实验室安全教育系统在高校应用的价值探索

司占军 张冬寒

（天津科技大学，天津 300222）

一、前言

近年来，计算机技术和新媒体技术发展迅猛，虚拟现实技术逐渐兴起。虚拟现实技术是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，可以使用户沉浸到虚拟环境中。2016年被行业普遍认为是虚拟现实技术爆发的元年，预计（据测算），2020年VR设备一体机的销售量将会达到4000万台左右，市场规模也将达到400亿元，从长远发展来看，万亿元的市场规模将很快得以实现。

总的来说，虚拟现实的市场仍旧是百花争鸣的景象，各大主流的头显设备均已霸占了市场。硬件的饱和带来的问题是内容的匮乏，VR头显并不是新出现的事物，早在几十年前就已经有人研究了，但是在内容上的探究却是近几年才开始广泛应用于各个领域。在一定程度上，VR内容方面的建设比VR硬件的研发还要困难，这也是目前影响技术发展的重要因素。

随着时代的进步，社会的发展，文化知识教育已经不能满足人们的需求。教育的本质是为了培养出德、智、体、美、劳全面发展的综合性人才，学校开展安全教育，可以提高学生的安全意识，提升校园安全管理质量，为学生的健康成长和全面成长创造良好的外部环境和文化氛围。研究表明，沉浸式的虚拟体验既能够提升学习者的学习意愿，也可以激发学习的兴趣与热情，同时还能保证体验区域的绝对安全。本研究基于虚拟现实技术开发出了实验室安全教育系统，为各大高校的实验室安全教育提供帮助。

二、实验室安全教育系统概述

1.内容介绍

实验室安全教育系统包含两个教育内容：知识题库和实战演练。知识题库包括常见的三种火灾安全问题：防火安全、危险化学品安全、用电安全，通过知识问答的形式加深体验者对火灾安全防火的认知。实战演练场景包括三大灭火逻辑以及其他一些限制灭火的逻辑，功能主要有选择、跳转场景，灭火逻辑，提示逻辑，通关限制（倒计时）。实战演练和知识题库模块之间相互独立，又可以通过场景跳转进行连接。整体系统的主要作用就是为了还原高校中的实验室火灾场景，让体验者在体验火灾危害的同时学习如何制止火灾。系统框架如图1所示。

2.应用技术概述

（1）关键技术——虚拟现实技术

虚拟现实（Virtual Reality，简称 VR），又被称作临境、灵境。从应用上看它是一种综合计算机图形技术、多媒体技术、网络技术、广角立体显示技术、位置追踪用户头眼手的技术和三维建模仿真技术等多种计算机技术综合演变出的最新突破，同时VR技术也属于力学、数学、光学等各种学科的综合应用。它最大的特点就是能够将体验者带入到由计算机绘制出的虚拟环境中去，通过人体的眼睛、耳朵、和皮肤触感等感知行为使其产生一种置入感，并且能够在该环境中实时进行漫游操作，感受虚拟环境的变化。现在VR技术已被应用于各行各业，其中主要包括医学教育、娱乐、军事航天、室内设计、房产开发、工业仿真等。目前来说，应用最广最多的是在医学教育、游戏娱乐以及房产开发之中。

（2）辅助技术

图1 整体架构图

三维建模技术。三维模型基本上可以算是点、面或者其它信息集合的数据，一般由3ds Max、Maya等三维建模软件建成，但是严格来说，三维模型不仅仅可以通过以上软件，也可以用例如Solidworks等机械软件进行制作，手工生成，或者以一定的算法进行合成。三维模型的定义很广泛，不仅仅局限存在于计算机中的三维模型文件，平面纸张中的三维立体图画也能称之为三维模型。

人机交互技术。人机交互技术 （Human-Computer Interaction Techniques）就是指通常情况下的计算机的输入以及输出，进而实现人与计算机对话实现需要实现的功能的技术。一般情况为相关信息提示、问题提示以及请示操作，人们再通过输入设备给计算机相关指示，完成界面交互。除此之外，它和认知学、心理学等多种学科也有一定的联系。

三、实验室安全教育系统在高校应用的价值探索

1.解决了安全教育人手不足的问题

全面落实安全问题的宣传教育是一项庞大的工程。高校的实验室安全是建设安全校园的关键环节，因此各高校都会进行相关方面的大型宣讲会，而由此带来的人力财力物力的消耗也是巨大的。目前，普遍的问题是，进行安全教育的人手不足，宣讲力度还不够大，覆盖范围也不够广泛。

本研究开发出的基于VR技术的实验室安全教育系统，从根本上解决了人手不足的问题。各大高校只需要通过文件传输或者下载，就能在各自学校的教室里依靠硬件设备进行展示。甚至不需要系统开发人员奔波于各大高校之间，高校实验员或者教师团体依靠内容介绍就可以进行系统化的学习，并可以利用该系统对学生进行实验室安全教育的主题教育活动。

2.提高了安全教育宣传力度，扩展了教育范围

高校里主流的安全教育宣讲方式是邀请消防员参加演讲，进行PPT和相关器材的宣传，或者是学校实验员针对实验室安全进行防火教育和火灾总结，并辅之以PPT进行讲解。但这些传统的方式都是基于静态的PPT的基础上，缺乏生动形象的体验教育，无论是对教师还是学生，其吸引力都不够强。

实验室安全教育系统是发布在PC端的应用程序，只需要一些必备的硬件设备，就能将其展示在各种需要的场所，它不受空间和时间的限制，扩展了安全教育宣讲的范围。高校只需要组织学生在教室中就可以借助设备进行体验，应用程序可以反复使用，方便快捷，可以覆盖全体教职员工，并且可以保证体验人员的绝对安全。

3.提升了安全教育的教学效果

目前的实验室安全教育最大的缺点是教育内容陈旧，教学方式没有新意，不能让师生很好的将理论知识与实践结合起来。没有切身的体会和实践，教学效果都会大打折扣，尤其某些特定的安全问题用普通的语言或者图片展示是不能形象的进行表达的。因此，传统的宣讲和教育方式所带来的教学效果有限。

采用VR技术构建虚拟灭火场景，可以保证用户在亲身体验中的绝对安全。而在系统中的知识题库模块和实验演练模块，对防火知识进行了总结归纳，真实还原了一些常见的火灾场景和突发状况，让用户在真正进入沉浸式体验的过程中既能加深学习印象，又能提升学习兴趣。

除此之外，本系统中的用户界面与传统的用户界面相比，引入了动态动画和音效的多媒体类动态界面，增加了交互体验，给体验者带来视觉冲击的同时也伴随着音效影响，实现了更强大的代入感。

4.提升了高校实验室管理水平

实验室有效利用率是提高实验室管理水平的一个标准。借助实验室安全教育系统，可以提高高校实验员的安全意识和素质水平，通过对相关知识的学习和体验可以针对实际情况进行方案总结，设计出一套适合自己高校实验室的管理条例。此外，还可以在实践中不断总结经验，根据实际情况与时俱进地对实验室安全教育系统进行更新，使之更加完善，更加方便师生使用和体验，进而提升整个实验室的安全管理质量和水平。

四、结论与展望

本课题基于VR技术，以生活中常见的防火安全问题、实验室常见的安全隐患以及火灾场景作为研究对象，开发出了一款针对高校使用的虚拟实验室安全教育系统。虽然实现了许多功能，但是由于时间有限，仍然存在不足之处，有待进一步研究。一是内容有待丰富。在未来的应用开发中，应着力于建立针对各个高校特有的火灾场景，让学生能够更全面的了解火灾情形，防患于未然。二是多媒体资源的优化。在目前的系统应用中，音效以及背景音乐的数量明显不够，多媒体资源的针对性、准确性和适量性有待提升。三是目前的系统对硬件要求相对较高，为了使体验更加方便，今后的努力方向应是能够满足更多平台和终端的发布。

总体来说，实验室安全教育系统的发布可以给高校的安全教育课程提供更加便利的教学方式，更重要的是能够将知识更加直接，更加深刻地传给学生。让学生们对其产生浓厚兴趣的同时学到理论知识才是本系统发布的真正目的，也希望这个系统的发布能够让更多的开发者认识到VR应用在教育领域的强大之处，进而推动VR技术在教育领域的应用，提升高校实验室的安全系数和管理水平。