機械安全工程課程引入虛擬現實與計算機仿真技術的教學探索

涂然 曾怡 周學進

摘要：虛擬現實與仿真技術作為新時代環(huán)境下的先進科技是新型教育模式中的重要工具。在打破傳統(tǒng)機械安全工程教學壁壘的基礎上，基于虛擬仿真的教學模式可以提高學生在實際應用中的參與度與問題的應對能力。在調動學生學習的主觀能動性的同時，也有效提升了課堂教學的整體質量。隨著相關科技的突飛猛進，虛擬仿真一定會在機械安全領域的教學中起到重要作用，具有積極意義和正面的價值。

關鍵詞：安全工程；虛擬現實；數值仿真

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）18-0190-03

隨著經濟的高速發(fā)展，“安全”已經成為我國日益突出的重要矛盾，例如近年來發(fā)生的央視大樓火災、天津港特大火災爆炸事故等[1，2]使得安全問題引起了全社會的空前關注，因此在時代的大背景下，教育部也正在積極的推動各高校增設或加大對安全工程學科的建設力度?！皺C械安全工程”是機械工程及安全工程專業(yè)的重要課程之一，作為一門交叉學科，本身囊括了許多自然及社會科學方面的基礎知識，例如公共安全、火災安全等，同時與實際工程應用又緊密相連。

在傳統(tǒng)安全工程學的課堂教學活動中，學生與實際安全場景的距離相對遙遠，缺乏對實際問題的參與感，在理解上也會產生不同程度的偏差乃至誤解，因此遠不能達到該課程的教學目的。正是由于這些因素，具有相關專業(yè)的高校在教學實施過程中更應該考慮引入新的教學模式，一個較為有效并切實可行的方法是將虛擬仿真以及相關數值模擬技術引入到安全工程的教學之中，使具有危險性或高成本的實際場景得以在教室內重現，讓學生迅速理解和掌握相關知識。

虛擬現實及仿真技術是基于現代計算機技術的一大類，可創(chuàng)建和體驗虛擬仿真世界的技術統(tǒng)稱[3，4]。利用計算機技術生成效果逼真且兼具視覺、聽覺甚至嗅覺、觸覺等多種感知的虛擬環(huán)境，通過使用對應的交互設備，同虛擬環(huán)境中的實體進行互動交流，是一種先進的數字化人機接口技術。自其誕生以來，已經在軍事、測繪、制造、建筑、生物、醫(yī)學等領域中發(fā)揮了巨大作用。本文旨在針對目前機械安全工程中的一些難點，分析和探討引入虛擬現實及仿真技術后的優(yōu)勢，并對今后課程的教學發(fā)展提出了建議。

一、傳統(tǒng)教學方式在安全工程學課程中的困境

機械安全工程在教學時由于涉及到大量應用場景，是一門實踐性很強的課程，此時傳統(tǒng)的教師單方面灌輸課堂知識略顯蒼白，例如在講授機械工業(yè)廠房火災防治的相關內容時，書本作為傳統(tǒng)媒介幾乎無法展示火災發(fā)生的一系列復雜動力學現象，也無法讓學生感受到災害環(huán)境下的人因作用，導致學生在認知過程中達不到預定的教學目的?？傮w來看目前普遍存在以下兩大問題。

1.課程內容與實際應用場景相差較大或嚴重脫節(jié)。由于傳統(tǒng)理工科教學的限制，以知識點和公式為重心的授課內容在日益變化的安全問題中是滯后的。不僅容易導致學生目光短視，也不利于學生畢業(yè)后進入相關行業(yè)。一個突出問題便是相關專業(yè)的學生缺少接觸實際安全問題的機會，造成無法運用所學理論來指導實踐活動，或者在工作中常常錯誤的估計場景的安全性或危險度，不能作出正確的應對措施，這對于從事安全領域的相關職業(yè)而言是極為不利的。

2.安全工程學的學生參與度及課堂滿意度普遍不高。對于一門綜合性、交叉性極強的學科來說，其本身便具有復雜、多元與實踐要求高的特點。傳統(tǒng)課堂以講授為主的模式已被大量案例證明是難負重任的，并且由于我國的相關教材很大一部分是節(jié)選國外上世紀的研究內容，進一步加大了教學活動與實際應用的落差，因此對于這類新興學科而言，教師可以吸納構建主義的教學觀，在教學過程中教師起到組織、指導和促進的作用。利用情境重構、協(xié)作互動等學習要素充分發(fā)揮學生的主觀能動性、學習積極性和創(chuàng)新精神?？梢灶A見的是在安全工程的教學中引入虛擬現實與仿真技術，能夠較好的激發(fā)學生的學習動力，并體現學生認知中的主體地位，使學生可在相對貼近復雜真實的應用情境中完成學習內容，培養(yǎng)和提高自身綜合學習的能力。

二、虛擬現實及仿真在安全工程學的具體實現

1.基于pathfinder軟件的危險環(huán)境人員疏散虛擬仿真教學。安全領域中的基本原則是優(yōu)先保障人身安全，因此機械安全工程課程中特別包含了發(fā)生災害，如地震、火災后的人員疏散等相關內容。正如前文所述，受限于傳統(tǒng)教學場地等條件限制，要讓學生體驗大型機械廠房受災過程中的大規(guī)模人群疏散幾乎是無法實現的，而利用專業(yè)的數值仿真軟件Pathfinder[5]，結合虛擬現實硬件設備便能夠很好的解除這種限制。Pathfinder是由美國Thunderhead engineering公司開發(fā)的專業(yè)人員運動模擬器。軟件自身提供了圖形用戶界面的場景建模工具以及后期進行三維可視化分析的處理程序。在實際建模過程中，用于進行人員運動的環(huán)境是一個完整的基于有限元網格的三維空間，例如在對建筑內人員進行疏散仿真時，首先將按照建筑物的比例與門、窗、電梯等出入口進行綜合建模，值得一提的是Pathfinder提供的建模UI界面十分便捷，可以輕松建立房間隔墻、房門出口、走廊通道、上下樓梯及電梯等各種建筑內的場景，方便教師進行操作和演示。然后對人員的體態(tài)、分布、運動特性等進行設置，Pathfinder通過一套特殊的動力學參數算法，可以對場景中每個人員的運動情況進行追蹤，并且可以模擬出不同運動速度、人員身高、相互碰撞、緊急尋路及方向迷失等特殊情況。最終，通過直觀的可視化模擬結果（如圖1所示），不僅能科學地分析出人員疏散的相關數據，還能得到人員疏散的最佳時間或最佳路徑等方案。在此基礎上，可直接將虛擬現實的軟硬件進行耦合編程，最終通過虛擬現實頭盔或眼鏡等外設將學生置身于所搭建的逃生場景中，切實體驗真實的大規(guī)模人員疏散過程，對于學生理解真實疏散、培養(yǎng)協(xié)作逃生能力、提高災害自救素養(yǎng)具有重要作用。

2.基于FDS軟件的火災安全事故虛擬仿真教學?；馂陌踩捎谄鋸V泛性及后果的嚴重性，自安全學科誕生起便是其中的重要組成部分，而在傳統(tǒng)課堂教學中是很難讓學生對其有直觀體會的。為大幅改善教學效果，可以通過FDS軟件[6]讓學生觀察和感受到身臨其境火災的發(fā)生發(fā)展過程。FDS軟件是由美國國家標準局NIST的建筑火災實驗室所自行研發(fā)的針對火災過程的開源動力學數值仿真軟件。目前該軟件的開發(fā)已接近有20年的歷史，是火災安全方面的權威軟件，其目的就是為了解決火災與消防安全中所存在的實際問題，為其提供定量或定性的參考依據。FDS軟件內部包含了兩部分的程序模塊：第一塊是求解各種物理化學控制方程的主程序模塊；第二塊則與Pathfinder的可視化分析模塊類似，為一個用于后端輸出的三維可視化模塊SmokeView，用于查看計算結果以及對整個火災過程進行可視化仿真演示。例如通過該軟件可以重現整個建筑從局部著火、煙氣蔓延、火勢擴大到室內轟燃等火災各特征階段的典型現象規(guī)律，如圖2所示。FDS的開源優(yōu)勢在于能夠方便的對其他仿真軟件進行嵌入，例如可與上述的Pathfinder進行聯(lián)合仿真，可以模擬出真實火災情況下的人員逃生規(guī)律。借助這一平臺，學生不但可以更真切的了解到火災對人的復雜影響，還能訓練如何應對此類災害的各項能力，不僅提高了課程的整體效能，也在很大程度上挖掘和拓展了學生的自我能動性。

3.基于虛擬仿真和眼動追蹤的危險環(huán)境感知教學。機械安全工程中人員的感知是非常重要的內容之一，考慮到傳統(tǒng)教學手段基本無法在課堂上實現對學生感知體驗的互動式教學，可以借助神經認知類的相關儀器設備，如腦電波電位系統(tǒng)、ETG眼動追蹤系統(tǒng)并結合虛擬現實眼鏡等裝置。在課堂上一方面教授學生學習上述先進儀器的基本操作，另外教師通過設置搭建三維仿真危險場景，還可使學生作為危險“親歷者”，通過虛擬手柄、手勢運動追蹤等工具實現在虛擬危險場景中的互動體驗，如危險源識別、撲救、人員互助及協(xié)同逃生等，并結合腦電、皮電、眼動數據測量學生的感知反應，最終讓學生在生動有趣的課堂環(huán)境中了解真實危險環(huán)境下的人員行為特征。實際上在華僑大學機電學院VR仿真實驗室與旅游學院神經認知實驗室硬件的支持下，開展了數次嘗試性教學活動，并獲得了學生的廣泛好評。

三、引入虛擬仿真的教學優(yōu)勢和意義

作為一個新興事物，虛擬仿真將在一定程度上促進傳統(tǒng)教學的改革，并為課堂帶來了新的活力，對于教學而言具有非常正面的意義和價值，其具體優(yōu)勢如下。

1.突破了傳統(tǒng)課堂教學模式的種種限制。由于安全領域的大尺度實驗項目存在設備昂貴、成本高、周期長等問題，很難在課堂教學中引入這些手段，而虛擬仿真平臺則不受時間、空間的約束，能夠最大程度的利用教學資源為學生的多元自主學習提供支持。

2.虛擬仿真技術能夠將學生從平面的書本或黑板學習迅速帶入到生動且具體的實際場景中，減少學生在認知上的理解成本。利用計算機仿真軟件可以大幅度擴展教學內容和靈活度，能夠很好的培養(yǎng)學生的全面理解能力、創(chuàng)造思維能力以及運用現代信息技術的綜合能力。

3.高度仿真的應用場景可以解決學生平時實踐能力缺乏的問題。借助虛擬現實及仿真手段，學生可以自主設計并開發(fā)應用場景，促進知識的轉化與擴展。

四、結語

虛擬現實與仿真技術作為新時代環(huán)境下的先進科技，必將成為教學科研的重要組成部分，將其引入機械安全工程領域的教學環(huán)節(jié)是合理可行的。在打破傳統(tǒng)安全學教學壁壘的基礎上，基于虛擬仿真的教學模式可以大大提高學生在實際機械安全問題中的參與度與應對能力。不僅調動了學生學習的主觀能動性，也提升了課堂的整體教學水平。我們有理由相信，隨著虛擬仿真相關科技的突飛猛進，一定會在機械安全領域的本科教學中起到舉足輕重的作用。

參考文獻：

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