基于VR技术的儿童用电安全教育仿真系统设计

王爱军

（1.常州纺织服装职业技术学院 创意学院，江苏 常州 213100；2.安徽国防科技职业学院 信息技术学院，安徽 六安 237000）

0 引言

意外伤害是威胁儿童健康和安全成长的重要因素，据世界卫生组织和联合国儿童基金会发布的《世界预防儿童伤害报告》显示，全世界每天有2 000多个家庭因非故意伤害或“意外事故”而失去孩子，从而使得这些家庭支离破碎［1］.儿童意外伤害主要有：水的伤害、道路交通的伤害、火的伤害以及电的伤害等，而其中儿童因电意外伤害的数据不容轻视.据现代教育2020年网络数据显示：少年儿童因触电而死亡的人数占儿童意外死亡人数的10.6%［2］.2020年4月，习近平总书记就安全生产作出重要指示强调：要针对安全生产事故主要特点和突出问题，层层压实责任，狠抓整改落实，强化风险防控，从根本上消除事故隐患，有效遏制重特大事故发生［3］.为认真贯彻落实习近平总书记重要指示精神，推动安全教育从小抓起、及早抓起，将安全理念根植入脑、入心，进一步夯实安全基础，基于虚拟现实技术构建一个儿童安全用电教育仿真实验平台，提升儿童用电安全教育效果，具有十分重要的意义.

虚拟现实技术目前广泛应用于游戏、医疗、教育等行业［4］.在儿童安全教育需求驱动下，虚拟现实技术被研究人员提出，但只有将这些研究部署到硬件环境中，才能真正验证研究的有效性.基于上述原因，本文提出一种儿童用电安全教育仿真系统的开发方案，利用C#脚本设计完成交互动作处理，为儿童提供一个可沉浸的用电安全教育交互媒介，加深儿童对用电安全知识的理解，提升儿童对用电安全突发状况的应急处理认知，并将仿真实验平台应用推广至各学前培训机构、义务教学机构，作为儿童安全教育的素材载体.

1 整体设计

1.1 工具与方法

本平台制作主要利用Unity 3D、3DMAX、Photoshop、Vive等软件及工具完成，首先，运用3DMAX软件完成主场景、角色、道具制作；其次，运用Photoshop软件协助材质纹理等制作，再在三维制作软件中赋予材质，初调灯光及渲染，以FBX文件格式导出并导入至Unity 3D软件［5］，修整灯光及渲染，进而利用程序语言完成交互动作设计；最后，演示、调试并生成.

1.2 交互设计

根据儿童活泼、好奇心强又不喜文字说教等的性格及行为特点［6］，依据常见儿童居家用电安全隐患类别，将平台交互设计方案确立为三道可沉浸交互体验的闯关游戏关卡.儿童以游戏玩家身份完成交互体验，进而熟知三个用电安全警示，主要内容为关卡一：不要用手指和硬物抠插座插孔，如使用，则闯关失败；关卡二：不要用剪刀等剪断电线，如使用，则闯关失败；关卡三：有人触电后，要设法及时关闭电源，如直接触碰触电人员，则闯关失败.

儿童安全用电教育仿真实验平台具体运行流程是：进入主界面，主界面显示“安全用电小游戏”标题文字，点按Vive手柄触发文字，随即弹出三个附带不同图案和文字的选项，分别是：带有插排图标的关卡一选项，带有剪刀图标的关卡二选项，带有当心触电图标的关卡三选项.此时，玩家可任意点击一道关卡，不分先后顺序，如选择关卡一，画面随即跳转至室内场景，餐桌位置有一绿灯点亮电插排，插排旁边放置有小铁棒，2秒后画面弹出文字选项：1拾起铁丝抠插座或徒手抠插孔；2关闭插座开关.使用Vive手柄选择选项1，随即可使用右手手柄抓取铁丝并插入插座或直接触碰插孔，此时弹出“闯关失败”文字及音频提示，2秒后弹出文字警告并伴随音频提示：“用电安全请谨记：不可用硬物或徒手抠插座插孔，谨防触电危险！”2秒后，跳转回到室内场景，玩家继续使用Vive手柄选择选项，如选择选项2，随即可使用右手手柄点按在开关按钮上，此时弹出“你真棒！恭喜你闯关成功.”文字及音频提示，并同时伴随悦耳轻快的奖励音效.2秒后，跳转回到主界面，此时，玩家可继续选择未完成的其他闯关关卡，如选择关卡二，画面随即跳转至室内场景，餐桌位置有一绿灯点亮电插排，插排旁边放置有剪刀，2秒后画面弹出文字选项：1拾起剪刀剪断电线；2关闭插座开关.使用Vive手柄选择选项1，随即可使用右手手柄抓取剪刀剪断（触碰）电线，此时弹出“闯关失败”文字及音频提示，短暂时间后弹出文字警告并伴随音频提示：“用电安全请谨记：不要用剪刀等剪断电线，谨防触电危险！”2秒后，跳转回到室内场景，玩家继续使用Vive手柄选择选项，如选择选项2，关闭插座开关，随即可使用右手手柄点按在开关按钮上，此时弹出“你真棒！恭喜你闯关成功.”文字及音频提示，并同时伴随悦耳轻快的奖励音效.2秒后，跳转回到主界面，此时，玩家可继续选择未完成的其他闯关关卡，如选择关卡三，画面随即跳转至室内场景，此时室内场景有人倒地，画面显示警告文字“有人触电，请选择：1直接检查触电人员身体情况，2关闭电源开关”，使用Vive手柄选择选项1，随即可使用右手手柄触碰触电倒地人员，此时弹出“闯关失败”文字及音频提示，2秒后弹出文字警告并伴随音频提示：“用电安全请谨记：不要直接触碰触电人，请设法关闭家用总电源，谨防触电危险！”2秒后，跳转回到室内场景，玩家继续使用Vive手柄选择选项，如选择选项2，随即可使用右手手柄点按在墙面电源按钮上，此时弹出“你真棒！恭喜你闯关成功.”文字及音频提示，并同时伴随悦耳轻快的奖励音效.2秒后，跳转回到“安全用电小游戏”主界面.运行流程如图1所示.需要注意的是：玩家初次进入主界面选择一关卡开启当前闯关游戏后，如当前关卡闯关失败，系统自动跳转至当前关卡，所有关卡都需至少完成一次，成功闯关后可方可跳转至开始主界面，否则无法跳转至主界面.

图1 儿童用电安全教育仿真系统运行流程图

2 系统实现

2.1 角色预制体

为了增加平台交互带来真实感及沉浸感，平台运行以第一人称视角方式展开，效果如图2所示，即当玩家进入游戏自动带入（匹配）角色视角、操控（交互）.这需要在Unity 3D软件首先创建一个角色预制体，调用插件并创建相应控制脚本用以达到玩家佩戴头盔即可实现第一人称视角的目的［7］，这里具体操作主要分为三步：第一步，通过调用Character Controller组件以实现角色移动，Character Controller组件同时可以检测到角色预制体是否在地面，我们创建一个名为Move.的脚本并将其挂载到角色预制体上，这样角色首先可实现移动；第二步，为摄像机添加视角旋转代码，通过GetAxis（）获取位移，注意限定显示上下、横向视角旋转范围；第三步，创建一个名为Follow Rotation.脚本实现角色预制体跟随视角旋转，并将此脚本挂载到角色预制体上.

图2 第一人称视角运行效果图

2.2 音频控件

在平台中闯关关卡运行交互后都需触发音频提示音，如在关卡一中，当玩家拾起铁丝或徒手抠插孔交互动作完成后，随即出现音频提示音“闯关失败”，2秒后出现提示音“用电安全需谨记，不可用硬物或徒手抠插座插孔，谨防触电危险！”.这里需要提前录制好音频文件，随后创建音频触控脚本并将该脚本挂载到插座上，当玩家触碰到插座，2秒后即可触发音频播放控件，具体方法是：第一步在Unity 3D软件中创建一个Canvas控件，执行Assets下Custom Render Texture菜单命令，随后执行GameObject下Video Player.第二步创建名为Auto play.脚本并将其挂载到插座上，其程序设计流程框架如图3所示.

图3 音频播放系统设计流程

2.3 抓取与释放

平台中设置了抓取（触碰）、释放交互操作，其原理就是把插座做成触发器，当人物碰撞到插座，触发器便可检测到碰撞，继而触发下一逻辑.要模拟抓取和释放物体操作，就需要调用SteamVR plugin［8］，同时为物体添加Rigidbody刚体组件、悬停事件Interactable Hover Events等.具体方法是：首先为插座添加碰撞器并将其设置为trigger模式，这里只检测碰撞，不改变其运动；其次为玩家加上碰撞器，同时为玩家添加刚体组件；第三步设置玩家预制体及插座矩阵，对手柄进入、离开、拾取、放下进行事件处理；最后玩家抓取（触碰）到插座，即可运行下一逻辑，其程序设计流程框架如图4所示.

图4 抓取系统设计流程

在设置抓取动作时，是否能够实现手柄精准抓取动作是本系统交互设计的关键，所以，精准判断碰撞体的位置以实现后续动作是该交互设计的前提条件，因此，在程序写入时加入了相对比较成熟的模糊算法，以帮助VR手柄能够较为精准拾取物体.

2.4 文字提示

为了加深平台教育效果，每道关卡游戏中在设置音频提示同时弹出相应文字提示，例如关卡二，当玩家闯关失败，对应弹出“闯关失败”文字提示，2秒后弹出“用电安全请谨记：不要用剪刀等剪断电线，谨防触电危险！”文字警示.这里交互设计逻辑与音频提示处理方法相似，我们需要为电线或插座设置碰撞体，当玩家手持剪刀碰撞到电线或插座，即可认定剪刀与电线或插座发生了碰撞，随即运行文字提示这一逻辑.这里需要编写一个用于监听角色Postion的脚本，并将其挂载到角色预制体上.其系统设计流程框架如图5所示.

图5 文字提示系统设计流程

2.5 系统发布

在Unity3D中进入File菜单并执行Build Setting命令，随即选择PC平台，点按Build生成，完成后即可生成.exe系统文件.在PC端佩戴虚拟现实硬设运行平台，体验者将以玩家身份进入游戏关卡.需要提出的是，由于平台交互动作是基于固定虚拟现实硬设开发，运行平台应作要求，其具体配置建议参数见本文3.1部分，平台运行效果如图6所示.

图6 用电安全教育仿真系统运行效果图

3 实验与结果

3.1 测试平台

本平台基于图形工作站、Vive Pro2开发及运行，运行本平台的操作系统为Windows 7 SP1以上版本，向上支持Windows 8、Windows 10系统，建议使用Windows 10作为软件运行环境.其硬件配置如表1所示.

表1 运行VR硬件环境配置

3.2 测试结果与分析

3.2.1 功能性测评

佩戴Vive通过运行平台.exe文件进入系统主界面，选择界面首页出现的三个游戏关卡中任一关卡进入，通过Vive操控手柄实现交互.各项功能性测评结果如表2所示.

表2 功能性测评表

（1）行走及漫游测试.玩家（主体）可以在场景中通过行走、转头实现沉浸式体验，让体验者置身于室内环境中，常见居家用电隐患呈现在玩家眼前，运行流畅，效果逼真，测试通过.

（2）抓取与释放控件体验测试.通过Vive操控手柄可拾取铁丝、剪刀，可准确地将其放置（触碰）到电线或插孔位置，以实现类似于插入和剪断的效果，测试通过，效果比较逼真.

（3）文字提示测试.当玩家（主体）通过Vive进行闯关成功时，文字提示会随之出现：“你真棒!恭喜你闯关成功！”当玩家闯关失败时，文字提示随之出现：“用电安全请谨记，不要用剪刀等剪断电线，谨防触电危险！”测试效果正确无误，测试通过.

（4）音频及音效播放测试.当进入主场景，玩家（主体）即可通过Vive头盔上耳机听到背景音乐及字幕人声提示，同时在进入关卡操作后伴随操作听到相应音频人声及音效.例如在闯关失败后，会听到“嘀嘀嘀”三声警告音效同时听到人声警告：闯关失败，用电安全请谨记，不可用硬物或徒手抠插座插孔，谨防触电危险！主界面及三个关卡背景音频及音效测试通过，效果良好，对玩家能够起到加深印象作用.

3.2.2 消融实验数据分析

基于Nielsen&Molich的启发式评估法（HE），对照Alita joyce功能游戏10项可用性原则［9］，确定了本项目消融测评具体内容，其中包括：音效模块、文字提示效果及涵盖以上2个模块的闯关消融数据对比.参加测评人员共12人，按每组4人人员配比共分3组，其中每组含1名游戏设计人员，1名小学教师，1名学龄儿童家长，1名小学生.测评过程为：首先向参与测评人员介绍平台基本情况及可用性原则；其次，评估人员对是否具有某项功能模块的游戏进行2次试玩闯关，开发人员进行现场记录；最后，开发人员整理3组实验反馈数据，与所有测评人员讨论，确定修正设计方案.根据测评结果，平台运行流程简便易操作，通过对3组消融实验数据的比对，确定了综合运用2项模块的平台设计方案，该方案可达到可用性测评标准，开发人员对照该方案对平台进行了完善，其测评结果及数据如表3—表5所示.

表3 具有提示音效的实验对比

表4 具有文字提示的实验对比

表5 具有文字提示、提示音效（2项模块）的实验对比

3.2.3 定量数据对比分析

运用定量数据对比分析法，针对儿童用电安全信息传达的有效性，选择40名6～7岁学龄儿童参与了对比分析测试.模拟测评开始，随机将每10人分为一组，将组别分别命名为文字组、漫画组、动画组、平台组.首先将满分为100分的儿童用电安全测试题下发给各组，平台开发人员现场记录各组成员测试得分数据，并测算平均得分.随后各组对应通过漫画、动画、文字、试玩儿童安全用电闯关游戏4种方式来学习儿童用电安全知识，随即再次进行用电安全问卷测试，平台开发人员再次现场记录各组成员测试得分数据，并测算平均得分.其前后测评结果及数据分析如图7—图9所示.

图7 四组参与学习前后测试分数曲线图

图8 四组参与学习前后平均分柱状图

图9 参与平台学习后行为分析

由图7—图9测试结果对比分析图可知：（1）参与测评人员获取用电安全知识的途径会影响其对用电安全信息的印象，带有目的性的体验能提升被测人员对用电安全信息的印象；（2）参与用电安全教育平台试玩闯关的儿童在进行学习前后两次测评所得平均分、最高分及最低分的差异均最大；（3）参与用电安全教育平台试玩闯关的大多数儿童愿意分享他们的互动体验，因此要重视用电安全知识传达的互动性和体验性.

4 结语

在倡导全民安全生产［10］，牢固树立安全意识的背景下，笔者将虚拟现实技术引入儿童安全教育中，并将儿童居家安全用电等难以通过体验及训练的内容进行了模块规划，完成了集沉浸式、体验式、安全性、可操作、可重复于一体的儿童用电安全教育平台设计系统.此平台系统因存储量小、安装简便、操作简洁等特性，可作为各大中小学、幼儿园等教育或培训机构主题安全教育体验内容，亦可为各类安全教育科普场馆持续延伸开发基础应用提供框架参考.需要提出的是：由于该平台须在配置较高的终端机上运行，方能保证其流畅性，因此，其传播途径具有一定局限性，故而通过游戏程序开发方式对平台进行延伸运用的研究将是本课题下一步的研究重点.