基于VR技術的化工安全技術理實一體化課程改革與實踐*

程雷相

(甘肅能源化工職業學院， 甘肅 蘭州 730207)

《國家教育事業發展“十三五”規劃》中明確提出，要支持各級各類院校建設智慧校園，綜合利用互聯網、大數據、人工智能和虛擬現實技術探索未來教育教學新模式。作為一項尖端科技，虛擬現實技術(Virtual Reality，簡稱VR)是在21世紀興起的綜合性信息技術。目前，VR技術在諸多社會領域得到了廣泛應用，尤其在職業教育教學領域中，VR技術所提供的直觀性、互動性、沉浸性的教學體驗，對學生職業技能提升和職業素質培養有很大的幫助。

作為應用化工技術專業的核心課程，《化工安全技術》理實一體化課程的創新改革勢在必行。傳統的課程內容包括：化工安全生產理念與職業素養、危險化學品的儲存和運輸、防火防爆技術、工業防毒技術、電氣安全技術、壓力容器與鍋爐安全技術、裝置檢修安全技術和安全技術法律法規等。這些內容具有理論性和實踐性強的特點，適合理實一體化教學。然而，在課程開發過程中，筆者發現，利用現有的裝置設備教學雖然能提高學生的理論知識水平和技能水平，但對學生的安全素養和職業道德的提升有局限性。另外，在教學過程中，課程內容的特殊性又帶來了一定的安全隱患，尤其在實訓課程中比較明顯。比如，防火防爆技術部分，學生的主要技能培養在于初起火災的撲救與應急預案的演練環節。然而，這些實訓場所相對于生產經驗缺乏的學生而言非常危險。為了確保教學中的安全，指導教師一般以演示的教學方法進行教學。導致教學效果差，無法培養學生的事故現場的應急處置能力，也滿足不了化工生產過程中對崗位能力的需求。因此，解決上述問題還需另辟蹊徑，引入新技術，開發新的教學資源，采用新的教學手段則是《化工安全技術》理實一體化課程教學的當務之急。VR 技術以其良好的直觀性、互動性、沉浸性和安全性給《化工安全技術》理實一體化課程的教學帶來了新思路。

1 基于VR技術的課程開發

我校注重與企業之間的合作，跟北京東方仿真軟件技術有限公司合作開發了實驗室安全技術、受限空間安全技術、化工企業設備、流程認知、化工企業火災事故處理、化工企業泄露事故處理、化工企業應急演練等VR系統。基于以上系統，開發設計了教學課程。

1.1 實驗室安全技術

1.1.1 學習模塊

實驗室安全知識學習模塊。通過學習模塊，可以有效學習化學實驗室各種安全知識、應急逃生技能，如表1所示。設有全程語音提示和高亮引導，可以讓體驗者置身逼真的實驗室情境中，提高體驗者的學習興趣，更好地自主學習。實驗室安全知識學習模塊包含三個環節：安全防護用品選用、安全設施的使用；滅火逃生；隱患識別與處理。

實驗室安全VR系統設置的試驗背景為苯、甲苯蒸餾實驗。苯、甲苯試劑均為易燃、有毒液體，蒸餾實驗又為常規化學實驗科目，涉及到火災爆炸、電器安全、個人防護、事故救護等均為實驗室常見類型，實現情境的選擇具有通用性。軟件以第一人稱的方式，讓學生可以置身逼真的化學實驗室環境中。實驗室安全VR系統交互情節設置合理，充分考慮了真實實驗室場景中的情況，并力求與實際場景一直，見圖1。

表1 課程涉及的主要知識點

圖1 實驗室安全技術VR系統

考核評價模塊。考核模塊是對學習模塊中的學習內容進行考察，體驗者在無引導的情況下進行安全防護用品選用、安全設施的使用、滅火逃生、隱患識別與處理等模塊的考察。考核分數分為滿分、合格、不合格、人員死亡四種情況，不合格、死亡記錄體驗者可進入軟件重新學習或測試。

1.1.2 系統功能及學習流程

手柄的主要功能包括移動、物品使用、物品拾取、綜合運用等功能，見圖2。

①開關機；②瞬移鍵；③菜單鍵；④顯示燈；

具體使用見表2。

表2 部分場景交互操作說明

1.2 典型污水處理廠受限空間安全事故處理技術

1.2.1 學習情景設置

典型污水處理廠受限空間安全事故處理VR系統，采用VR技術，形成一個沉浸式的三維仿真環境，需要根據典型污水處理廠AAO工藝的(厭氧-缺氧-好氧生物脫氮除磷工藝)建設和工藝布局要求，建立污水處理廠仿真教學場景模型。

根據典型污水處理廠建設和工藝布局要求，建立現代化污水處理廠仿真教學場景模型，主要包含：格柵池、泵房、沉砂池、二沉池、消毒池、污泥井、濃縮池、脫水機房、風機房、化驗室、中控室、初沉池、生化池等單體生產設備模型。進入仿真軟件，學員可控制人物在廠區行走，并進入到相應的事故單體建筑模型附近進行事故處理操作，見圖3。

圖3 典型污水處理廠受限空間安全事故處理技術VR系統

1.2.2 課程知識點及學習說明

詳見表3。

表3 受限空間作業知識點及學習說明

2 課程設計

2.1 學習目標的制定

基于VR技術的開發的課程在學習目標的制定中，要結合學生自身的情況，目標不宜過難，主要為技能提升方面的。另外，VR技術的創新也體現出了我國信息科技的進步。因此，學習目標從知識目標、能力目標、素質目標和課程思政目標四個維度展開設計。描述學習目標的時候要用具體的內容進行描述，例如，知識目標的描述可以是說出VR滅火系統的組成部件、歸納總結在VR系統上滅火的操作規范等。能力目標的描述為在VR滅火系統里面進行簡單的操作，例如，空間漫游、拾取物體，使用物體等。素質目標的描述為意識到安全生產的重要性，培養學生面對險情而臨危不亂的職業素養。

關于課程思政，思政的元素可以為體會國家先進的科學技術，意識到國家逐步強大，培養愛國精神和民族自豪感。方法舉措包括教師結合現有的設備和軟件介紹虛擬現實技術，體驗VR技術的科技感。科技是第一生產力，先進的科技彰顯國家的實力。

2.2 教學策略

分為課前預習、課上學習和課后鞏固三個環節。課前，將本次教學任務用到的理論知識制作成課件并通過學習通軟件傳到學生的手機端進行課前預習工作；課上實施具體的學習活動。例如，在VR體驗室里面介紹VR系統(設備、軟件)，體驗VR系統操作過程，演示在VR系統上滅火的過程，并指導學生操作練習。課后，開放VR體驗室，鼓勵學生繼續體驗VR系統。

3 教學效果及反思

3.1 效果反饋

將VR系統引入到《化工安全技術》課程中進行教學是我們的創新之舉。該項措施首先在應用化工技術專業20級學生中實施。課題組在20級應用化工技術1班中隨機抽取了20名學生(該班共計35名學生)作為調查對象進行訪談。訪談的內容包括教學目標的達成度、課程參與度、體驗感、教學設計滿意度、教學效果提升等。學生的反饋包括：①該系統的應用極大的增加了學習興趣；②體驗了先進科技帶來的滿足感；③解決了仿真系統練習滅火真實感不強的問題；④鍛煉了學生處理火災時臨危不亂的心理素質；⑤培養了學員職業素養。總之，《化工安全技術》理實一體化課程引進 VR 系統進行教學，充分發揮了VR技術的直觀性、互動性、沉浸性，在逼真的工作場景下學習，既提高了教學效果又消除了安全隱患。另外，新科技的體驗也一定程度上增加了學生的民族自豪感。將課程思政內容與專業課有機結合，融為一體，同向同行，潤物細無聲的進行課程思政。

3.2 反思及改進

在引入VR系統進行教育過程中，總結了幾點需要改進的地方：一是教師使用新設備和新技術的水平不能滿足新時代職業教育的需求，應與時俱進，信息化水平需進一步提高；二是學生在學習過程中，處于對新技術的好奇，把學習重心放在對VR系統的認識及探索各方面，而忽視了學習的重點內容。另外。學生練習的時間較短，沒有突破難點，督促這些學生在課余時間繼續練習，達到技能成熟的目的。

4 總結

綜上所述，將VR技術引入到《化工安全技術》理實一體化課程教學中，充分發揮VR技術的直觀性、互動性、沉浸性，給學生創造一種真實的工作場景，讓學生身臨其境般體驗生產過程，有利于核心崗位能力的提升，同時對心里素質和職業素養的提升有很大幫助。另外，提高教學效果的同時又消除了教學中的安全隱患，是一種創新又切實可行的教學改革。另外，在保證教學順利進行，教師應與時俱進，提高信息化水平，提高對VR技術的掌握和應用水平，探索新的教學方法，開發設計新的教學內容，切實提高《化工安全技術》理實一體化課程的教學水平。然而，課題組成員在這條路上僅僅邁出了第一步，本文旨在拋磚引玉，希望讀者、同仁投入到VR系統開發和教學設計中，加大對VR技術的研究，讓其更好的服務于職業院校教學的發展。