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    基于VR技术的化工安全技术理实一体化课程改革与实践*

    时间：2023-04-25 20:35:04 来源：东东创业网 本文已影响人 东东创业网手机站

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    程雷相

    (甘肃能源化工职业学院， 甘肃 兰州 730207)

    《国家教育事业发展“十三五”规划》中明确提出，要支持各级各类院校建设智慧校园，综合利用互联网、大数据、人工智能和虚拟现实技术探索未来教育教学新模式。作为一项尖端科技，虚拟现实技术(Virtual Reality，简称VR)是在21世纪兴起的综合性信息技术。目前，VR技术在诸多社会领域得到了广泛应用，尤其在职业教育教学领域中，VR技术所提供的直观性、互动性、沉浸性的教学体验，对学生职业技能提升和职业素质培养有很大的帮助。

    作为应用化工技术专业的核心课程，《化工安全技术》理实一体化课程的创新改革势在必行。传统的课程内容包括：化工安全生产理念与职业素养、危险化学品的储存和运输、防火防爆技术、工业防毒技术、电气安全技术、压力容器与锅炉安全技术、装置检修安全技术和安全技术法律法规等。这些内容具有理论性和实践性强的特点，适合理实一体化教学。然而，在课程开发过程中，笔者发现，利用现有的装置设备教学虽然能提高学生的理论知识水平和技能水平，但对学生的安全素养和职业道德的提升有局限性。另外，在教学过程中，课程内容的特殊性又带来了一定的安全隐患，尤其在实训课程中比较明显。比如，防火防爆技术部分，学生的主要技能培养在于初起火灾的扑救与应急预案的演练环节。然而，这些实训场所相对于生产经验缺乏的学生而言非常危险。为了确保教学中的安全，指导教师一般以演示的教学方法进行教学。导致教学效果差，无法培养学生的事故现场的应急处置能力，也满足不了化工生产过程中对岗位能力的需求。因此，解决上述问题还需另辟蹊径，引入新技术，开发新的教学资源，采用新的教学手段则是《化工安全技术》理实一体化课程教学的当务之急。VR 技术以其良好的直观性、互动性、沉浸性和安全性给《化工安全技术》理实一体化课程的教学带来了新思路。

    我校注重与企业之间的合作，跟北京东方仿真软件技术有限公司合作开发了实验室安全技术、受限空间安全技术、化工企业设备、流程认知、化工企业火灾事故处理、化工企业泄露事故处理、化工企业应急演练等VR系统。基于以上系统，开发设计了教学课程。

    1.1 实验室安全技术

    1.1.1 学习模块

    实验室安全知识学习模块。通过学习模块，可以有效学习化学实验室各种安全知识、应急逃生技能，如表1所示。设有全程语音提示和高亮引导，可以让体验者置身逼真的实验室情境中，提高体验者的学习兴趣，更好地自主学习。实验室安全知识学习模块包含三个环节：安全防护用品选用、安全设施的使用；
    灭火逃生；
    隐患识别与处理。

    实验室安全VR系统设置的试验背景为苯、甲苯蒸馏实验。苯、甲苯试剂均为易燃、有毒液体，蒸馏实验又为常规化学实验科目，涉及到火灾爆炸、电器安全、个人防护、事故救护等均为实验室常见类型，实现情境的选择具有通用性。软件以第一人称的方式，让学生可以置身逼真的化学实验室环境中。实验室安全VR系统交互情节设置合理，充分考虑了真实实验室场景中的情况，并力求与实际场景一直，见图1。

    表1 课程涉及的主要知识点

    图1 实验室安全技术VR系统

    考核评价模块。考核模块是对学习模块中的学习内容进行考察，体验者在无引导的情况下进行安全防护用品选用、安全设施的使用、灭火逃生、隐患识别与处理等模块的考察。考核分数分为满分、合格、不合格、人员死亡四种情况，不合格、死亡记录体验者可进入软件重新学习或测试。

    1.1.2 系统功能及学习流程

    手柄的主要功能包括移动、物品使用、物品拾取、综合运用等功能，见图2。

    ①开关机；
    ②瞬移键；
    ③菜单键；
    ④显示灯；

    具体使用见表2。

    表2 部分场景交互操作说明

    1.2 典型污水处理厂受限空间安全事故处理技术

    1.2.1 学习情景设置

    典型污水处理厂受限空间安全事故处理VR系统，采用VR技术，形成一个沉浸式的三维仿真环境，需要根据典型污水处理厂AAO工艺的(厌氧-缺氧-好氧生物脱氮除磷工艺)建设和工艺布局要求，建立污水处理厂仿真教学场景模型。

    根据典型污水处理厂建设和工艺布局要求，建立现代化污水处理厂仿真教学场景模型，主要包含：格栅池、泵房、沉砂池、二沉池、消毒池、污泥井、浓缩池、脱水机房、风机房、化验室、中控室、初沉池、生化池等单体生产设备模型。进入仿真软件，学员可控制人物在厂区行走，并进入到相应的事故单体建筑模型附近进行事故处理操作，见图3。

    图3 典型污水处理厂受限空间安全事故处理技术VR系统

    1.2.2 课程知识点及学习说明

    详见表3。

    表3 受限空间作业知识点及学习说明

    2.1 学习目标的制定

    基于VR技术的开发的课程在学习目标的制定中，要结合学生自身的情况，目标不宜过难，主要为技能提升方面的。另外，VR技术的创新也体现出了我国信息科技的进步。因此，学习目标从知识目标、能力目标、素质目标和课程思政目标四个维度展开设计。描述学习目标的时候要用具体的内容进行描述，例如，知识目标的描述可以是说出VR灭火系统的组成部件、归纳总结在VR系统上灭火的操作规范等。能力目标的描述为在VR灭火系统里面进行简单的操作，例如，空间漫游、拾取物体，使用物体等。素质目标的描述为意识到安全生产的重要性，培养学生面对险情而临危不乱的职业素养。

    关于课程思政，思政的元素可以为体会国家先进的科学技术，意识到国家逐步强大，培养爱国精神和民族自豪感。方法举措包括教师结合现有的设备和软件介绍虚拟现实技术，体验VR技术的科技感。科技是第一生产力，先进的科技彰显国家的实力。

    2.2 教学策略

    分为课前预习、课上学习和课后巩固三个环节。课前，将本次教学任务用到的理论知识制作成课件并通过学习通软件传到学生的手机端进行课前预习工作；
    课上实施具体的学习活动。例如，在VR体验室里面介绍VR系统(设备、软件)，体验VR系统操作过程，演示在VR系统上灭火的过程，并指导学生操作练习。课后，开放VR体验室，鼓励学生继续体验VR系统。

    3.1 效果反馈

    将VR系统引入到《化工安全技术》课程中进行教学是我们的创新之举。该项措施首先在应用化工技术专业20级学生中实施。课题组在20级应用化工技术1班中随机抽取了20名学生(该班共计35名学生)作为调查对象进行访谈。访谈的内容包括教学目标的达成度、课程参与度、体验感、教学设计满意度、教学效果提升等。学生的反馈包括：①该系统的应用极大的增加了学习兴趣；
    ②体验了先进科技带来的满足感；
    ③解决了仿真系统练习灭火真实感不强的问题；
    ④锻炼了学生处理火灾时临危不乱的心理素质；
    ⑤培养了学员职业素养。总之，《化工安全技术》理实一体化课程引进 VR 系统进行教学，充分发挥了VR技术的直观性、互动性、沉浸性，在逼真的工作场景下学习，既提高了教学效果又消除了安全隐患。另外，新科技的体验也一定程度上增加了学生的民族自豪感。将课程思政内容与专业课有机结合，融为一体，同向同行，润物细无声的进行课程思政。

    3.2 反思及改进

    在引入VR系统进行教育过程中，总结了几点需要改进的地方：一是教师使用新设备和新技术的水平不能满足新时代职业教育的需求，应与时俱进，信息化水平需进一步提高；
    二是学生在学习过程中，处于对新技术的好奇，把学习重心放在对VR系统的认识及探索各方面，而忽视了学习的重点内容。另外。学生练习的时间较短，没有突破难点，督促这些学生在课余时间继续练习，达到技能成熟的目的。

    综上所述，将VR技术引入到《化工安全技术》理实一体化课程教学中，充分发挥VR技术的直观性、互动性、沉浸性，给学生创造一种真实的工作场景，让学生身临其境般体验生产过程，有利于核心岗位能力的提升，同时对心里素质和职业素养的提升有很大帮助。另外，提高教学效果的同时又消除了教学中的安全隐患，是一种创新又切实可行的教学改革。另外，在保证教学顺利进行，教师应与时俱进，提高信息化水平，提高对VR技术的掌握和应用水平，探索新的教学方法，开发设计新的教学内容，切实提高《化工安全技术》理实一体化课程的教学水平。然而，课题组成员在这条路上仅仅迈出了第一步，本文旨在抛砖引玉，希望读者、同仁投入到VR系统开发和教学设计中，加大对VR技术的研究，让其更好的服务于职业院校教学的发展。

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