VR技术在消防与应急救援技术装备课程实践教学中的应用

高仲亮 唐瑞 龙腾腾 李智 崔飞 王秋华

摘  要 随着社会的不断发展，VR技术的需求正在攀升，成为社会上被广泛认可的现代教育技术，可以提供安全、便捷的技术手段。通过阐述VR技术和虚拟教学的优势，并剖析现阶段消防与应急救援技术装备课程存在的问题，提出VR技术应用于消防与应急救援技术装备课程实践教学的优势，以期VR技术在高校教学中得到普遍应用。

关键词 虚拟现实技术;消防工程专业;消防与应急救援技术装备;实践教学;虚拟教学

中图分类号：G642    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）02-0043-03

0 前言

消防与应急救援技术装备是消防工程专业的重要课程，传统的纸质教学、多媒体教学以及实践教学很难达到良好的教学效果，特别是实践教学需要面对的安全、时间、经济及参与度等方面的问题，给课程教学和实践带来巨大难题，学生被动接受、积极性不高，学习知识存在抽象、片面、零散的问题，在实际运用中操作不规范、不熟练甚至不会，存在极大安全隐患。因此，该课程的教学改革迫在眉睫，需要一种全新的教学方式来提高教学的安全性、时间经济合理性以及学生的参与度。

目前，VR技术在国外消防安全教育领域的应用取得显著成效。例如：汉思沃斯消防局和安全教育中心研发的消防安全仿真模拟系统可使学习者在逼真的火场中开展训练[1];Colt Virtual Reality系统在普通人员的疏散训练、消防人员的灭火救援训练方面取得良好效果[2];美国Alabama

大学研究人员设计的虚拟训练系统使参训人员在反应速度以及设备操作上远优于未参加者[3]。我国在20世纪末开始将VR技术应用于消防训练，也取得很好的效果。例如：后勤工程学院开发的消防战术训练和坦克扑火经验系统实现了训练的交互性、及时性和实时可视化[3];北京工业大学基于3D实时渲染技术的虚拟火灾训练系统取得良好的实际应用效果[4];吉林省长春大学协同企业开发了校园安全演习教学和评估系统，提高学生和教职员工的自我安全意识[5]。

1 虚拟现实技术与教学

虚拟现实技术  虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是虚拟与现实融合的全新实用技术，是融合电子计算机、影像、多媒体系统、模拟仿真及其他电子信息技术产生的一种建立和感受虚幻世界的现代电子技术系统软件。时下VR技术在游戏娱乐、影视制作、医药学、国防、文化教育等领域均有涉及，尤其为教育培训行业引入新的活力。VR技术具备强大的模拟仿真能力，能够使客户体验到与真实世界难分真伪的环境，具备一切人们所有的感知，令人有一种亲临其境的感觉。VR技术的存有性、多感知性、易用性等特点使它受到众人的钟爱，其关键技术包含动态性自然环境建模技术、即时三维图形模拟技术、立体式显示信息和感应器技术、软件系统开发环境、信息系统集成技术，具备沉浸性（immersion）、交互性（interaction）、构想性（imagination）的特点。

虚拟教学  虚似教学是传统教学方式融入新技术的发展趋势，是人们进入网络空间开展文化教育与主题活动、塑造当代优秀人才的一种新型教学方式。VR技术主要运用于日常教学、仿真操作以及图书馆建设等方面。

1）日常教学。目前高校教育已普及投影仪、影像设备等多媒体平面教学，但已难以激发学生的热情、吸引学生的注意力。VR技术运用到教学中能改善上述不足，可将现实世界进行模拟构建并储存于VR系统，让学生使用VR装备进入虚拟世界去了解所学事物，在听觉、视觉、触觉等感官上得到最大限度的体验。虚拟课堂可在教师指导下将枯燥乏味的理论知识与仿真世界紧密结合，让学生理解消化理论知识并开展模拟实验。这种教学方式弥补了传统课堂教学和实践教学的诸多不足，如纸质和多媒体教学与实际不符，时间、空间、资源受限制等问题。虚拟教学可提高学生注意力、积极性，加深知识理解，提升学生自主学习与自我思考的能力，拓宽师生视野，提升教学效率。

2）仿真操作。传统实验和实践教学都需要到特定场所开展，且须拥有指定装备才可以实操，装备数量短缺、装备型号陈旧等问题导致学生积极性、参与度不高，实践操作不足，无法达到高效的学习效率。将VR技术运用到实践、实验教学中，学生可在模拟环境下通过系统提示独立完成操作，提升对知识的掌握、对装备的了解和运用，实时输出精准的实验结果。

3）虚拟图书馆建设。图书馆是高校重要的综合学习场所，存有各式各样、多种类型的丰富资料及图书，但传统图书馆在管理、保存、数量以及时效性等方面均存在不足。将VR技术应用于大学图书馆，可以完全立体地呈现图书馆资源，降低管理难度的同时，任何资料都可以在同一时间多人使用，查找方便快捷，大幅度提高资源使用效率。学习装备课程的学生也可更加充分地查阅相关图书资源和各种消防与应急救援新型装备。

2 现阶段消防与应急救援技术装备课程存在的问题

消防与应急救援技术装备是消防工程专业一门重要的专业课程，该课程的最大特点在于实践性强，要求学生掌握装备理论知识的同时，更要掌握消防、救援装备的现场使用。通過长期教学与实践、学生沟通、考试成绩分析以及教师课堂教学效果评估，发现该课程教学存在的主要问题包括：学生兴趣度低，学习认真程度不够;课程内容太多，课堂效果不理想;实践学习受时间、资源限制多，只有少部分学生能够参与，大部分学生只能观看，无法亲手操作;学生掌握的知识局限于客观、片面的理解;等等。现阶段，该课程以纸质教学、多媒体教学、实践教学等传统教学方式为主，存在很多偏差和局限性。

纸质教学  纸质教学是高校教育必不可少的环节。课本包含大量重要知识点，便于做笔记，但不便携带、容易损坏、知识含量有限且不可即时更新。这种教学方式枯燥乏味，难以吸引学生注意力，即使认真听讲也只能学到简单的理论知识，缺乏实际操作演练，难以掌握理解，达不到最终的教学目标。

多媒体教学  这是目前较为普遍的教学方式，优化了纸质教学，择优选取书本上的内容，通过投影仪、电子白板、音响設备等媒介展现给学生。在消防与应急救援技术装备课程教学中，利用多媒体影像功能，将各种装备的操作方式、注意事项以及实际运用中的各种问题等通过动画向学生展示出来，加深学生对注意事项的理解。然而，虽然多媒体教学解决了许多难题，但仍存在互动性弱、吸引力不强、参与性度不够等缺点，无法有效实现最终的教学目标。

实践教学  学生对所学装备进行训练、操作，具有吸引力大、互动性强、生动实用的优点。高校对于消防与应急救援技术装备这类实践性强的课程，往往受到装备更新及数量、时间、空间、资金等的限制，学生常常只能使用陈旧的装备或观看操作，降低了学生的积极性和学习效率，无法熟练掌握、使用每一件装备，很难达到预期的教学目的。

3 VR技术在消防与应急救援技术装备课程教学中的应用

VR技术能够在计算机上模拟所有的消防设施以及消防场景，并运用到消防与应急救援技术装备实践课程中。学生可以在教师的指导下进入虚拟世界进行消防装备的操作训练，具有不受装备更新及数量、时间和空间限制，以及安全、节约资金等方面的优势。

不受装备数量和更新困扰  在以往的实践教学中，由于仪器损坏和经费限制，总是存在仪器数量不足、老化严重、管理不当、数量不够等问题，教师会使用状况良好的装备进行现场指导，加深装备理解和使用，仅少部分学生能实际操作，大部分学生只能远远观看，无法实现全员上手操作。同时，由于装备更新不及时，实践课程操作的装备是书本介绍的前几代装备，导致现实操作与书本理论知识不符、缺少部分功能等问题。使用VR技术进行教学，系统开发人员会及时更新装备，避免陈旧装备教学导致的与所学理论知识不一致、装备功能不完整等问题，能有效解决装备数量不够的问题。同时，购买VR装备价格低廉，可节省大量购买装备的资金。

不受时间和空间限制  装备实操需要特定场地，比如消防水泵就需要到户外且有水的地方进行实操，需要提前与相关部门协商，安排实践课程具体时间。使用VR技术可以突破时间和空间的限制，学生不会受到外界因素影响，可提高学习效率。

提高学生学习兴趣  有些学生由于自身原因，在理论教学和实践教学中难以理解抽象的概念和原理，无法专心并且最终对学习失去兴趣。VR可以直观地向学生展示并使学生能够模拟在虚拟世界的装备操作，吸引学生注意力和兴趣，加深对装备操作的理解。

提高教学效率  VR技术在高校教学中的应用可有效提高学生的课堂参与率。利用虚拟环境模拟装备，使学生对装备进行有效的模拟训练，在较短的时间内完成装备的学习、了解，有效提高教学效率。

提升安全性  在消防与应急救援装备课程教学实践中，某些灭火设备和救援设备存在一定的风险，如逃生缓降、消防链锯、液压剪等设备运行过程中存在很大风险，甚至会构成生命威胁。使用VR技术可降低操作风险，消除误操作危险。

支持远程应用和管理  学生可以通过VR系统客户端自主进入系统，教师进行远程教学，与学生沟通，提升学习效率。

节省成本  实践教学需要通过反复培训来完成装备的学习和操作以达到教学目的，装备磨损、消耗品消耗、实践场地及装备维护保养、装备更新往往都需要大量资金的支持。VR技术可弥补实践教学存在的装备损耗、数量不够以及需要大量消耗品的问题。随着消防技术的快速发展，装备更新速度快，要教好、学好这门课程需要大量物力及经费，VR技术的应用能很好地解决经费问题。

4 结语

通过阐述VR技术和虚拟教学的优势，并从消防与应急救援技术装备课程存在的问题、传统教学方式的缺点等方面出发，提出将VR技术应用于该课程教学，由此带来提高安全性、节约成本、突破地域限制、消除外界因素对学习的影响、加深学生对课程的兴趣、培养学生自主学习能力、提高教学效率等优点。VR技术也可以应用于所有学科，学生在学习的同时也在检验知识，加强对知识的掌握。VR技术正在飞速地迈入教学领域，能很好地提高教学效率和质量，将逐步取代传统的多媒体教学，在高校教学中得到普遍应用。

参考文献

[1]王冠虎.基于虚拟现实技术的消防安全系统的研究与开发[D].天津：天津大学，2007.

[2]刘艳，邢志祥，刘伟.虚拟现实技术在消防模拟训练中的应用研究进展[J].消防科学与技术，2009（3）：214-216.

[3]李剑锋，张学魁.虚拟现实技术在消防训练中的应用[J].武警学院学报，2008（2）：80-82.

[4]刘昆，王广生.基于三维实时渲染技术的虚拟火灾训练系统设计[J].计算机应用，2005（8）：1962-1964.

[5]索金涛.基于虚拟现实技术的高校消防安全教育系统设计与实现[D].武汉：华中师范大学.2017.