混合现实学习环境下 通用技术实验安全教育探索*

宋燕 曹蕾

摘   要：在高中通用技术课程中，部分实验存在一定的操作安全风险，如何提高实验参与人员的事故防范意识和危险事故处理能力成为亟待解决的问题。基于此，文章设计了混合现实学习环境下的实验安全教育系统。该系统包含通用技术实验操作中涉及的安全教育问题，采用HoloLens 2提供全息说明，包括图像、视频和 3D 全息模型，引导学习者在更具真实感且安全的学习环境中训练实验操作、应急事故处理等技能。文章通过单向台钻“钻孔”操作应用实例验证了该系统的实用性和有效性。

关键词：混合现实学习环境;教育系统;通用技术;实验安全教育

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2020）17-0029-04

一、引言

《教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见》对加强实验教学等工作提出了五个方面的明确要求，其中一项提到要创新实验教学方式，各地各校要丰富实验教学实施形式，促进传统教学与现代新兴科技有机结合，切实增强实验教学的趣味性和吸引力。对于有危险性、破坏性和对环境有危害的实验，可用增强现实、虚拟现实等技术手段予以呈现[1]。

有研究通过统计分析 2001 年以来的 100 起典型实验室事故的发生原因，得出违反操作规程或误操作是导致事故发生的主要原因，同时造成的人员伤亡也最多[2]。实验安全事故的频发给人们敲响了警钟，加强实验安全教育培训可以在一定程度上降低实验安全事故发生的风险。通用技术学科是一门立足于实践、注重创造、高度综合、科学与人文融合的课程[3]。课程的基本目标是提高学生的技术素养，强调学生在“做中学”的教学模式，开展探究性学习。例如：熟悉一些常见材料的属性及加工方法，能根据设计要求选择材料和工具，能根据设计方案制作产品或模型。在这类课程的学习中，实验内容涉及较多危险性高的实验器材，实验过程中不可控因素较多，一旦发生事故具有很大的危险性，因此，大多数学校基本上不会在日常教学中让学生实践体验和操作。

高中通用技术安全教育通过课堂教学、知识竞赛、宣传活动等方式补充进行，容易造成学生阶段性感受，很难给学生留下深刻、长远的影响。遇到突发安全事故的应急处理能力训练仅仅停留在理论层面，没有进行各种紧急事件的模拟演练。随着信息技术的发展，越来越多的新技术运用在实验安全教育中，其中混合现实技术构建的学习空间更加真实、丰富、生动和个性化，为学习者提供了深度互动且灵活多样的学习空间。本文构建了一套“基于混合现实学习环境的实验安全教育系统”，旨在提高学习者的实验安全意识和实验操作能力，更加直观地理解和学习通用技术学科中的实验操作课程。

二、混合现实学习环境下实验安全教育系统框架

1.实验安全教育场景构建

实验室安全涉及人、财、物、制度等多方面内容， 具有一定的复杂性[4]。通用技术实验室是一个能让学生亲历技术试验和制作过程，掌握技术试验能力和制作能力，培养学生的创造性思维、问题解决能力和探究精神的实验室[5]。

通用技术实验室的设备都不同程度地隐藏着一些危险因素， 这些危险因素如不加以防范， 就会发生危害事故， 造成伤害， 因而在学生进行通用技术实验时，必须加以特别注意与防范[6]。陈凯老师认为实验风险分为五种：实验药品危险性、实验操作不当、实验仪器潜在问题、反应不确定、事故处理不当[7]。对通用技术课程实验要求中的实验进行分析归纳整理，得出如表1所示的实验操作风險场景。

2.实验安全行为训练流程

混合现实学习环境是一个利用混合现实技术构造起来的计算机支持的学习环境。在该环境中，来自真实世界和虚拟世界的各种对象被整合到一个单一的学习进程中[8]。范文翔、赵瑞斌在研究中通过混合现实学习环境和虚拟现实学习环境、增强现实学习环境进行对比。得出混合现实学习环境是虚实融为一体的，它不仅能支持学习者同时与真实或虚拟世界进行自然交互，而且其虚拟空间与现实空间的内容也是可以进行交互的[9]。这种创新的、无缝的人机交互学习空间，为教育领域提供了广阔的应用场景。

混合现实系统具备三个主要特征：现实与虚拟世界结合、实时交互性和精确的匹配性。而且混合现实的图像可以进行各种渲染、放大、切割和选择性虚化掉影像观察的部位，在实验中可以更加精确地观察操作的设备和工具。与虚拟现实、增强现实相比，混合现实是一种更偏实用性的技术，对实验操作的训练提供了更优质的技术支持。

混合现实学习环境下的实验技能操作可分为四个阶段：认知阶段、分解阶段、联系定位阶段、自动化阶段。如图1所示。

认知阶段主要是理解学习任务，在混合现实学习环境中，导入自定义的实验安全图像、视频、3D模型在Microsoft Dynamics 365 Guides 中，通过提供全息说明，学习者可以看见要完成的任务和具体的执行位置，通过观看文字、图片、3D动画演示等方法认识设备各部分的结构、各部件功能及工作原理，促进认知阶段中学习任务的理解和陈述任务的相关步骤。

分解阶段将整套动作分成若干分解动作，学习者进行初步尝试、逐个学习。在系统中可以分步骤练习设备中各部件的操作方法，由观看演示操作转到对应的操作任务实践，实践过程中有操作错误时，将收到错误操作提示，学习者通过反馈的错误操作提示信息，再次重复训练，直到操作规范且标准。

联系定位阶段让刺激与反应形成联系并固定下来，整套动作联为整体，变成固定程序式的反应系统。在掌握技能操作步骤的基础上，可以将分解的步骤联系起来。通过Azure Kinect传感器感知外部环境信息，利用Hololens 2 的手势识别，通过移动、旋转等方式进行训练。通过微软云服务中的Azure远程渲染，呈现出更完整全面的细节，选择不同的实验场景和训练内容，进行反复练习与强化，达到掌握技能的目的。学习者在系统中进行完整操作训练任务，有两种模式可以选择：一种是通过HUD面板呈现整体操作教学演示，并进行分步骤引导训练学习，训练过程中呈现常见安全事故提示;另外一种是学习者进行自由训练，在操作过程中系统会对错误操作进行提示以及对实验事故危险进行模拟。

自动化阶段是动作技能形成的最后阶段，是一长串的动作系列联合成为一个有机的整体并巩固下来。系统通过考核的方式来对特定的学习成果进行检验，混合现实学习环境中的考核模块设置了实验相关的标准数据，通过采集行为数据信息与标准之间的差距，由此来判断学习者的技能水平层次。

3.实验安全教育系统架构

基于混合现实学习环境的实验安全系统架构主要是由应用层、交互层、数据层构成，如图2所示。

应用层中HoloLens 2 提供具有极强沉浸感的舒适混合现实体验。通过Hololens 2运行系统中的具体应用，呈现实验安全教育引导方案。

交互层包括了扫描模块、端口模块、传输模块、显示模块和交互模块。扫描模块用于测量学习者的外部环境数据，应用层通过扫描模块将收集到的各类信息传输到数据层;端口模块主要是用于接收用户的操作数据;传输模块主要是实现学习者与数据层的用户数据交互和三维模型交互;显示模块是为了显示操作过程中的全息说明和数据信息;交互模块在实验操作过程中进行缩放、旋转、移动等交互操作，基于ToF 深度感应器，可以通过眼部追踪、手势识别、语音识别等灵敏而准确地识别学习者的实验操作行为和操作倾向，包括用户信息、行为数据、用户学习时长等。

数据层包括用户数据库、实验模型数据库、安全预案数据库、实验流程数据库、操作引导数据库、评价体系数据库。其中用户数据库包括用户数据记录和用户操作记录。用户数据库中的用户数据记录包含用户在系统中的学习时长、次数、比率等信息，其中学习时长可以细分为听课时长、互动时长、平均单次互动时长。学习的次数分为重复听课次数、操作中跳转的次数、学习次数、错误相关次数、中斷次数。学习的比率指的是听课完成率，主要是指学习者在混合现实学习环境下学习过的内容和全部课程内容的比例。实验模型数据库模块主要是存储实验工具模型、防护器材模型、设备仪器模型等。安全预案数据库中对安全风险较高的实验操作过程提供了应急处理方案，事故发生时可以提供指导，有利于培养学习者的应急处理能力。实验流程数据库在学习者实验操作学习过程中提供引导，帮助其系统、全面地学习实验操作。操作引导数据库将实验操作过程以三维动画的形式展示出来，利用HUD面板显示，实时引导操作者进行实验操作的学习和训练。评价体系数据库是对实验操作过程和实验操作成果进行形成性评价和总结性评价，通过评价体系进行考核的方式可以对实验安全行为技能的学习进行检验，由此来判断学习者的技能水平。

三、混合现实通用技术实验安全教育实例

通用技术课程的基本理念是关注学生的发展，着力提高学生的技术素养。通用技术学科中“技术与设计1”中涉及模型或原型制作，常用的工具和设备包括钢直尺、手锯、台钻，操作时需要注意力高度集中，要注意对面部的防护，也不能带手套进行操作，在整个教学过程中，学生需要亲自动手去做出一个真实的物件，这一实验对于学生来说是零的突破。有的实验器材学生是第一次见，从陌生到熟悉再到通过机器做出器件，这一过程的跨度很大，需要耗费大量的时间、精力、人力、物力和财力。除此之外，通用技术实验安全注意事项多，实验过程不确定因素较多，实验风险大、成本高，也进一步阻碍了通用技术课程的开展，导致通用技术学科的课程目标和实践落地之间还有差距。

基于混合现实学习环境下的实验安全教育系统，让学生直接参与到技术活动之中，形成理性的、系统的认识。以通用技术课程中《钻孔》实验教学为例，常用的钻孔设备是台钻，在金属板上钻两个相距10cm、直径为4mm的小孔，钻孔的具体训练操作流程如图3所示。

（1）学习者首先确认混合现实设备Hololens 2眼镜运行正常。载入系统数据库，学习者通过人机交互模块选择连接进入系统，佩戴好虚拟防护眼镜，以免钻屑飞出伤害眼睛，观看实验操作注意事项和安全须知。

（2）通过人机交互，选择钻孔实验操作训练。系统从数据库中载入钻孔实验操作引导方案和步骤所需工具、材料以及设备。学习者通过混合现实学习环境中的HUD面板提示，可以看见要完成的任务和具体的执行位置，可以让学习者更快地完成练习，尽可能地减少错误。

（3）学习者根据钻孔实验操作引导方案中的提示，按照步骤进行实验操作。操作过程场景图如图3所示，其中图3（a）为划线定位，用中心冲在工件上冲中心点;图3（b）为装夹工件，用台虎钳或手钳夹紧工件;图3（c）为装夹钻头，选择适合的钻头，将其正直地装夹在钻头夹上，并装紧钻头;图3（d）为钻孔，需扳动手柄，对准冲眼，启动台钻，加压进给。

（4）检验操作成品是否合格。如果合格，则训练结束，退出界面;如果不合格，利用用户数据库记录的学习者行为信息生成操作分析报告，对用户的操作行为及时反馈，并通过人机交互选择重新进入训练模块。

（5）如实验中出现学习者操作不当，造成安全事故，系统会调取数据库中的实验预警方案对学习者进行引导，训练学习者的应急操作能力，提高学习者的实验安全事故处理能力。如实验中出现数据库中没有录入的意外伤害事故，可以通过连线远程教师的方式，远程引导解决。

通过在混合现实学习环境中进行动作技能的学习与训练，学习者将多通道的自身感知与混合现实学习环境建立联系，在虚实结合的环境中让动作技能的操作学习更加具有沉浸感和真实感，对于安全教育的学习也更加系统和全面，有利于培养学习者的实验操作技能和安全知识素养。在安全思想教育方面，相比传统的实验教学过程中教师通过看视频或者口述等其他方式描述实验中存在的危险，引起学生恐惧心理，混合现实学习环境可以模拟多种实验安全事故，让学习者更真切地感受到实验安全知识的重要性。在安全知识教育方面，通过3D动画展示安全知识，远程协同指导的方式更有利于安全知识内容的学习。在安全技能教育方面的实验安全技能学习过程中，学习者能更加高效、安全地练习并且获得及时反馈。同时，混合现实环境相对于虚拟现实环境及增强现实环境更具真实性，有助于学习者学习行为的迁移，提高了学习者的综合实验能力和应对突发安全事故处理能力，更大程度上避免了实验安全事故的发生。

四、结束语

实验安全教育一直是安全教育领域的重中之重。利用混合现实技术，在混合现实学习环境中进行实验安全教育，借助Hololens 2设备构建的混合现实学习环境下的实验安全教育系统，通过眼部追踪、手势识别、语音识别等交互形式，实现了混合现实学习环境与学习者的融合。可借助数据层中形成的实验安全教育引导方案，系统、全面地进行实验教育指导。通过系统中的评价体系对实验安全行为技能的学习进行检验，实现对实验技能的多维度测量。该系统有效地提高了实验安全操作的安全和效率，可以推广利用到其他实验操作安全教育领域，但目前实验模型构建、系统功能适用性较为单一，后续还需进一步研究和完善。

参考文献：

[1]教基[2019]16号.教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见[Z].

[2]李志红.100起实验室安全事故统计分析及对策研究[J].实验技术与管理，2014，31（4）：210-213.

[3]王平.对信息技术与高中通用技术教学整合的研究与思考[J].中小学电教，2011（6）：65-67.

[4]张敏，刘俊波.高校实验室安全管理现状与对策研究[J].实验技术与管理，2018，35（10）：234-236.

[5]赵薇.北京市普通高中通用技术专用教室建设与管理现状分析[J].中国教育技术装备，2011（8）：39-42.

[6]党建伟.通用技术实验室的安全管理[J].教学仪器与实验，2010，26（11）：3-5.

[7]陈凯，魏冰，陈悦.化学优质课的科学风险的内容分析[J].化学教学，2019（2）：14-19，30

[8]黄红涛，孟红娟，左明章，郑旭东.混合现实环境中具身交互如何促进科学概念理解[J].现代远程教育研究，2018（6）：28-36.

[9]范文翔，赵瑞斌.数字学习环境新进展：混合现实学习环境的兴起与应用[J].电化教育研究，2019，40（10）：40-46，60.

（编辑：王晓明）