虚拟现实技术在高校安全教育中的应用研究

盖文静

（上海交通大学　　教育技术中心，上海　200240）

虚拟现实技术在高校安全教育中的应用研究

盖文静

（上海交通大学教育技术中心，上海200240）

校园突发事件的应急预案是高校安全管理的重要保障，将虚拟现实技术应用到高校安全教育中，有效地解决了传统演练受环境、成本、风险因素所限无法融合到现实场景，以及真实性较差、教学效果不明显的难题。文章针对新型的计算机辅助教学模式，设计了一套虚拟现实疏散仿真系统，借助头盔式显示器让学生体验灾难现场逃生，并通过实验验证了疏散效果的有效性。

校园安全教育；虚拟现实技术；疏散仿真

引言

重视校园安全教育，加强校园安全文化建设，有利于强化师生的自我安全意识，规避、减少人身伤害。传统的安全教育主要是基于课本、教育视频以及安全演习等方式进行，对于学生而言，这些方式相对枯燥、乏味，并不能达到理想的教育目的。在此背景下，仅从思想方面提高认识，已经不能有效解决高校安全教育所面临的严峻挑战，积极探索基于虚拟现实技术的新型安全教育模式势在必行。

一、信息化背景下兴起的新型安全教育模式

随着计算机图形学和虚拟现实技术（Virtual Reality） 的发展，教育的方式也开始逐步发生改变，人们将虚拟现实技术应用到教育领域，产生了一种新的教育模式，即虚拟教育［1］。借助虚拟现实技术，构建虚拟的教学情境，以一种主动交互的方式，在引导和探索的过程中去学习知识和技能，这也为高校安全教育激发了新思路、新途径。

大学生安全教育是高等教育中不可或缺的一部分，而我国高校目前安全教育环节还相当薄弱，如：2008年“5.12”大地震中，四川大学多名学生缺乏对自然灾害逃生自救技能的认知，在撤离的时候从楼上跳下，导致摔伤［2］。据统计，2006-2011年5年间，我国学校一共发生火灾事故9666起，死亡96人，伤231人，直接造成经济损失9764万元［3］。这一系列惨剧更是为当前高校安全教育的改革创新提出了挑战，敲响了警钟。

虚拟现实技术具有以下三个主要特征：沉浸感（Immersion）、交互性 （Interactivity）、构想性（Imagination），也称为3I特征［4］。其中，沉浸感使得大学生可以在模拟教学中获得最为客观、真实的感受。尤其是在校园火灾、地震的逃生疏散模拟中，大学生能够真切地感受到灾难的动态演化过程以及观察周围人群不当的逃生行为造成的拥挤、踩踏等次生灾害，促使其从全局的角度出发，结合教师传授的知识，现场做出最佳选择。教师也可在模拟演练过后，在实验数据的基础上，通过系统分析，建立大学生疏散逃生行为模型，并将结果反馈到教学中去，从而更好地锻炼学生的安全自救、随机应变能力。这种人机的互动交互，沉浸式的疏散演习体验，基于实验数据的行为模型，多样化的呈现形式是传统的疏散演习所不能做到的。

目前，在发达国家，虚拟教育的理念已经广泛应用。NASA的火星探测车模拟，推出了一系列基于Unity引擎开发的虚拟现实火星探险之旅［5］。Innovation基于Unity引擎实现了一个命名为CliniSpace的虚拟医疗模拟培训平台，通过3D的虚拟仿真培训技术，高效、安全地为医护工作初学者提供了模拟实训的平台［6］。当这些平台结合可穿戴式设备时，如Oculus Rift、HTC vive、Cardboard、Gear VR等，能让用户获得更加逼真、生动的虚拟交互式学习体验。

文章针对大学生安全教育中的消防安全教育及逃生技能、地震等自然灾害逃生技能等内容，在新型的模拟教学模式下，设计了一套虚拟现实疏散仿真系统，借助头盔式显示器有效地使学生迅速进入虚拟现场，获得身临其境之感。

二、虚拟现实系统框架设计

（一）系统流程概览

文章虚拟现实系统的运行流程分为预处理阶段和仿真阶段（见图1），在预处理阶段，系统完成几何环境的建模以及环境抽象图的建立。用户可以通过编辑界面来设置虚拟人的初始参数和分布，以及危险源的位置和强度。在仿真阶段，行人仿真模块根据虚拟环境的情况，不断更新所有虚拟行人的运动状态。

图1　　系统流程图

（二）系统模块化设计

根据所要完成任务的需求，同一种功能可通过具有不同实现方式的模块来完成。模块化设计保证了系统的通用性、可扩展性与可维护性（见图2）。

1.几何建模负责三维虚拟环境的生成。在实现中，我们采用计算机自动化与人工调整相结合的方式生成三维场景。根据二维建筑平面图，生成房间墙壁以及房间中桌椅等物件的位置布局，并在对应的布局位置放置模型数据库中的模型。数据库中的模型可以通过3DSMAX、SketchUp等建模软件预先建好，并可以通过关键字“房间类型：物件类型”（例如：“教室：课桌”）在数据库中检索出来。

2.环境抽象根据环境中的障碍、地形等信息，对现实场景进行抽象得到其空间拓扑结构。在人群仿真中，虚拟人可以在该结构中进行安全空间的搜索，从而自主完成疏散路径的规划。在紧急场景中，往往存在火焰、毒气等危险源，该模块对这些危险源信息等进行数学建模，这样学生就能够通过指定危险源的强度值、分布等信息来重现不同条件下的紧急情景。

3.人群仿真在真实的疏散过程中，人群运动会对个体运动产生重要影响。人群仿真模块负责控制虚拟人的行为，在疏散过程中最终要的两个行为是避免与障碍/其他个体碰撞以及疏散路径的规划。

4.用户交互在模拟教学中，参与训练的学生能够以第一人称视角参与到整个虚拟的疏散演练中。根据所使用的硬件的不同，系统为用户提供了不同的操作方式来控制前后左右移动。

5.场景显示根据不同的需求，能够通过不同的视角向学生展示疏散过程的场景信息。当学生参与训练时使用第一人称视角显示，使学生能够更真实的观察附近环境并做出运动决策。此外，系统也能够提供俯视视角。该视角能够展示整个场景的全局信息，从而为疏散方案的设计者提供方案验证工具，也能展示建筑设计是否合理。在显示硬件上，系统能够调用不同设备的API将画面显示在计算机屏幕或者头盔屏幕上（当前支持HTCVive）

图2　　系统模块设计

三、虚拟现实系统应用实验结果

本文系统在配置为Intel i7 3.0GHzCPU，8G内存，NVIDIA GeForce GTX660显卡的台式机上运行，并且使用HTC Vive作为沉浸式头盔设备，对系统训练与仿真应用进行了实验。

对沉浸式训练效果的分析（见表1、表2），首先选取参加过传统安全演习的30名学生（下文称A组）以及未参加过传统安全演习的30名学生（下文称B组）使用HTCVive虚拟现实头盔进行安全疏散模拟训练（见图3）。在模拟训练中，让学生在各类安全事件的虚拟场景中，根据自己的常识对出现的紧急情况选取应对措施，并最终通过操作杆控制移动，最终到达安全出口。教师根据学生的判断给予评价，并对训练效果进行了调查和分析。

1.学生方面

表1　对参加传统演习的30名同学的真实感调查

表1摘取了对参加过传统演习的同学进行的调查结果。其中，所有学生认为使用虚拟现实头盔训练更加真实，并且相对于传统演习过长的时间，虚拟演习效率明显更高。93.3%的同学认为虚拟训练更容易引起参与的兴趣，学习效果更好。

表2　　对60位同学的舒适度调查

表2摘取了对所有同学进行的使用沉浸式头盔舒适程度的调查结果。3D晕眩是当前使用沉浸式虚拟现实设备无法避免的问题，与画面显示的流畅度以及使用者体质相关。从这次抽样调查来看，初次使用虚拟设备出现眩晕的比例较低，约为30%，重复训练后，能够有效缓解眩晕症状，而且没有学生因为眩晕而停止训练。

2.指导教师方面

表3　　教师对疏散平均时间的评价

表3展示了不同场景不同同学所用疏散时间的平均值。从中可以看到，对于校园中教室等常见的场景，是否参加过传统演习对学生在虚拟场景中所耗的疏散时间几乎没有影响。而学生在参加过各个场景的虚拟训练后，再次进入同一场景时其疏散效率显著提升。说明学生通过对灾难类型、场景逃生通道、疏散路径以及几个容易造成拥挤点的了解与熟悉，以及教师对学生在之前训练中所选取疏散逃生路径的分析，有效地提升了逃生技能。此外，在使用HTCVive进行疏散训练时，采用了单人疏散场景（即场景中不存在其他虚拟人），以及存在虚拟人群的疏散场景（如图4）。同样，所有参与训练的学生认为存在虚拟人群的疏散场景更加真实。实验中还观察到疏散研究中存在的从众现象：当学生在存在虚拟人群的场景中疏散时，更容易选择跟随人群前进，而非自己去寻找疏散路线。

图3　使用HTC　Vive进行虚拟疏散训练。图中上排为使用HTC　Vive训练的学生，下排为Vive中显示的虚拟场景。

图4　　单人疏散场景与存在虚拟人群的疏散场景

四、结语

随着信息技术的不断发展与进步，虚拟安全教育也受到越来越多的重视。应用实验证明，与传统安全教育手段、传统安全演习相比较，虚拟现实技术突破了时间和空间的限制，使教师能够全面观察、深入分析已经发生或将来可能发生的校园安全事件，准确评估学生在逃生训练中的行为，并作出针对性的指导；使学生在沉浸式的训练中，能够更加直观地感受紧急情景，并对不同危险源作出真实、合理的判断与应对，增强了安全意识和能力。

［1］祝智庭.教育信息化：教育技术的新高地［J］.中国电化教育，2001（1）.

［2］姜晓丽，高岳仑.构建高校校园安全管理机制的思考［J］.高教论坛，2009（10）.

［3］李晴.高校学生公寓安全疏散研究［D］.沈阳：辽宁工程技术大学，2012.

［4］张菁.虚拟现实技术及应用［M］.北京：清华大学出版社，2011.

［5］刘佳力.基于Unity3D的儿童安全教育游戏的研究与实现［D］.成都：四川师范大学，2015.

［6］ParvatiD EV，HeinrichsW LR，Patricia Y.CliniSpace：AMultiperson 3DOnline Immersive Training Environment Accessible through a Browser ［J］.Medicine Meets Virtual Reality 18：NextMed，2011，163：173.

［责任编辑张宜］

G434

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1008-7656（2016）02-0066-04

2016-05-16

盖文静，上海交通大学教育技术中心助理工程师，硕士，研究方向：教育技术学理论与教学。