ICT技术在灾害教育中的应用现状及发展趋势

刘明 顾鑫炳

1 引言

从2008年的特大低温冰冻雨雪灾害、汶川特大地震到2019年8月的超强台风利奇马，近十年来我国自然灾害频发，不仅给经济、社会带来巨大损失，还威胁民众的安全和生计（谭秀华等，2010），对我国公共安全提出了挑战（王东明等，2019）。2018年应急管理部的成立，优化融合政府机构职能，正是为了推动政府在突发事件全过程的应对能力，确保提供优质的公共安全服务（高小平和刘一弘，2018）。而灾害教育作为一种公共物品（徐璨，2019），是应对自然灾害，培养受教育者灾害意识，使其掌握防灾、减灾、救灾的知识与技能的教育，对于降低灾害风险和减少经济、社会损失具有重要的意义。在应急管理部组建到位后全面履职的第一年，应急管理部副部长孙华山特别指出要着力抓好四项任务，推动应急管理信息化跨越式发展，加强基础理论研究，推进先进技术研发应用。然而目前我国灾害教育相对日本、欧美等发达国家比较落后，公民的灾害意识薄弱、灾害防范知识欠缺、避灾防灾技能低下，且我国灾害教育方式也较单一，先进的信息通信技术应用较为欠缺。ICT技术（ICT，Information Communication Technology）是信息技术和通信技术相融合形成的一个新概念和新的技术领域，包括人工智能（AI，Artificial Intelligence）、虚拟现实（VR，Virtual Reality）、云计算、5G等信息通信技术，其为仿真模拟灾害、灾害信息交互、虚拟现实灾害演练、应急联动指挥平台的实现奠定了基础。为此，灾害教育亟需融入紧跟时代发展的ICT技术，开展有效的灾害教育，提高教育成效，从而降低灾害带来的损失。本文总结当前ICT技术在灾害教育中的应用情况，构建灾害教育系统架构，并从政府、学校、社会三个灾害教育主体出发，展望ICT技术在灾害教育领域的未来发展趋势，希望为ICT技术与灾害教育的结合研究提供借鉴。

2 ICT技术在灾害教育中的应用现状

灾害教育主要是指为应对地震、台风等自然灾害及其次生灾害，培养受教育者灾害意识，使其掌握防灾、减灾、救灾的知识与技能的教育。为提高受众的灾害知识水平和防灾减灾意识，减轻自然灾害的危害，灾害教育会采取多种教育、宣传、训练的方式和手段。传统的灾害教育尽管也会借助投影仪等辅助媒体展示灾害图片和文字，但这种形式机械，受教育者较为被动，互动性仍欠佳（郑维林，2010；Zong和Wang，2009），使得难以让被教育者切身体会到灾害，以致灾害教育效果欠佳。随着ICT技术应用的发展，信息通信技术也逐步应用到灾害管理当中，这为灾害教育应用ICT技术奠定了基础，而日常教学中ICT技术的应用加强，更是促使ICT技术借助学校这个载体加快了在灾害教育的应用。灾害教育是为灾害管理的减灾、准备、响应、恢复服务的，ICT技术在灾害教育的应用中也需要紧紧围绕灾害管理的四个组织阶段，从而针对性地为灾害教育提供素材与工具，达到防灾减灾的目的。

2.1 减灾和准备阶段

在减灾和准备阶段，灾害教育首先要帮助民众了解自然灾害，在常态下学习掌握灾害应对技能。自然灾害都具有明显的区域特征，通过多媒体教育软件可充分展现灾害的特性、历史，从而加强民众自身与灾害的联系。在中国信息通信技术发展初期，王瑛（2003）等人根据社会公众对中国自然灾害信息的需求，开发了《中国自然灾害》多媒体教育软件。该软件可以做到简单的人机交互，公众可按自己的兴趣和基础选择所要了解、学习的内容，同时利用多媒体技术使学习者多途径、多方式感受全国、区域自然灾害。而遥感技术（RS，remote sensing）的发展使得人们可以通过卫星实时获取地理数据，获取灾害实景图片等一手自然灾害影像资料。如在5.12汶川地震中，遥感影像在灾情信息获取、救灾决策和灾害重建中发挥了重要作用，这为灾害教育提供了宝贵的灾害影像资料。随着GIS（地理信息系统）引入教学，教学者便可借助便捷的互联网获取遥感影像，通过对比受灾前后的灾区卫星遥感图像，使学生一目了然地了解受灾程度（李雪莹等，2015；潘立新和黄成林，2008）。而VR技术与GIS技术的融合，使得空间数据真实呈现，在灾害教育中人们可从任意角度进行观察、浸入，与灾害实时交互，帮助受教育者在VRGIS平台中探寻紧急应对措施，更好掌握防灾、减灾技能。全息投影技术（front-projected holographic display）可以再现物体的影像信息，通过交互手段投射特定的灾害场景，可激发体验者的情绪与行为，反映人们灾害中的心理与抵御灾害的能力（胡雨霞和王上，2019）。交互式的灾害实景体验，可以帮助受教育者获得有效的防灾、减灾经验。ICT技术在灾害教育中的应用很好地普及了自然灾害知识，让民众系统认识了解灾害形成的机制，帮助其掌握备灾、应灾技能，从而达到防灾、减灾的目的。

2.2 灾害应急响应阶段

在帮助民众认识到自然灾害的特征后，灾害教育就会转向更细致深入的灾前准备与应急响应阶段，而ICT技术对于设计灾害应急响应信息系统具有深远的意义。城市信息系统通过包含城市基础地理信息、城市灾害信息地理灾害辅助及决策系统，将地震及其次生灾害危害性、区域规划、防灾体等融入其中，明了各自的相互作用关系（李志强等，2005）。而可视化灾害数字仿真将灾害数字仿真模型与GIS等空间信息技术有机结合，建立了灾害危险性分析模型、灾害波及范围模型、灾害损失预测模型等模型组（冯凯，2006），如房屋地震灾害三维仿真模拟（杜浩国等，2019）、泥石流灾害Web数据模拟与三维可视化（付怡然等，2019）、雷电灾害后电网全景可视化建模分析（王奇等，2019）。这为从灾害出发，围绕灾害进行生动有效的灾害教育指明方向。日本富士通也将ICT技术应用于灾害风险应急管理系统中，虽然ICT技术并没有直接应用于灾害教育，但通过“紧急联络/安否确认系统”实现灾害事件发展态势的有效预测，让民众了解灾害应急响应过程，这也将帮助灾害教育实践有效开展，丰富灾害教育的内容。此外，康宁（2011）以安徽淮河流域为例，建立三维GIS基础数据体系以及防洪减灾三维可视化决策支持平台，利用VRGIS平台实时监测、决策、指挥调度，从而减少洪水对生命、财产的损失。吴合义和黄宝香（2014）基于VRGIS平台插件式架构对火灾、地震、交通事故等灾害的应急指挥进行了功能构思。VRGIS平台的构建对于灾害教育模拟演练具有较强借鉴意义，可以提升灾害教育演练的真实性和体验感，丰富灾害教育的形式。

2.3 灾后恢复阶段

灾害教育现阶段极少涉及灾后恢复，仍以灾害发生前的预防、准备和灾中应对内容为主，涉及的灾后恢复阶段的教育对象多为护理人员等专业性群体。如利用虚拟现实模拟技术（VRS，Virtual Reality Simulation）创设虚拟灾害情境，通过VRS急诊室配置各类场景，对护理人员进行培训，培养强化其检伤分类、心肺复苏、跨学科协作能力。张娣（2019）研究发现VRS平台有助于提升急诊护理人员对未知灾害应急事件的处理能力，VRS的行为治疗有利于恢复受灾者的心理创伤。而Ngo等（2016）基于VRS的灾害培训课程则培养了一批灾害救护人员，十分有益于促进灾后重建。此外，侯建明与杨俊燕针对矿难灾后救援，基于Unity 3D 平台，利用VR技术开发了矿山救援虚拟仿真系统，并结合模拟对象IK骨骼动画技术和有限状态机, 实现人机自然交互。多场景模拟灾害救援场景，为救援人员的灾害教育取得良好成效奠定了基础。

综合上述分析，目前ICT技术尽管已有GIS、VR等部分技术应用于灾害教育，然而应用的ICT技术更多停留于系统概念与架构阶段，实际普及应用还不多，缺乏ICT技术在灾害教育全面系统的应用。为此，仍需要进一步加强ICT技术与灾害教育的结合，更好地将VR、AR、AI等前沿技术融入灾害教育当中，更有效地提升公民对灾害的认知，培养其具备良好的防灾素养，以强化社会减灾、准备、应急响应能力，减轻灾害风险。

3 ICT技术在灾害教育中的未来应用与发展趋势

ICT技术作为信息技术与通信技术相融合的新技术领域，在各个层面（政府部门、社会、学校）展开的灾害教育都发挥了一定的作用，是未来灾害教育开展所主要依托的技术手段。近年来，灾害教育也由之前较单一的防灾、减灾教育转向注重培养公民的灾害意识，使其掌握备灾、减灾、救灾、灾后恢复知识，从而正确进行灾害管理活动的全面的灾害教育，并且越来越注重实践性和仿真体验性。但是目前的灾害教育还停留在单一的灾害知识教育，实践演练也仅仅是一个限时的疏通逃离，机械简单，无法预判灾害突发民众的反应。因此，新的灾害教育需要满足仿真体验和信息交互要求，达到应对灾害的备灾、减灾、救灾、灾后恢复教育培训目的，这也将是未来ICT技术应用于未来灾害教育的方向和趋势。因此，灾害教育未来会在结合卫星遥感、GIS地理信息系统的基础上，进一步普及运用虚拟现实、增强现实、云计算、信息空间等新颖ICT技术，并通过AI人工智能与机器学习不断收集应用产生的现状数据，在运行环境中进行反馈，改进其应用的不足，从而提高灾害教育的成效。本文首先基于ICT技术构建了灾害教育系统，如图1所示，ICT技术灾害教育系统架构从上到下包括主体层（即ICT技术的灾害教育受众）、业务层、技术层与系统层（ICT技术的实践应用的两个层面）、数据库和运行环境（灾害教育反馈数据的存储、运行），然后从政府部门、社会（包括社区与家庭）、学校三个主体，结合备灾、减灾、救灾、灾后恢复四个方面出发，在ICT技术灾害教育系统架构基础上，对未来ICT技术在灾害教育中的应用与发展，以及存在的障碍进行展望。

图1 基于ICT技术的灾害应急教育系统

3.1 政府部门引导灾害教育

政府部门是灾害教育的引导与促进者，对于ICT技术应用于灾害教育，具有模范作用，相较于社会与学校拥有更多的资源，掌握着许多核心的信息通信技术，更能引领信息化灾害教育的发展。因此，ICT技术未来在灾害教育的应用与发展，政府部门需要承担系统设计的职责，打造全面的信息通信灾害教育模式。在备灾方面，需要储备抢险救援物资、饮用水、医药、避难场所、人员等，利用信息云空间可以更好地调度灾害发生时所需要的人力物资，结合物联网技术实时监测备灾资源的变动，使灾害突发时抢险救援物资、场所始终处于有效的备灾阶段。在防灾、减灾方面，灾害发生时政府部门人员是疏导群众、安排救援的指挥者，利用VR虚拟技术和AI人工智能，政府应急部门可以建立城市虚拟副本系统。市民可以借助VR眼镜与操作杆穿行于虚拟城市中，仿真模拟民众遇到危险第一反应，指挥者通过对应的灾害教育培训指挥市民穿行，达到应急疏散的目的。在VR技术评估人群面对灾害的应急预案成效后，利用人工智能达到信息交互，根据反馈所得的即时数据，找出不足和待完善的地方，进行多次反复模拟教育培训。同时数字城市的建设，促使基础地理信息数据化，使得政府建立系统的灾害管理模拟器成为可能。未来信息云、大数据平台等在灾害教育的应用，将会联动各个紧急行动中心，多组织、多部门联动演练，以便更好地还原个体在灾害场景下的逃生应对，提高灾害教育的防灾减灾效果。此外，政府部门还需要针对不同地区面临的灾害情况，因地制宜地去监测、预警当地频发的灾害，用对应的灾害信息管理系统去开展灾害教育。在救灾方面，政府部门灾害教育需综合考虑不同的人群灾害教育需求。如未来消防救援部门的灾害教育，应在强调安全技能培训的基础上，更多地提升消防救援人员的AR和红外热感应应用技术，从而在救灾时及时发现幸存者，规避毒气等不必要救援风险，保障救援人员的安全。医疗部门的灾害教育时，要加强对医疗人员实地医疗技术的培训，尝试AR远程医疗培训，以免救援人员因距离远而不能及时救治受灾者。此外，政府部门还可基于云环境，借助虚拟现实技术模拟重大灾害时期的受灾景象，利用人工智能与机器学习算法自动规划最为合理妥当的应急救援路线。在灾后恢复方面，借助灾后信息数据平台，可向受灾人员及时传达灾情处置与应对信息，加强受灾者的沟通，降低灾害带来的恐慌与不安。建筑信息模型与城市信息模型的应用，则可有效规划与重建灾区，提升灾区抵御或应对下一次灾害侵袭的能力。

3.2 社会有效参与灾害教育

社会作为灾害教育主体，主要包括社区与家庭，为此进行灾害教育需要面对不同的社群和群众类型，未来灾害教育需要根据不同的受教对象特点、灾害类型以及强弱程度进行差异化培训。ICT技术具有信息仿真性和交互性，VR安全教育可对特定的灾害教育接受群体和组织做出独特处理，例如沿海地区遇到的灾害多为台风、洪涝灾害，需要将灾害教育更多投入到台风、洪涝灾害当中，不能因地震的巨大破坏性，只做地震疏散演练模拟而忽视当地频发灾害的仿真模拟演练。同时信息仿真空间在还原洪涝、台风视觉基础上，也需要加强身体遇洪的阻力、压迫感等其他感官刺激，从而使人工智能与VR平台在教育培训的过程中提供即时反馈，及时修正现有灾害教育方案的不足。随着ICT技术的发展，社会进行灾害教育需将灾害实际课程迁移到网络，形成灾害教育网络教育平台，使灾害教育保持延续，民众可以通过互联网与移动互联网等平台随时随地学习灾害应对知识，了解灾害，熟悉灾害，加强民众灾害应对能力。社会也要借助丰富的信息通信技术，建立以社区为单元，家庭为联络中心点，兼顾个体的紧急联动网络，渗透灾害教育于日常生活中。每个家庭可配备紧急信号发射器，当手机等一般通信设备不能发挥作用时，启动灾害应急管理系统，以备地震等灾害发生时能够及时向外求救，让救援人员确定定位。

3.3 学校主体承担灾害教育

学校是受教育者接受系统教育的地方，教育对象多为行为习惯尚未成型的学生，学校主体承担灾害教育，可以让学生从小养成良好的防灾、减灾行为习惯。由于学生更容易接受生动形象的教育方式，特别是中、小学低年级学生，未来学校需注重灾害教育的实践性，开展灾害教育可结合VR技术构建灾害情境，AR技术增强现实，将虚拟灾害情境与真实世界巧妙融合，从而加强学生的灾害仿真体验，让学生切实感受到灾害发生的情况，及时消除他们在灾害中容易出现的不安，做好心理预防培训。鉴于学生存在在校时、往返学校途中、放假等多种状态，学校在进行仿真模拟灾害教育还可针对不同场景进行分场景差异化的实践培训，并借助信息交互平台收集灾害演练中各人员的行为数据情况，总结前一次的演练经验。当然学校灾害教育的实践，是建立在理论知识基础上的，为此灾害教育可应用GIS和遥感技术，更好呈现灾害原貌，进行灾害前后的动态对比，开发AR的灾害类图书，方便学生的教育学习。鉴于一般的学校灾害教育不可能具备VR、AI等ICT技术设备，为增加学生的直观体验，学校可多安排校外参观，去博物馆用VR技术沉浸模拟灾害环境，让学生预判自己在灾害中的应急反应；安排学生去灾区实地感受灾害的情况，既能帮助学生了解灾害，还可关心受灾者，培养学生灾害下的同理心；还可组织去消防救援部门参观学习热成像仪等新ICT技术的应用，增强信息化时代学生的灾害应对能力，弥补书本和网络教育的不足。

3.4 灾害教育应用ICT技术的障碍

当然ICT技术未来在灾害教育的应用中也存在着相应的障碍，障碍主要体现在制度、技术和意识方面。尽管我国90年代以来，已经先后出台《突发事件应对法》、《防震减灾法》、《防洪法》、《汶川地震重建条例》等法律法规，但各法律法规仍缺乏对灾害教育的明确规定，没有落实灾害教育的执行主体，灾害教育的实行多取决社会群体与地方部门的自觉性。这导致灾害教育流于表象，形式主义盛行，缺乏延续性与有效性，使得需要大量资金投入的ICT技术应用于灾害教育更困难。其次，由于信息通信技术多为前沿技术，如AR技术、AI技术与机器学习等虽是当前的研究热点，未来重点发展方向，但其技术的成熟度还不高，且应用范围还不是很广，灾害教育全面应用这些ICT技术还需相当长的时间。最后，由于灾害具有偶发性的特点，即便我国多次受自然灾害重创，民众对灾害的关注度仍旧不高，停留于短暂了解实时信息的阶段，缺乏基本灾害意识，这也阻碍了灾害教育的开展与ICT技术的应用。为此，中央政府应加强灾害教育相关方面的立法，给予制度上的保障，促进展开自上而下、全面、与时俱进的灾害教育，加强地方灾害教育的监督与指导。技术上，政府部门与企业应加强资金投入，促进高新技术产业部门进一步研发和改善ICT技术。高校科研机构也需深入探索灾害教育更有效的形式，促使ICT技术与灾害教育的融合。灾害教育是提高民众应对灾害、防灾、减灾能力的有效途径。为此民众也需要提高自己的灾害意识和信息技术水平，从而更好地接受信息通信时代下的灾害教育。