城市社区防台防汛应急管理虚拟仿真实验的开发与应用*

郑永平 周毕芬 刘其赟 郭 涵 林姝敏

(福建农林大学公共管理与法学院,福建 福州 350002)

2019年4月,教育部等13个部门联合启动“六卓越一拔尖”计划2.0,全面推动“新文科”从概念走向实施[1]。在国家治理现代化和新文科建设的双重背景下,公共管理专业应加强教育教学改革,不断提升人才培养的目标达成度和社会满意度[2],将实践教学改革作为重要突破口,强化应用型、复合型、创新型治理人才的培养。但是,传统的公共管理实践教学更多以体验型、认知型实验实训为主,对提高公共管理人才培养的效果比较有限。特别是在开展应急能力培养的相关教学活动中,由于自然灾害类突发公共危机事件的复杂性、危害性和不可逆性,传统的教学实践难以让学生切身感知和体会,更无法在真实的危险情境中开展决策、执行等一系列实践活动。本文结合城市社区防台防汛应急管理虚拟仿真实验项目的建设实践,介绍了仿真实验系统建设的背景与意义和实验平台构成与内容设计,以期为公共管理院校在虚拟仿真系统建设方面提供有益借鉴[3-4]。

1 虚拟仿真系统建设的背景与意义

1.1 背景

近年来,突发公共危机事件频发成为经济社会发展常态,应急管理在公共管理领域中的作用越来越重要。2019年11月29日,习近平总书记在主持中央政治局第十九次集体学习时指出,要大力培养应急管理人才,加强应急管理学科建设[5]。社区是城市运作与管理的基本单元,社区在危机发生的过程中是最接近和最清楚危机态势,并且最能有效和快捷地采取措施以应对危机的组织[6],但往往也是最薄弱的环节,一旦灾害事故突发,很难高效、有序地应对处置。社区应急治理体系和能力建设,是国家应急治理体系和能力建设的基础性环节[7]。因此,公共管理院校要面向社区培养更多专业人才,提升社区应急管理能力,带动社区整体治理效能的提升。

1.2 意义

一是仿真领域的代表性。我国位于亚欧大陆和西北太平洋的过渡地带,人口稠密、经济集中的东南沿海地带是典型的季风气候影响区,受台风影响相当严重[8]。近年来,热带台风强度有增强趋势,自然灾害及次生灾害频发,进入高增长和高风险并存的阶段,对经济社会发展构成严重威胁。此外,由台风引发强降雨导致的洪涝灾害对防汛防洪应急管理提出了更高要求,选择台风这一自然灾害作为虚拟仿真案例背景,对于训练和提升自然灾害应急管理能力,提升社区公共安全水平,具有较强代表性。

二是能力培养的价值性。城乡基层社区是打赢防台防汛攻坚战的“最后一公里”。以台风灾害背景下社区场景展开实验设计,让学生置身动态变化的虚拟环境,通过分析内外部状况,运用应急管理、社区管理等课程的专业知识和工具,开展防台防汛应急管理的决策、操作与应对。依托实验开展教学,有助于增强学生的应急决策指挥能力、应急处置实践能力、应急统筹规划能力、应急沟通协调能力,强化与基层治理岗位相匹配的职业素养[9]。

2 虚拟仿真系统建设流程

2.1 实验目的

城市社区防台防汛应急管理虚拟仿真实验的设计以学生应急治理实践操作能力培养的需求为出发点,其最终应用的目标涵盖了知识、能力、情感三个层面。在知识方面,理解台风自然灾害应急预案的内容与构成,理解防台防汛应急决策与处置的基本内涵与理论知识,理解台风自然灾害及次生灾害的致灾机理、灾情的演化机理,掌握社区应急管理的全流程体系、应急管理的组织架构和任务分工逻辑;在能力方面,掌握预警信息发布、应急沟通与宣传、应急物资匹配与避难场所选择、应急响应与决策、灾后恢复与重建等台风应急管理全流程的操作原则与方法。通过“任务探究式”和“情景沉浸式”体验,增强应急决策指挥能力、应急处置实践能力、应急统筹规划能力、应急沟通协调能力;在情感方面,提升学生对自然灾害危害性与科学防范重要性的认知,达到强化安全教育、提升公共安全意识的效果。增强对基层治理工作的信心,培养为社会服务的责任感、价值感,深入领会灾情防控中“以民为本、生命至上”的重大价值。

2.2 实验原理

实验项目运用Unity3D技术、虚拟现实和互联网技术,基于决策情境——决策因子——决策效果的逻辑,内置台风灾害动态发展模型和应急响应处置模型(图1)。仿真系统模拟我国东南沿海城市的某社区应对台风自然灾害突发事件,学生以社区防台防汛指挥部中的总负责、抢险、宣传、后勤、安全等不同角色开展防台防汛应急管理。学生基于应急预案的设计,参与到台风突发事件应对的过程中,实现台风灾前、灾中、灾后的全流程管理。在应对台风危机的过程中,学生需观察内外部环境的变化,做出分析、判断和决策。本项目包含应急预案的设计和应急管理的操作两大模块,二者相辅相成,实现计划与执行的结合,从宏观到微观的结合。

图1 实验原理图

2.3 实验流程及模块设计

项目坚持“学生中心、情景导向、学科融合、虚实结合”的实验教学理念,按照“理论研习——方案设计——实训操作——综合分析”的步骤开展(图2),具体流程及模块如下:

①引导学生围绕“实验概况与理论基础知识”进行学习。了解“防台防汛场景下城市社区应急管理虚拟仿真实验”的背景、目的、要求及原理,并通过实验页面的知识角模块了解相关知识。通过理论与基础知识的学习,为虚拟仿真实验开展打好基础。

②组织学生开展“城市防台防汛应急预案设计”训练。可在阅读实验项目案例背景的基础上,结合台风应急管理要求,以小组或个人为单位开展应急预案设计,实现基础知识理论运用的初级检验,有助于加强对应急管理流程、操作规范的了解。

③组织学生开展“城市社区防台防汛应急管理仿真实训”核心环节操作。学生在角色认知的基础上,进入台风应对的社区场景进行操作。结合台风的进程时序所引发的任务,学生按照不同角色进行应对。在台风灾前、灾中、灾后的全流程中,学生要按照不同的实验方法完成台风灾害预备阶段、台风灾害响应阶段、台风灾害恢复阶段3环节的12项核心任务,共34个操作步骤。通过限时性的操作安排,降低灾情所造成的损失,提升社会满意度。

④组织学生开展“实验结果分析与报告写作”部分的总结交流。引导学生根据考核结果评价反馈、实验操作记录等内容进行复盘,对实验中的薄弱环节、疑问环节进行交流,围绕实验对学生相关能力的培养效果进行总结,并结合实际社区应急管理中可能遇到的问题进行拓展延伸。

图2 实验流程与模块设计

3 虚拟仿真系统核心要素及交互性步骤的仿真设计

3.1 核心要素仿真设计

虚拟仿真实验以3D仿真技术、多媒体技术和网络技术为依托,采用面向服务的软件架构开发,集场景仿真、创新设计、智能指导、虚拟实验结果自动批改和教学管理于一体[10]。实验系统采用JAVA语言开发,Spring MVC框架,采用Aspect Oriented Programming (面向切面编程)/ Inversion of Control (控制反转)方式,分为前端页面视图/表现层、后端数据层、服务层、控制器。Web端自定义传输实验数据,使用UGUI进行界面搭建,用户通过界面可以对各种内部系统进行操作并得到反馈。核心部分仿真模块使用C#语言、Unity3D引擎开发,采用3DMAX结合真实实验场景建模,Unity Animator系统播放动画,NavMeshAgent进行地图寻路。

①台风应急事件场景仿真。本仿真实验模拟的整体社区场景原型来源于东南沿海某城市的某社区场景(图3)。对社区周边的河流、山体及社区内的公共空间、私人住宅、街道、公交设施、绿化设施进行了虚拟仿真3D建模,对场景中的人、物等要素进行了3D交互式建模。台风中的暴雨使用Unity粒子系统,使用WebSocket提供网络传输。

图3 社区仿真场景俯瞰图

②台风应急事件数据仿真。台风灾情演化的信息数据源自于2018年第8号台风“玛莉亚”的真实发展动态数据[11],本仿真实验体现了台风路径图、风向、风速、级别等基本信息(图4)。本仿真实验将台风动态发展数据与灾害动态发展模型和应急响应处置模型相融合,模拟台风灾害突发事件的整体进程。实验相关任务触发均与台风进展相联系,结合台风动态和天气预报更有助于增强仿真实训的真实性、应急性。

③社区应急管理流程仿真。根据《福州市城市防台防汛应急预案》的规范性要求[12],借助Unity3D技术、虚拟现实和互联网技术,模拟真实的台风自然灾害应急处置灾前、灾中、灾后全流程。系统模拟并体现了台风应急管理中的六类角色分工(图5),并以不同角色置身于会议室、物资仓库、灾害隐患地、避险安置地、事故发生地等场景,完成触发的各项应急管理任务。

图5 应急指挥部角色分工图

3.2 交互性步骤的设计与实现

实验核心操作步骤模拟台风灾前、灾中、灾后的虚拟仿真场景,设置12项任务,共34个交互性操作步骤。这些步骤可划分为六大类,如图6所示。一是组织分工类,学生在动员会议上为不同角色人员在任务清单选项中匹配合适的任务;二是决策执行类,学生根据画面中的提示或反映的问题,选择合适选项或作出合理安排,或派遣人员赴任务地处理相关问题;三是信息沟通类,学生要及时将台风的变化情况、社区安全状况告知辖区居民。在特殊场景下,通过语句排序组合来实现适宜的表达;四是文书写作类,在相关隐患排查后,学生要按照文书填报规范要求完成应急信息的反馈;五是协调整理类,在应急物资储备过程中,学生需要测算物资需求并予以配置,做好规范分类;六是方案设计类,在应急处置中,学生要做好应急决策与统筹规划,针对灾害易发区和低洼地区,设计转移路线,选择避难场所,匹配应急物资。

(a)组织分工类

(b)决策执行类

(c)信息沟通类

(d)文书写作类

(e)协调整理类

3.3 考核模块的设计与实现

本实验中的仿真实训模块是基于角色扮演的互动式实验,实验步骤遵循防台防汛应急决策及处置的实际过程。实验不能跳步骤,系统在任务触发后,学生按步骤完成,若时间结束还未完成,系统会提示已超时,并自动进入下一个步骤。任务是否完成及正确与否均会对实验结果产生影响,并体现在实验报告上的实验记录。 实验操作得分计算公式为:

操作分=社会满意度×1-灾害损失×1-受伤人数×1-死亡人数×2+基准分×1

操作分即仿真实验的结果。其中社会满意度满分为100,灾害损失总分为100;受伤人数、死亡人数根据操作步骤予以赋分。各步骤的赋分标准不能改变,但各部分系数值、基准分系数值由教师在后台自行拟定,反映不同管理目标下的操作效果。例如在台风灾害中,把零死亡作为重要目标,可增加该负向指标的权重度,将“死亡人数”系数值调至更高水平。

4 教学实践

4.1 教学活动的开展与方法

本实验采用线上和线下相结合的方法。线上实验部分采用观察法、比较法、实操法、闯关考核法、角色扮演法等,线下部分采用案例分析、小组研讨、实地考察、翻转课堂等方式。通过线上和线下虚实结合、教学相长、师生互动,达到教学资源的充分利用、教学活动的有效开展和教学效果的显著提升。

4.2 学生学习效果评价与反馈

该城市社区防台防汛应急管理虚拟仿真系统上线以来,使用达 500人次以上,覆盖公共事业管理、行政管理、劳动与社会保障三个专业。该实验系统与公共危机管理、社区管理、城市管理等课程教学相结合,达到了深化理论知识,增强专业核心技能培养的效果。以2018级劳动与社会保障专业的44名学生为样本,对虚拟仿真实验的教学效果进行调研并分析。学生对仿真实验教学效果按知识、能力、情感三个维度进行了评价,结果如图7所示,学生评价反馈总体呈中上水平。此外,在2018级公共事业管理专业的学生的实验心得反馈中,学生普遍认为该实验对城市管理、社区管理等相关课程的学习有帮助作用,“如临其境”“生动形象”“像游戏般有趣”等词汇描述了仿真设计的效果。在促进核心能力培养方面,学生深刻体会到了科学决策、系统分析的重要性,用“深思熟虑”“牵一发而动全身”“主次优先”“统筹协调”等关键词谈及了个人体会。总体而言,该实验通过“课堂理论教学+仿真实验操作”的方式,激发了学生学习的积极性,提升了学习效果,使学生对危机事件的处置和应对有更直观的体会,有助于在知识的运用过程中强化应急治理技能的培养。

图7 2018级劳动与保障专业学生实验教学效果评价

5 结束语

城市社区防台防汛应急管理虚拟仿真实验的开发和应用,通过虚拟仿真技术、互联网技术等智慧化信息化手段,与公共管理类专业应急管理领域的教育教学相融合,解决了传统应急管理教学方式单一、无法身临其境体会与参与的问题。项目建构了明晰的故事线索,丰富的任务场景,多元的角色主体,聚焦管理类的学科基础特性,突出对学生决策、组织、协调、沟通、规划等应急管理技能的考核,有助于应用型、复合型、创新型基层治理人才的培养。通过虚拟仿真教学,促进公共管理类专业的实践教学,体现了新文科改革目标要求,是加强相关专业教育教学改革的重要突破口。项目团队将持续整合校内外资源以丰富仿真实验内容,提高仿真实验的实用性、科学性,并加强调研,密切关注有关应急管理、社区管理相关规范的更新,使实验内容与人才培养目标更加契合。