基于VR技術的兒童用電安全教育仿真系統設計

王愛軍

（1.常州紡織服裝職業技術學院 創意學院，江蘇 常州 213100；2.安徽國防科技職業學院 信息技術學院，安徽 六安 237000）

0 引言

意外傷害是威脅兒童健康和安全成長的重要因素，據世界衛生組織和聯合國兒童基金會發布的《世界預防兒童傷害報告》顯示，全世界每天有2 000多個家庭因非故意傷害或“意外事故”而失去孩子，從而使得這些家庭支離破碎［1］.兒童意外傷害主要有：水的傷害、道路交通的傷害、火的傷害以及電的傷害等，而其中兒童因電意外傷害的數據不容輕視.據現代教育2020年網絡數據顯示：少年兒童因觸電而死亡的人數占兒童意外死亡人數的10.6%［2］.2020年4月，習近平總書記就安全生產作出重要指示強調：要針對安全生產事故主要特點和突出問題，層層壓實責任，狠抓整改落實，強化風險防控，從根本上消除事故隱患，有效遏制重特大事故發生［3］.為認真貫徹落實習近平總書記重要指示精神，推動安全教育從小抓起、及早抓起，將安全理念根植入腦、入心，進一步夯實安全基礎，基于虛擬現實技術構建一個兒童安全用電教育仿真實驗平臺，提升兒童用電安全教育效果，具有十分重要的意義.

虛擬現實技術目前廣泛應用于游戲、醫療、教育等行業［4］.在兒童安全教育需求驅動下，虛擬現實技術被研究人員提出，但只有將這些研究部署到硬件環境中，才能真正驗證研究的有效性.基于上述原因，本文提出一種兒童用電安全教育仿真系統的開發方案，利用C#腳本設計完成交互動作處理，為兒童提供一個可沉浸的用電安全教育交互媒介，加深兒童對用電安全知識的理解，提升兒童對用電安全突發狀況的應急處理認知，并將仿真實驗平臺應用推廣至各學前培訓機構、義務教學機構，作為兒童安全教育的素材載體.

1 整體設計

1.1 工具與方法

本平臺制作主要利用Unity 3D、3DMAX、Photoshop、Vive等軟件及工具完成，首先，運用3DMAX軟件完成主場景、角色、道具制作；其次，運用Photoshop軟件協助材質紋理等制作，再在三維制作軟件中賦予材質，初調燈光及渲染，以FBX文件格式導出并導入至Unity 3D軟件［5］，修整燈光及渲染，進而利用程序語言完成交互動作設計；最后，演示、調試并生成.

1.2 交互設計

根據兒童活潑、好奇心強又不喜文字說教等的性格及行為特點［6］，依據常見兒童居家用電安全隱患類別，將平臺交互設計方案確立為三道可沉浸交互體驗的闖關游戲關卡.兒童以游戲玩家身份完成交互體驗，進而熟知三個用電安全警示，主要內容為關卡一：不要用手指和硬物摳插座插孔，如使用，則闖關失敗；關卡二：不要用剪刀等剪斷電線，如使用，則闖關失敗；關卡三：有人觸電后，要設法及時關閉電源，如直接觸碰觸電人員，則闖關失敗.

兒童安全用電教育仿真實驗平臺具體運行流程是：進入主界面，主界面顯示“安全用電小游戲”標題文字，點按Vive手柄觸發文字，隨即彈出三個附帶不同圖案和文字的選項，分別是：帶有插排圖標的關卡一選項，帶有剪刀圖標的關卡二選項，帶有當心觸電圖標的關卡三選項.此時，玩家可任意點擊一道關卡，不分先后順序，如選擇關卡一，畫面隨即跳轉至室內場景，餐桌位置有一綠燈點亮電插排，插排旁邊放置有小鐵棒，2秒后畫面彈出文字選項：1拾起鐵絲摳插座或徒手摳插孔；2關閉插座開關.使用Vive手柄選擇選項1，隨即可使用右手手柄抓取鐵絲并插入插座或直接觸碰插孔，此時彈出“闖關失敗”文字及音頻提示，2秒后彈出文字警告并伴隨音頻提示：“用電安全請謹記：不可用硬物或徒手摳插座插孔，謹防觸電危險！”2秒后，跳轉回到室內場景，玩家繼續使用Vive手柄選擇選項，如選擇選項2，隨即可使用右手手柄點按在開關按鈕上，此時彈出“你真棒！恭喜你闖關成功.”文字及音頻提示，并同時伴隨悅耳輕快的獎勵音效.2秒后，跳轉回到主界面，此時，玩家可繼續選擇未完成的其他闖關關卡，如選擇關卡二，畫面隨即跳轉至室內場景，餐桌位置有一綠燈點亮電插排，插排旁邊放置有剪刀，2秒后畫面彈出文字選項：1拾起剪刀剪斷電線；2關閉插座開關.使用Vive手柄選擇選項1，隨即可使用右手手柄抓取剪刀剪斷（觸碰）電線，此時彈出“闖關失敗”文字及音頻提示，短暫時間后彈出文字警告并伴隨音頻提示：“用電安全請謹記：不要用剪刀等剪斷電線，謹防觸電危險！”2秒后，跳轉回到室內場景，玩家繼續使用Vive手柄選擇選項，如選擇選項2，關閉插座開關，隨即可使用右手手柄點按在開關按鈕上，此時彈出“你真棒！恭喜你闖關成功.”文字及音頻提示，并同時伴隨悅耳輕快的獎勵音效.2秒后，跳轉回到主界面，此時，玩家可繼續選擇未完成的其他闖關關卡，如選擇關卡三，畫面隨即跳轉至室內場景，此時室內場景有人倒地，畫面顯示警告文字“有人觸電，請選擇：1直接檢查觸電人員身體情況，2關閉電源開關”，使用Vive手柄選擇選項1，隨即可使用右手手柄觸碰觸電倒地人員，此時彈出“闖關失敗”文字及音頻提示，2秒后彈出文字警告并伴隨音頻提示：“用電安全請謹記：不要直接觸碰觸電人，請設法關閉家用總電源，謹防觸電危險！”2秒后，跳轉回到室內場景，玩家繼續使用Vive手柄選擇選項，如選擇選項2，隨即可使用右手手柄點按在墻面電源按鈕上，此時彈出“你真棒！恭喜你闖關成功.”文字及音頻提示，并同時伴隨悅耳輕快的獎勵音效.2秒后，跳轉回到“安全用電小游戲”主界面.運行流程如圖1所示.需要注意的是：玩家初次進入主界面選擇一關卡開啟當前闖關游戲后，如當前關卡闖關失敗，系統自動跳轉至當前關卡，所有關卡都需至少完成一次，成功闖關后可方可跳轉至開始主界面，否則無法跳轉至主界面.

圖1 兒童用電安全教育仿真系統運行流程圖

2 系統實現

2.1 角色預制體

為了增加平臺交互帶來真實感及沉浸感，平臺運行以第一人稱視角方式展開，效果如圖2所示，即當玩家進入游戲自動帶入（匹配）角色視角、操控（交互）.這需要在Unity 3D軟件首先創建一個角色預制體，調用插件并創建相應控制腳本用以達到玩家佩戴頭盔即可實現第一人稱視角的目的［7］，這里具體操作主要分為三步：第一步，通過調用Character Controller組件以實現角色移動，Character Controller組件同時可以檢測到角色預制體是否在地面，我們創建一個名為Move.的腳本并將其掛載到角色預制體上，這樣角色首先可實現移動；第二步，為攝像機添加視角旋轉代碼，通過GetAxis（）獲取位移，注意限定顯示上下、橫向視角旋轉范圍；第三步，創建一個名為Follow Rotation.腳本實現角色預制體跟隨視角旋轉，并將此腳本掛載到角色預制體上.

圖2 第一人稱視角運行效果圖

2.2 音頻控件

在平臺中闖關關卡運行交互后都需觸發音頻提示音，如在關卡一中，當玩家拾起鐵絲或徒手摳插孔交互動作完成后，隨即出現音頻提示音“闖關失敗”，2秒后出現提示音“用電安全需謹記，不可用硬物或徒手摳插座插孔，謹防觸電危險！”.這里需要提前錄制好音頻文件，隨后創建音頻觸控腳本并將該腳本掛載到插座上，當玩家觸碰到插座，2秒后即可觸發音頻播放控件，具體方法是：第一步在Unity 3D軟件中創建一個Canvas控件，執行Assets下Custom Render Texture菜單命令，隨后執行GameObject下Video Player.第二步創建名為Auto play.腳本并將其掛載到插座上，其程序設計流程框架如圖3所示.

圖3 音頻播放系統設計流程

2.3 抓取與釋放

平臺中設置了抓取（觸碰）、釋放交互操作，其原理就是把插座做成觸發器，當人物碰撞到插座，觸發器便可檢測到碰撞，繼而觸發下一邏輯.要模擬抓取和釋放物體操作，就需要調用SteamVR plugin［8］，同時為物體添加Rigidbody剛體組件、懸停事件Interactable Hover Events等.具體方法是：首先為插座添加碰撞器并將其設置為trigger模式，這里只檢測碰撞，不改變其運動；其次為玩家加上碰撞器，同時為玩家添加剛體組件；第三步設置玩家預制體及插座矩陣，對手柄進入、離開、拾取、放下進行事件處理；最后玩家抓取（觸碰）到插座，即可運行下一邏輯，其程序設計流程框架如圖4所示.

圖4 抓取系統設計流程

在設置抓取動作時，是否能夠實現手柄精準抓取動作是本系統交互設計的關鍵，所以，精準判斷碰撞體的位置以實現后續動作是該交互設計的前提條件，因此，在程序寫入時加入了相對比較成熟的模糊算法，以幫助VR手柄能夠較為精準拾取物體.

2.4 文字提示

為了加深平臺教育效果，每道關卡游戲中在設置音頻提示同時彈出相應文字提示，例如關卡二，當玩家闖關失敗，對應彈出“闖關失敗”文字提示，2秒后彈出“用電安全請謹記：不要用剪刀等剪斷電線，謹防觸電危險！”文字警示.這里交互設計邏輯與音頻提示處理方法相似，我們需要為電線或插座設置碰撞體，當玩家手持剪刀碰撞到電線或插座，即可認定剪刀與電線或插座發生了碰撞，隨即運行文字提示這一邏輯.這里需要編寫一個用于監聽角色Postion的腳本，并將其掛載到角色預制體上.其系統設計流程框架如圖5所示.

圖5 文字提示系統設計流程

2.5 系統發布

在Unity3D中進入File菜單并執行Build Setting命令，隨即選擇PC平臺，點按Build生成，完成后即可生成.exe系統文件.在PC端佩戴虛擬現實硬設運行平臺，體驗者將以玩家身份進入游戲關卡.需要提出的是，由于平臺交互動作是基于固定虛擬現實硬設開發，運行平臺應作要求，其具體配置建議參數見本文3.1部分，平臺運行效果如圖6所示.

圖6 用電安全教育仿真系統運行效果圖

3 實驗與結果

3.1 測試平臺

本平臺基于圖形工作站、Vive Pro2開發及運行，運行本平臺的操作系統為Windows 7 SP1以上版本，向上支持Windows 8、Windows 10系統，建議使用Windows 10作為軟件運行環境.其硬件配置如表1所示.

表1 運行VR硬件環境配置

3.2 測試結果與分析

3.2.1 功能性測評

佩戴Vive通過運行平臺.exe文件進入系統主界面，選擇界面首頁出現的三個游戲關卡中任一關卡進入，通過Vive操控手柄實現交互.各項功能性測評結果如表2所示.

表2 功能性測評表

（1）行走及漫游測試.玩家（主體）可以在場景中通過行走、轉頭實現沉浸式體驗，讓體驗者置身于室內環境中，常見居家用電隱患呈現在玩家眼前，運行流暢，效果逼真，測試通過.

（2）抓取與釋放控件體驗測試.通過Vive操控手柄可拾取鐵絲、剪刀，可準確地將其放置（觸碰）到電線或插孔位置，以實現類似于插入和剪斷的效果，測試通過，效果比較逼真.

（3）文字提示測試.當玩家（主體）通過Vive進行闖關成功時，文字提示會隨之出現：“你真棒!恭喜你闖關成功！”當玩家闖關失敗時，文字提示隨之出現：“用電安全請謹記，不要用剪刀等剪斷電線，謹防觸電危險！”測試效果正確無誤，測試通過.

（4）音頻及音效播放測試.當進入主場景，玩家（主體）即可通過Vive頭盔上耳機聽到背景音樂及字幕人聲提示，同時在進入關卡操作后伴隨操作聽到相應音頻人聲及音效.例如在闖關失敗后，會聽到“嘀嘀嘀”三聲警告音效同時聽到人聲警告：闖關失敗，用電安全請謹記，不可用硬物或徒手摳插座插孔，謹防觸電危險！主界面及三個關卡背景音頻及音效測試通過，效果良好，對玩家能夠起到加深印象作用.

3.2.2 消融實驗數據分析

基于Nielsen&Molich的啟發式評估法（HE），對照Alita joyce功能游戲10項可用性原則［9］，確定了本項目消融測評具體內容，其中包括：音效模塊、文字提示效果及涵蓋以上2個模塊的闖關消融數據對比.參加測評人員共12人，按每組4人人員配比共分3組，其中每組含1名游戲設計人員，1名小學教師，1名學齡兒童家長，1名小學生.測評過程為：首先向參與測評人員介紹平臺基本情況及可用性原則；其次，評估人員對是否具有某項功能模塊的游戲進行2次試玩闖關，開發人員進行現場記錄；最后，開發人員整理3組實驗反饋數據，與所有測評人員討論，確定修正設計方案.根據測評結果，平臺運行流程簡便易操作，通過對3組消融實驗數據的比對，確定了綜合運用2項模塊的平臺設計方案，該方案可達到可用性測評標準，開發人員對照該方案對平臺進行了完善，其測評結果及數據如表3—表5所示.

表3 具有提示音效的實驗對比

表4 具有文字提示的實驗對比

表5 具有文字提示、提示音效（2項模塊）的實驗對比

3.2.3 定量數據對比分析

運用定量數據對比分析法，針對兒童用電安全信息傳達的有效性，選擇40名6～7歲學齡兒童參與了對比分析測試.模擬測評開始，隨機將每10人分為一組，將組別分別命名為文字組、漫畫組、動畫組、平臺組.首先將滿分為100分的兒童用電安全測試題下發給各組，平臺開發人員現場記錄各組成員測試得分數據，并測算平均得分.隨后各組對應通過漫畫、動畫、文字、試玩兒童安全用電闖關游戲4種方式來學習兒童用電安全知識，隨即再次進行用電安全問卷測試，平臺開發人員再次現場記錄各組成員測試得分數據，并測算平均得分.其前后測評結果及數據分析如圖7—圖9所示.

圖7 四組參與學習前后測試分數曲線圖

圖8 四組參與學習前后平均分柱狀圖

圖9 參與平臺學習后行為分析

由圖7—圖9測試結果對比分析圖可知：（1）參與測評人員獲取用電安全知識的途徑會影響其對用電安全信息的印象，帶有目的性的體驗能提升被測人員對用電安全信息的印象；（2）參與用電安全教育平臺試玩闖關的兒童在進行學習前后兩次測評所得平均分、最高分及最低分的差異均最大；（3）參與用電安全教育平臺試玩闖關的大多數兒童愿意分享他們的互動體驗，因此要重視用電安全知識傳達的互動性和體驗性.

4 結語

在倡導全民安全生產［10］，牢固樹立安全意識的背景下，筆者將虛擬現實技術引入兒童安全教育中，并將兒童居家安全用電等難以通過體驗及訓練的內容進行了模塊規劃，完成了集沉浸式、體驗式、安全性、可操作、可重復于一體的兒童用電安全教育平臺設計系統.此平臺系統因存儲量小、安裝簡便、操作簡潔等特性，可作為各大中小學、幼兒園等教育或培訓機構主題安全教育體驗內容，亦可為各類安全教育科普場館持續延伸開發基礎應用提供框架參考.需要提出的是：由于該平臺須在配置較高的終端機上運行，方能保證其流暢性，因此，其傳播途徑具有一定局限性，故而通過游戲程序開發方式對平臺進行延伸運用的研究將是本課題下一步的研究重點.