分利用新型信息技术，导致安全教育内容形式单一，缺乏趣味，学生在学习的过程中随便应付，对安全问题不够重视，严重缺乏危机感和紧张感。(2)学生对实验室事故认知不足，很难将安全知识应用到实践中。如今高校安全教育集中在理论培养，以至于实验人员对于实验室安全问题认知不全面，不能清晰认识到实验室事故的危害性，在面对实际危急情况时无法及时处理，进而导致实验事故的发生。(3)安全教育缺乏及时反馈，课程改进难度较大。传统说教模式的教育方式难以获取学生安全培训的效果反馈，进而无法及时修正教育过程中存在的问题，无法评估学生在面对突发事故时的应急能力，也无法针对安全隐患精准施策。

当今，高速发展的教学技术对教学方式的变革影响深远，实验安全教育也需要多方面的信息输入，以此提高实验室安全教学的效果和质量。

2 虚拟仿真技术国内外政策研究

随着高等教育对信息化和智能化发展的探索，虚拟仿真实验教学应运而生。虚拟仿真实验教学是将计算机科学和可视化技术等结合，搭建专业的系统平台，通过虚拟现实对真实的操作环境和实验对象进行模拟，提供具有良好沉浸感和交互感的实验环境，让学生在虚拟环境中进行操作、开展实验的教学方式。其有利于实现实验内容多元化[2]，实验教育内容在广度和深度方面的拓展，更有利于解决实验成本高、实验资源匮乏和实验安全系数低等多方面的问题[3]。

虚拟仿真实验教学作为一种新式教学方法，在推进教育现代化的过程中起到了至关重要的作用。自2008年成立“中国教育仿真技术专业委员会”以来，我国一直积极推动现代教育和信息技术的融合。教育部在高等教育改革的浪潮中制定了了虚拟仿真实验教学中心建设的计划，该计划于2013-2015年间建设三批次总计300个国家级虚拟仿真实验教学中心，如表1所示，除哲学相关学科之外，三年计划中虚拟仿真实验教学中心的建设基本兼顾了大多数学科领域，其中理工类210个、农林医药类49个、人文社科类41个[4]。

表1 国家级虚拟仿真实验教学中心学科分布情况Table 1 Disciplinedistribution information of national virtual simulation experiment teaching center

教育部在随后推进虚拟仿真教学建设的过程中，于2017年颁发了《教育部办公厅关于 2017-2020 年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》文件[5]，该通知计划通过三年的时间进一步推进虚拟仿真实验在高校实验教育中的应用，截止2020年预计在60个学科门类中认定1 000项左右的示范性虚拟仿真实验教学项目。国家级虚拟仿真实验教学项目是在教学中心建设的基础上开展的重要工作，是对数字化高等教育改革的补充和完善，能够进一步推动高校对数字化、智能化教育的布局，拓宽实验教学的广度和深度，进而达到提升高等教育教学质量的最终目的。

科学运用数字化技术为教育赋能，也是国际教育的重要课题。国外在教育信息化发展方面制定了一系列政策，如欧盟《数字化教育行动计划2021-2027》为欧盟数字化教育提供了战略路线、美国先后三次颁布《国家教育技术计划》强调利用信息技术促进教育系统结构性变革、韩国2011年发布《智能(Smart)教育推进战略》计划投入2.2万亿推进智能教育发展、日本《2010教育信息化指南》致力于国内信息化教育的推动。虚拟仿真实验教学作为教育信息化发展重要内容，在外国高校受到高度重视[6]，如为了减少培训期间精密仪器设备的损耗，英国开放大学通过虚拟仿真技术建设开放科学实验室，实现了虚拟仪器的共享使用；美国科罗拉多大学建立了一个综合性的虚拟实验室，涉及物理化学、数学和地球科学等多门学科，它通过交互式虚拟模拟实验协助学生分析各领域中感兴趣的问题，并通过虚拟交互式学习验证实验构想，进一步开拓创新思维；加拿大维多利亚大学建立3D实验室和人类学制作实验室，配套高精度3D扫描仪和打印机等专业设备，意在通过交互式操作提高学生对学科的学习兴趣，以期培养学生的设计思维和探索创新精神。

3 虚拟仿真应用实验安全教育的前景展望

实验人员的违规操作是造成实验室事故的主要原因，不良安全习惯也是一切事故的共性原因。因此，从安全培训入手，运用虚拟仿真技术，通过三维造型和可视化技术模拟实验室安全隐患环境，学生在模拟的实验环境中可以进行各种复杂情况的安全演练而无需担心人身安全。在安全教育过程中，一方面虚拟仿真技术可以模拟出违规作业及其后果，学生在沉浸式人工环境中能充分感知特殊情况，能够比传统安全培训获得更多维度的安全知识，进而达成降低实验室安全操作风险的根本目的；另一方面虚拟仿真环境也能为学生提供“试错”的机会，有利于学生有针对性地查漏补缺，而且在此过程中系统的安全培训也会培养学生的实验习惯，使其更为科学地进行实验探究，弥补了传统安全培训时间短、认识浅的缺点，所以虚拟仿真教学在安全教育培训中体现出的优势要远远高于传统培训，并得到了广泛的认可。因此，高校实验室的安全教育不应该只是文字和视频的宣传，而应该运用虚拟仿真技术来做更多的实际模拟，发挥其在安全教育方面独特的作用，打破传统模式的枯燥无味，利用逼真的视听刺激，培养学生对安全教育学习的兴趣的同时使学生对安全事故有更深层次的认知，提高学生的安全意识和面对危险的应急技能，为学生的人生安全多铸一道防线。

4 虚拟仿真应用实验安全培训的教学模式初探

目前虚拟仿真技术未普及到大多高校和研究机构的实验室安全教育培训中，实验室教育缺乏行之有效的途径加强学生安全意识、增强实验人员预判和处理安全事故的能力。如何融合情景式教学、案例式教学和现场实践教学等教学方式方法，实现将虚拟仿真应用于实验室安全教育培训中，以真正提升安全培训效果、增强安全意识是本文的主要研究内容。初步教学模式规划如下：

(1)引进先进经验成果，整合设备设施资源。首先需要总结归纳传统实验室安全教育培训中教学模式、培训内容、培训效果等方面存在的问题，然后结合国内外虚拟仿真实验教学案例，探索高校实验室安全教育培训多元化实践教学的创新模式，争取为实验室安全教育全方位地探究打下基础；其次需要充分利用实验室的设备设施，对于虚拟仿真实验需求的器材及时更新，在国内外已有案例分析的基础上对实验设备购买升级，满足后续虚拟仿真实验教学建设需求的同时避免投入浪费。

(2)建设虚拟仿真平台，完善实验室安全教育机制。将虚拟仿真应用到高校实验室安全教育培训中，依托三维虚拟仿真平台构建虚拟仿真教学系统，包括危险感知—典型事故案例虚拟环境、危险预防—人身安全防护虚拟操作、危险处置—应急情况处理仿真系统等，并进一步设立实验室安全的仿真考试，实现教学活动的沉浸性和实时交互性。通过3D虚拟现实仿真技术进行模拟，结合VR仪器设备建立一个立体的、高交互操作的、仿真度高的安全培训模拟操作平台(如图1所示)，将案例教学和模拟情景教学相结合、将理论知识和实践教育相结合，使得安全教育的传授方式更加具体、形象，进而激发学生学习安全知识的主动性。

图1 安全培训模拟操作平台Fig.1 Safety training simulation operation platform

通过该平台将实验室常见问题和应急事件情景化，充分利用信息化手段，进行实验室警示标示识别训练、实验防护装置选择训练、洗眼器等应急设备使用训练等；通过观看事故案例仿真现场，使学生直观深刻体会危险事故造成人员伤亡、设备损坏的严重后果。且利用平台的安全模拟演练也可以实现科研成果的再现、安全问题分析以及事故救灾等场景的应急预案制定，通过对模拟过程出现的安全隐患进行多次安全训练，切实降低实验室安全操作风险。大型仪器作为学校教学和科研的优质资源，也是学校培养人才的重要指标，但是受学时和实验室设备资源的限制，多数高校仅能采取分组方式推进实验演示，导致学生对仪器缺乏足够的认识，只能勉强达到预期的教学目标。通过虚拟仿真技术构建的场景具有环境真实感强和自主操作性强的特点，使学生可以与大型精密仪器设备进行交互操作与感知，一方面减少在现实操作中对仪器设备造成不可逆的损耗，另一方面提高教学效果。最后，建立融合题库考试与仿真考试的实验室安全准入机制，为后续学生进入实验室安全开展各类实验奠定扎实的基础。

(3)开展虚拟仿真课程评价，完善安全教育课程设计。在安全教育的虚拟仿真实验教育模式推进之后，采用问卷调查或者开座谈会的形式，征集反馈意见、整理分析，开展教学质量评价，根据实际需求对实验室安全教育培训中虚拟仿真教学内容进行逐步调整完善，充分发挥现代化技术优势，以此优化设计实验室安全教育培训模式，充分发挥虚拟仿真教学的优势，大幅提升实验室安全教育的预期效果。参考虚拟仿真实验教学项目评价体系[7]，通过项目定位、内容、设计、研发、应用、团队6个维度进行评价，将其分解细化为具体的观测指标并对其进行界定和描述，构造评价指标体系框架，然后根据实际情况进行指标取舍，给出相应计算公式，即可满足不同评价要求的指标体系。对于新型学科建设而言，构建一套科学合理的评价指标尤为重要。只有不断的实践才能进一步完善评价体系，才能使实验安全教育的虚拟仿真课程不断进步，实现提升课程质量、保证实验安全、节省实验成本等多重目的。

5 结 语

在教育现代化的进程中，安全保障是教育事业发展的基本需求，也是高校教育过程中的长期工程。虚拟仿真平台有助于高校师生培养正确的安全价值观，也将进一步推动安全教育的发展。通过将虚拟仿真技术引入到实验室安全教育培训中，利用形象逼真的动画将抽象的实验室安全理论知识具体化，将不可能或难以实现的实验操作虚拟化、可视化，使学生在人工环境中感知实验室安全事故的真实感。通过多种场景模拟使得学生对具有危险性的实验具有更直观的感知，极大程度上避免了在实际操作中因操作不当而出现设备损坏或危险事故。虚拟仿真实验安全教育课程打破了传统安全教学枯燥无味的状态，使学生以轻松、愉快和积极的心态进行学习和思考，将安全意识根植人心。