基于虚拟现实技术的学校火灾逃生教学系统

于 萍

（新乡学院 管理学院，河南 新乡 453003）

火灾是危害人类生命安全的常见灾害。学生尤其是年龄较小的中小学生在火灾面前常常不知所措。因此，让学生掌握火灾逃生的知识和技能，在火灾发生时能安全逃生应该是学校常抓不懈的工作内容。目前，学校经常用到的培训方式是举行应急疏散演习，这种模式虽然能让学生获得一定的逃生知识，但也存在一些问题：1）疏散演习非常耗时，疏散演习之前需要花费大量的时间准备疏散预案，演习过程需要占用大量的学习时间；2）疏散演习不易重复，由于参与疏散演习的学生人数较多，很难针对不同的预案反复进行演练；3）灾源模拟较难，由于疏散演习中需要保证学生安全，很难在疏散场景中设置危险性的灾源，这就降低了疏散演习的真实感。

沉浸式虚拟现实技术的发展［1－3］为火灾逃生教育提供了新的手段。虚拟现实技术具有以下优势：1）虚拟现实技术能让参与者获得身临其境的感觉，也就是说参与者参与其中就像存在于现实世界一样；2）在虚拟现实技术的支持下，参与者能在虚拟世界中可行走的区域漫游，他们看到的场景随着视点的转化而实时变化，并与虚拟世界中的虚拟物体进行触碰等交互操作；3）虚拟现实技术可以安全地模拟和重构危险事件的发生和发展过程；4）虚拟现实技术可在同一事件（或不同事件）的相同条件（或不同条件）下重复使用，还可根据不同的条件得出不同的结果。

在本文中，笔者将虚拟现实技术引入火灾逃生教学，提出了沉浸式虚拟建构的教学理念和渐进式的知识学习模式，以教学楼火灾逃生为例研究了沉浸式逃生教学系统的架构设计与关键技术，设计了虚拟火灾逃生的原型系统，并在实际教学中进行了应用。

1 虚拟火灾逃生的教学理念及感知模式

1.1 沉浸式虚拟建构教学模式

建构主义［4－6］认为，教育不是简单强硬地对学生实施知识的“填灌”，而应该设计学习“情境”，由学生主动探索、建构完成知识脉络。建构主义强调“情境”对学习的作用，强调“学习环境”而非“教学环境”对学习的作用。

在虚拟现实技术的基础上，笔者提出了“沉浸式虚拟建构教学模式”，通过沉浸式虚拟现实技术构建了激发学生学习兴趣的认知环境，设计了在现实世界中要完成的任务和故事情节，学生通过沉浸式体验、认知，主动参与和自主探索，获取知识、训练技能和发现客观规律。

1.2 沉浸式虚拟认知环境

沉浸式建构学习需要建立一个沉浸式的认知环境，并在此基础上设定满足学习需要的故事化情节。在本文中，笔者设定的认知环境是一栋虚拟的三层教学楼，设定的故事情节是该教学楼一楼发生火灾，烟火逐渐弥漫至整栋教学楼，学生通过沉浸式虚拟现实设备，身临其境地体验从火灾环境中逃生，快速疏散到教学楼外，并在此过程中通过处置以故事化情节展示的应急事件，达到学习火灾逃生知识和技能的目的。

1.3 渐进的探索学习模式

根据教学需要和学生的认知水平，笔者为学生设计了渐进的探索学习模式。根据学生在火灾逃生中的参与度，将该模式分为以下三种情形：1）观察者学习模式。在这一模式下，观察者在教学楼外以旁观者的身份观察楼内的虚拟逃生人群及逃生过程，获取对逃生过程的基本感知。2）跟随者学习模式。在这一模式下，跟随者比观察者进了一步，在逃生人群中以某人的视角，感受从教室内向教室外逃生的过程，并通过观察其他人的逃生行为（如弯腰、捂口鼻等），了解不同应急事件下的自救措施。3）体验者学习模式。通过在上述两种模式中对逃生过程的感知，参与者根据所掌握的火灾应急知识和教学楼内设置的应急事件，依靠自己的判断，采取合适的措施，完成从教学楼中逃生的过程。

以上学习模式显示了虚拟现实沉浸感强的优势，把学生的被动学习过程转变为主动探索过程，学习过程变成了循序渐进掌握知识、反复强化逃生技能的过程。在遇到火灾时，学生应掌握的逃生、救灾的知识和技能包括以下4个方面：遇到烟雾时，用湿毛巾捂住口鼻，俯身弯腰前行；遇到火灾时，千万不可乘坐电梯逃生；灭火器只能扑灭小火，在使用灭火器时，应拔掉保险销，在上风向将灭火器喷嘴对准火焰根部而非火焰顶部；在拨打火警电话时，应准确报出火灾地址、火势大小，有无爆炸物品和危险化学品，有无人员被困，留下自己的姓名及使用的电话号码。

2 虚拟火灾逃生教学系统的架构设计与关键技术

2.1 系统架构

图1 系统架构的设计

基于以上教学理念，笔者设计了如图1所示的虚拟逃生教学系统的架构。在构建虚拟火灾环境的基础上，通过虚拟现实头盔再现火灾场景，利用操控手柄控制视点位移。基于渐进式学习理念，学生可以通过三种学习模式，完成对火灾逃生知识的沉浸式建构学习。

2.2 关键技术

2.2.1 火灾模拟

对火灾事件的模拟是学习火灾逃生知识的重要基础之一。在本系统中，笔者使用火灾动力学模拟器（Fire Dynamics Simulator，FDS）来模拟和计算烟火的扩散过程，模拟与计算步骤如图2所示。FDS是美国国家标准研究所开发的模拟火灾中流体运动的计算流体动力学软件，能真实地计算火灾中的烟气和热传递过程，已在国际上得到了广泛的应用［7-9］。

以本文中给出的三层教学楼的火灾逃生为例的模拟过程为：将教学楼模型的剖分网格和起火位置等参数输入FDS。FDS计算完成后，将结果读取成结构体，其中，x、y、z为空间位置，t为某一时刻，v为该位置在t时刻的值（如烟雾浓度等），并将结构体序列在逃生模拟系统中按时间顺序做动态展示，模拟火灾及烟雾在教学楼中的扩散过程。

图2 基于FDS的火灾模拟与计算步骤

2.2.2 碰撞交互

学生开展探索式学习的重要途径就是与虚拟场景及其中的对象发生各种交互，如学生逃生过程中躲避烟雾和不能使用电梯等。因此，虚拟场景中的烟雾和电梯节点均被添加上碰撞检测器。学生与这些碰撞检测器的距离小于一定阈值时，就可以认为他们遇到了烟雾并受到了损伤，或者认为他们采取不当行为，例如想通过电梯逃生等。在这种情况下，碰撞检测器将激发两种事件：一是发出提示和警告信息，提示学生实施了错误的行为，并提示他们采取正确的措施；二是将学生的行为记录下来，并在逃生学习结束后通过评分系统做出评价。

2.2.3 运动交互

火灾逃生是连续的空间位移过程，参与者在模拟逃生过程中，不能也不应该在虚拟空间中任意跳转或跃进。因此，可以使用控制手柄和虚拟现实头盔来实现连续的空间位移，用头盔的朝向控制位移的方向，用控制手柄控制位移的速度和加速度。需要注意的是，虚拟现实中位置的移动会给学生带来晕眩感［10］，这是因为虚拟现实的临场感很强，学生感觉身体在移动，而实际上身体却未动，二者不一致就会导致晕眩感的产生。这种感觉会随着突然变速（如由静止到运动，或由运动到静止，或中途改变速度）而更加明显。为了减少晕眩感，笔者增加了缓加速再升档的设计，即开始疏散时，学生可以通过很低的速度逃生，适应虚拟现实以后再使用控制手柄提升速度，以缩短逃生时间。

2.2.4 目视交互

对于场景中的其他绑定事件，可以设置为非接触式交互的对象，这些对象有可拿起的毛巾、可拨打的电话和可提示信息的按钮等。对于非接触式交互对象，可采用目视交互的方式实现操控。操控过程是：将头盔的焦点（视点）对准可交互对象并注视一定的时间，若注视时间为t，则当 t >T（T为设定的阈值）时，即可实现对相关动作的激发，如拿起毛巾或拨打电话。使用目视交互的优点是由双手控制运动速度，由目视操控场景对象，这使得系统操作的功能区分在逻辑上更加清晰，也更容易为学生理解。

2.2.5 逃生人群模拟

在观察者和跟随者模式中，需要模拟多层教学楼内的人群及其逃生过程。在本系统中，笔者使用社会力模型［11-12］作为模拟人群的基础模型。社会力模型是二维的，它将行人的行为抽象为目标吸引力

行人间的排斥力

和周围障碍物的排斥力

等 3 种基本作用力，式（1）、式（2）和式（3）中的参数及意义见文献［11］。

在这些作用力的作用下，逃生的人不断修正自己的行为，实现从起始点到目标点的连续位移过程。

多层建筑内连续疏散过程的计算可以使用文献［13］中给出的投影场模型（图3）。投影场模型的运用包括：将建筑内多个楼层/楼梯上的疏散人群投影到一个基准平面，在该基准平面上考虑邻接区域（如楼梯和与之相连的楼层，层数记为m）内行人的相互影响，通过经典社会力模型计算人群的疏散行为，再将计算结果逆映射回原始楼层/楼梯，完成人群在多层建筑内连续疏散过程的计算。

图3 投影场模型

需要说明的是，在计算行人速度时，需要在社会力模型中引入急迫因子（急迫因子由行人的当前速度与平均速度之间的关系确定［11］）来实现加速或减速，进而达到逼近期望速度的目标。这样会造成“逃生者”始终处于“加速-减速-加速”的波动状态，进一步增加学生的晕眩感。因此，在计算人群的疏散过程时，可将虚拟人群的疏散速度固定为期望速度，稳定的速度能缓解学生的晕眩感。

3 虚拟火灾逃生教学的原型系统及应用

3.1 原型系统

基于以上教学理念和关键技术，笔者以Unity为渲染引擎，以Oculus Rift CV1为虚拟现实沉浸式体验设备，以控制手柄作为连续位移设备，设计了建构式虚拟火灾逃生教学的原型系统。图4为原型系统的功能应用的部分截图，其中图4（a）为观察者模式的学习场景，图4（b）为体验者模式的学习场景。需要说明的是，学习者需要做出相应的动作才能完成逃生过程中某一事件的处理。例如，图4（b）就是学习者在遇到烟雾时所做出的俯身前行的动作。

图4 虚拟火灾逃生原型系统

基于以上提到的渐进式学习模式，系统还实现了火灾知识的多角度展示，学生可循序渐进地体会逃生过程，学习火灾知识，灵活运用火灾逃生知识实现火灾逃生（图 5、图 6和图 7）。

图5 观察者模式的场景

图6 跟随者模式的场景

图7 体验者模式的场景

3.2 虚拟火灾逃生教学系统的实际应用及反馈

笔者将设计好的虚拟火灾逃生原型系统用于学生的虚拟逃生体验与建构学习（图8），之后对参与体验的学生及家长进行了问卷调查，对部分学生进行了跟踪回访。调查内容包括系统的可用度、体验的真实感和体验学习效果等。受访的家长和学生反映系统运行流畅，场景对象的操作和控制方便，易于使用。他们还反映虚拟现实环境中真实感很强，能亲身感受火灾逃生时的紧张气氛，与传统的静态图片式教学相比，虚拟现实教学留下的印象更加深刻，经过很长一段时间仍能回想起虚拟逃生的情景以及其中的应急环节。

学生对渐进式学习模式给予了较高评价，他们认为能从多个角度循序渐进地掌握火灾逃生知识，还认为引入逃生人群增加了代入感，虚拟的人群将他们迅速吸引到火灾的逃生情景中去，这是一种新颖、安全和可重复的教学模式。

部分家长和学生反映在体验该系统时存在或多或少的晕眩感，这说明本系统对软件层次的优化只能在一定程度上降低晕眩感，真正消除还需要硬件层次的支持。

图8 辅助学生进行的虚拟现实逃生训练

4 结束语

在虚拟现实技术发展的大背景下，笔者将该技术引入危险性灾害事件的教学，提出了沉浸式虚拟建构学习理念和渐进式知识学习模式，并以教学楼内火灾逃生为例，设计了沉浸式建构学习的原型系统，并在实际教学中进行了应用。结果表明：这是一种安全、可重复的学习方式，可弥补实际疏散演习在可重复性上的不足；该种学习模式体验感强、互动性高，相比于传统的基于图片的教学模式，学习者对逃生知识的掌握更为深刻，印象也更为持久。

需要说明的是，笔者设计的是单人虚拟逃生系统，虚拟建构学习模式是面向个体的，下一步的研究内容将重点关注多人参与的虚拟逃生系统的设计和发展协作式虚拟建构学习模式的探索。