安全专业综合3D+无人机虚拟仿真教学体系的设计与研究

孙红伟 王小辉

[摘           要]  结合广东省实践教学基地建设经验，探讨了安全专业虚拟仿真教学体系建设，总结了安全类专业虚拟仿真教学特点。结合校企合作，介绍了虚拟仿真教学体系建设总体框架，安全专业教学资源库的建设内容、虚拟仿真体系教学设计、教学内容，以新的教学模式推动职业教育的1+X证书体制实施，彰显了安全专业虚实结合的教学特色。

[关    键   词]  仿真教学;虚拟仿真;教学模式;3D工厂

[中图分类号]  G712                 [文献标志码]  A            [文章编号]  2096-0603（2020）13-0114-02

安全专业涵盖化工企业安全管理、企业危险化学品管理、环境风险应急等方向，企业生产环境复杂、生产工艺危险性大，出于安全考虑，一般不会接收在校生进行实训，学校也无法将危险的生产车间搬进课堂。虚拟仿真教学就是基于虚拟现实技术所营造的虚拟仿真环境，并依据真实环境中的相关理论和实践操作规程在虚拟仿真环境中进行相应的设计、操作、验证和运行等的教学方式。安全专业的虚拟仿真教学体系可以避免实践教学的危险性，解决职业教育与就业岗位脱节的问题。

对此，栾飞、阎玉芹等人开展了“基于Unity3D的液压传动虚拟仿真教学系统开发”;陈静做了甲基叔丁基醚装置虚拟仿真教学软件的开发和设计;梁德福开展了“三维虚拟仿真技术在汽车维修教学中的应用”研究;刘尚明开展了“三维虚拟仿真教学模式在职业教育中的应用研究”;业红玲开展了“应用型本科院校汽车构造课程虚拟仿真教学系统设计”研究工作[1-5]。

一、安全类专业虚拟仿真教学特点

虚拟现实技术在各行各业的应用愈加广泛，教学仿真软件的开发在很大程度上打破了传统教学模式的束缚，为教育的改革带来了新的曙光[6-9]。

（一）高效率的教学

安全类专业职业教育特点：（1）需要对生产环境总体把握;（2）危险工艺及危险因素识别;（3）风险应急响应及处理;（4）事故救援与演练;（5）防火防爆。这些特点是无法从普通实验室的实训中完全实现的，同时，因为具有很大的危险性，学生参加企业实践有很大的风险，安全类专业实训经常与现实脱节。

安全类专业实训教学中需要考虑厂区环境、危险工艺、危险因素、应急处置、防火防爆等综合因素，实践教学困难重重。虚拟仿真技术的发展为安全专业实训提供了广阔空间，实践教学中，运用虚拟仿真技术设计教学活动，提高学习效率，营造学习氛围。

（二）低成本地塑造三维工厂

虚拟仿真教学设施包括设备和软件，投资比较大，耗时也比较长，目前的软件只提供某些固定的工艺环节及场景，无法做到真正的仿真。同时，在教学过程中，一套设备软件只满足一两门课程教学，教学过程缺乏系统的设计，资源没有科学的共享，造成资源浪费。

安全专业虚拟仿真体系在无人机拍摄基础上与计算机技术紧密结合，通过后期分析处理，利用3D等软件构建三维自动化模型，航拍后将生产中的工艺元素建成模，形成三维工厂，达到实地实时实践教学，在训练学生的同时，也可以为工厂提供技术管理资源，解决了目前大部分仿真实训只有演示功能的问题，由于3D+无人机技术结合成本低，实训素材可以随时航拍企业环境及工艺，资源丰富，将实际企业生产过程与理论和实验课学习进行有机结合，解决了目前虚拟仿真实训遇到的难题。

（三）安全环保

职业教育以“培养生产、建设、服务和管理第一线高素质技能型专门人才”为目标，在真实的岗位环境学习和训练是职教学生掌握技能的最佳途径。然而由于受资金、技术、时空、企业等客观因素限制，安全专业实训存在危险性及污染性，不宜实訓，校园无法为学生提供所有专业真实岗位的学习环境，也没有能力做到让所有学生都获得充分“操作”的机会，造成所学知识与技能跟不上行业潮流。

基于安全专业有关的虚拟仿真教学体系借助于虚拟仿真手段，使不可及、不可视、高风险、高污染等操作过程变得直观形象，更具可操作性，充分发挥教师的主导作用和学生的主体作用，培养学生的实践能力和创新能力，避免了污染与危险。

（四）校企合作特色课程

学校与企业合作，实时更新改进虚拟实验教学素材，融入模型化的数据，并与VR等设备匹配，搭建虚拟仿真技术实现教学平台，研究设计改进实训环节，形成联动机制，建设包括虚拟企业、虚拟场景、虚拟设备以及虚拟项目、生产工具、生产对象、生产场景、基地管理制度等实践教学特色课程。

二、安全专业虚拟仿真教学体系总体框架

从安全专业学科整体考虑，科学合理地设计虚拟教学课程标准及教学方法，通过研究设计，形成安全类职业实训虚拟仿真教学课程体系、课程标准、整体设计及实训指导。

虚拟仿真教学体系以安全类主体课程为研究基础，将安全专业课程危险化学品安全技术、工艺单元运行安全技术、风险应急管理、消防安全、防火与防爆安全技术、建筑施工安全技术、环境工程技术、机械安全技术融合成一个整体，课程之间可以相互借鉴，取长补短，有机结合。

采用人机拍摄+VR+3D技术构建逼真的实验操作环境和实验对象，使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中进行高效及安全且经济的实验，进而达到真实实验不具备或难以实现的教学效果，达到安全专业教学改革的目的（教学总体框架如图）。

三、安全专业虚拟仿真教学体系教学内容设计

（一）教学设计

安全类专业虚拟仿真教学设计研究首先从企业调研与职业岗位分析着手，以职业岗位真实的工作任务及其工作过程为依据，整合、序化教学内容，精心设计教学过程，充分利用虚拟仿真技术，真实地再现和模拟现场工作情境。教学设计过程中，实施素材收集制作，虚拟实验软硬件协同，逐步形成课程体系、课程标准，建立安全类专业虚拟仿真教学平台，具体内容包括如下几个方面。

1.确定教学目标和教学内容。与企业现场专家和工程师进行专业岗位能力分析，了解相关职业岗位的任职要求和职业能力需求。

2.以职业能力需求为依据，以工作过程为导向，确定职业岗位所需的专业能力、方法能力和社会能力等职业能力目标以及职业岗位能力所对应的知识目标。

3.按照需求分析阶段所设计的职业能力目标的类型和层次，将这些典型工作任务进行整合与序化，设计出难度适中的典型学习任务，明确虚拟仿真教学方向，虚拟仿真教学环境设计，为虚拟仿真教学平台开发奠定基础。

4.根据前期设计收集制作仿真实验软件素材，采用无人机技术收集素材，使用3DsMax等软件来制作三维工艺及动画，利用VR交互设备结合软件开发教学系统。

5.建立安全类虚拟仿真教学实验平台。按照教学任务设计中确定的典型学习任务，确定虚拟仿真教学平台的功能、组成结构和技术路线，设计具有安全技术管理特色的3D虚拟空间，实现生动立体的场景展示、模拟、体验、互动的一体化实验功能。

（二）教学体系内容

安全专业虚拟仿真教学体系内容包括以下几个方面。

1.结合企业岗位，制定安全类专业课程实践教学标准，包括危险化学品安全技术、工艺单元运行安全技术、风险应急管理、消防安全、防火与防爆安全技术、建筑施工安全技术、环境工程技术、机械安全技术等课程，根据课程需要走访相应企业，利用无人机航拍技术，收集关键工艺及厂房的图片数据，利用3Dmax等软件将图片数据三维化、模型化，形成安全类专业虚拟仿真教学资源库。

2.以单门课程为基础，建立开设虚拟仿真实训的模块，设计单门课程虚拟仿真实验实训教学课程标准，在单门课程的仿真实训方案的基础上，以安全类专业为整体，开设公共虚拟仿真实训课和各门课程的特色实训课，制定综合课程标准，形成虚拟仿真实验实训教学综合体系。

3.以安全类专业特色为起点，建设虚拟仿真实验实训系统平台，统筹管理安全类虚拟实训实验课程开设，整理建设成果，建设安全类虚拟仿真教学资源库。

四、结束语

安全类虚拟仿真实验教学系统研究成本低，方法灵活，可以在其他专业推广，加快信息化教学的进度。安全类虚拟仿真实验教学课程标准研制，填补了该领域的空白，应用推广价值非常高。

随着高职院校1+X证书教学改革的推进，职业教育技术应用水平的不断提高，安全专业虚拟仿真教学系统为安全专业教育提供了一体化虚拟实践教学模式，结合校企合作，实现人才培养的双向互助，在为学生带来更优的学习效果的同时，提升了职业院校的社会服务能力。

参考文献：

[1]仲崇军.基于沉浸式虚拟现实的电力安全培训应用研究[D].北京：北京工业大学，2013.

[2]王曉雨.沉浸式虚拟3D敦煌莫高窟场景重现技术研究[D].西安：西安工程大学，2016.

[3]雷文.沉浸式C66车床尾座虚拟仿真教学系统的研发[D].山东：山东建筑大学，2015.

[4]王金岗，林磊.工学结合模式下虚拟仿真教学系统设计[J].职教论坛，2013（7）：26-29.

[5]栾飞.基于Unity3D的液压传动虚拟仿真教学系统开发[D].山东：山东建筑大学，2015.

[6]王玉峰，曹亮.虚拟现实关键技术与前沿应用[J].中国工业评论，2016（8）：40-47.

[7]Jin Fang Li，Han Wu He， Hao Huang，Jun Lei.Research on Key Techniquesof Virtual Arthroscopic Knee Surgery Training System[J]. Applied Mechanics and Materials， 2012，2025（220）：135-143.

[8]周明全.虚拟现实高潮迭起VR教育前景可观[N].中国电子报，2016-06-14.

[9]王金岗，林磊.工学结合模式下虚拟仿真教学系统设计[J].职教论坛，2013（7）：26-29.

编辑 武生智