基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的學(xué)?；馂?zāi)逃生教學(xué)系統(tǒng)

于 萍

（新鄉(xiāng)學(xué)院 管理學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

火災(zāi)是危害人類生命安全的常見災(zāi)害。學(xué)生尤其是年齡較小的中小學(xué)生在火災(zāi)面前常常不知所措。因此，讓學(xué)生掌握火災(zāi)逃生的知識(shí)和技能，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)能安全逃生應(yīng)該是學(xué)校常抓不懈的工作內(nèi)容。目前，學(xué)校經(jīng)常用到的培訓(xùn)方式是舉行應(yīng)急疏散演習(xí)，這種模式雖然能讓學(xué)生獲得一定的逃生知識(shí)，但也存在一些問題：1）疏散演習(xí)非常耗時(shí)，疏散演習(xí)之前需要花費(fèi)大量的時(shí)間準(zhǔn)備疏散預(yù)案，演習(xí)過程需要占用大量的學(xué)習(xí)時(shí)間；2）疏散演習(xí)不易重復(fù)，由于參與疏散演習(xí)的學(xué)生人數(shù)較多，很難針對(duì)不同的預(yù)案反復(fù)進(jìn)行演練；3）災(zāi)源模擬較難，由于疏散演習(xí)中需要保證學(xué)生安全，很難在疏散場(chǎng)景中設(shè)置危險(xiǎn)性的災(zāi)源，這就降低了疏散演習(xí)的真實(shí)感。

沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展［1－3］為火災(zāi)逃生教育提供了新的手段。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：1）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能讓參與者獲得身臨其境的感覺，也就是說參與者參與其中就像存在于現(xiàn)實(shí)世界一樣；2）在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的支持下，參與者能在虛擬世界中可行走的區(qū)域漫游，他們看到的場(chǎng)景隨著視點(diǎn)的轉(zhuǎn)化而實(shí)時(shí)變化，并與虛擬世界中的虛擬物體進(jìn)行觸碰等交互操作；3）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以安全地模擬和重構(gòu)危險(xiǎn)事件的發(fā)生和發(fā)展過程；4）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可在同一事件（或不同事件）的相同條件（或不同條件）下重復(fù)使用，還可根據(jù)不同的條件得出不同的結(jié)果。

在本文中，筆者將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入火災(zāi)逃生教學(xué)，提出了沉浸式虛擬建構(gòu)的教學(xué)理念和漸進(jìn)式的知識(shí)學(xué)習(xí)模式，以教學(xué)樓火災(zāi)逃生為例研究了沉浸式逃生教學(xué)系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)了虛擬火災(zāi)逃生的原型系統(tǒng)，并在實(shí)際教學(xué)中進(jìn)行了應(yīng)用。

1 虛擬火災(zāi)逃生的教學(xué)理念及感知模式

1.1 沉浸式虛擬建構(gòu)教學(xué)模式

建構(gòu)主義［4－6］認(rèn)為，教育不是簡單強(qiáng)硬地對(duì)學(xué)生實(shí)施知識(shí)的“填灌”，而應(yīng)該設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)“情境”，由學(xué)生主動(dòng)探索、建構(gòu)完成知識(shí)脈絡(luò)。建構(gòu)主義強(qiáng)調(diào)“情境”對(duì)學(xué)習(xí)的作用，強(qiáng)調(diào)“學(xué)習(xí)環(huán)境”而非“教學(xué)環(huán)境”對(duì)學(xué)習(xí)的作用。

在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上，筆者提出了“沉浸式虛擬建構(gòu)教學(xué)模式”，通過沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的認(rèn)知環(huán)境，設(shè)計(jì)了在現(xiàn)實(shí)世界中要完成的任務(wù)和故事情節(jié)，學(xué)生通過沉浸式體驗(yàn)、認(rèn)知，主動(dòng)參與和自主探索，獲取知識(shí)、訓(xùn)練技能和發(fā)現(xiàn)客觀規(guī)律。

1.2 沉浸式虛擬認(rèn)知環(huán)境

沉浸式建構(gòu)學(xué)習(xí)需要建立一個(gè)沉浸式的認(rèn)知環(huán)境，并在此基礎(chǔ)上設(shè)定滿足學(xué)習(xí)需要的故事化情節(jié)。在本文中，筆者設(shè)定的認(rèn)知環(huán)境是一棟虛擬的三層教學(xué)樓，設(shè)定的故事情節(jié)是該教學(xué)樓一樓發(fā)生火災(zāi)，煙火逐漸彌漫至整棟教學(xué)樓，學(xué)生通過沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，身臨其境地體驗(yàn)從火災(zāi)環(huán)境中逃生，快速疏散到教學(xué)樓外，并在此過程中通過處置以故事化情節(jié)展示的應(yīng)急事件，達(dá)到學(xué)習(xí)火災(zāi)逃生知識(shí)和技能的目的。

1.3 漸進(jìn)的探索學(xué)習(xí)模式

根據(jù)教學(xué)需要和學(xué)生的認(rèn)知水平，筆者為學(xué)生設(shè)計(jì)了漸進(jìn)的探索學(xué)習(xí)模式。根據(jù)學(xué)生在火災(zāi)逃生中的參與度，將該模式分為以下三種情形：1）觀察者學(xué)習(xí)模式。在這一模式下，觀察者在教學(xué)樓外以旁觀者的身份觀察樓內(nèi)的虛擬逃生人群及逃生過程，獲取對(duì)逃生過程的基本感知。2）跟隨者學(xué)習(xí)模式。在這一模式下，跟隨者比觀察者進(jìn)了一步，在逃生人群中以某人的視角，感受從教室內(nèi)向教室外逃生的過程，并通過觀察其他人的逃生行為（如彎腰、捂口鼻等），了解不同應(yīng)急事件下的自救措施。3）體驗(yàn)者學(xué)習(xí)模式。通過在上述兩種模式中對(duì)逃生過程的感知，參與者根據(jù)所掌握的火災(zāi)應(yīng)急知識(shí)和教學(xué)樓內(nèi)設(shè)置的應(yīng)急事件，依靠自己的判斷，采取合適的措施，完成從教學(xué)樓中逃生的過程。

以上學(xué)習(xí)模式顯示了虛擬現(xiàn)實(shí)沉浸感強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，把學(xué)生的被動(dòng)學(xué)習(xí)過程轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)探索過程，學(xué)習(xí)過程變成了循序漸進(jìn)掌握知識(shí)、反復(fù)強(qiáng)化逃生技能的過程。在遇到火災(zāi)時(shí)，學(xué)生應(yīng)掌握的逃生、救災(zāi)的知識(shí)和技能包括以下4個(gè)方面：遇到煙霧時(shí)，用濕毛巾捂住口鼻，俯身彎腰前行；遇到火災(zāi)時(shí)，千萬不可乘坐電梯逃生；滅火器只能撲滅小火，在使用滅火器時(shí)，應(yīng)拔掉保險(xiǎn)銷，在上風(fēng)向?qū)缁鹌鲊娮鞂?duì)準(zhǔn)火焰根部而非火焰頂部；在撥打火警電話時(shí)，應(yīng)準(zhǔn)確報(bào)出火災(zāi)地址、火勢(shì)大小，有無爆炸物品和危險(xiǎn)化學(xué)品，有無人員被困，留下自己的姓名及使用的電話號(hào)碼。

2 虛擬火災(zāi)逃生教學(xué)系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)

基于以上教學(xué)理念，筆者設(shè)計(jì)了如圖1所示的虛擬逃生教學(xué)系統(tǒng)的架構(gòu)。在構(gòu)建虛擬火災(zāi)環(huán)境的基礎(chǔ)上，通過虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔再現(xiàn)火災(zāi)場(chǎng)景，利用操控手柄控制視點(diǎn)位移?；跐u進(jìn)式學(xué)習(xí)理念，學(xué)生可以通過三種學(xué)習(xí)模式，完成對(duì)火災(zāi)逃生知識(shí)的沉浸式建構(gòu)學(xué)習(xí)。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 火災(zāi)模擬

對(duì)火災(zāi)事件的模擬是學(xué)習(xí)火災(zāi)逃生知識(shí)的重要基礎(chǔ)之一。在本系統(tǒng)中，筆者使用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬器（Fire Dynamics Simulator，F(xiàn)DS）來模擬和計(jì)算煙火的擴(kuò)散過程，模擬與計(jì)算步驟如圖2所示。FDS是美國國家標(biāo)準(zhǔn)研究所開發(fā)的模擬火災(zāi)中流體運(yùn)動(dòng)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件，能真實(shí)地計(jì)算火災(zāi)中的煙氣和熱傳遞過程，已在國際上得到了廣泛的應(yīng)用［7-9］。

以本文中給出的三層教學(xué)樓的火災(zāi)逃生為例的模擬過程為：將教學(xué)樓模型的剖分網(wǎng)格和起火位置等參數(shù)輸入FDS。FDS計(jì)算完成后，將結(jié)果讀取成結(jié)構(gòu)體，其中，x、y、z為空間位置，t為某一時(shí)刻，v為該位置在t時(shí)刻的值（如煙霧濃度等），并將結(jié)構(gòu)體序列在逃生模擬系統(tǒng)中按時(shí)間順序做動(dòng)態(tài)展示，模擬火災(zāi)及煙霧在教學(xué)樓中的擴(kuò)散過程。

圖2 基于FDS的火災(zāi)模擬與計(jì)算步驟

2.2.2 碰撞交互

學(xué)生開展探索式學(xué)習(xí)的重要途徑就是與虛擬場(chǎng)景及其中的對(duì)象發(fā)生各種交互，如學(xué)生逃生過程中躲避煙霧和不能使用電梯等。因此，虛擬場(chǎng)景中的煙霧和電梯節(jié)點(diǎn)均被添加上碰撞檢測(cè)器。學(xué)生與這些碰撞檢測(cè)器的距離小于一定閾值時(shí)，就可以認(rèn)為他們遇到了煙霧并受到了損傷，或者認(rèn)為他們采取不當(dāng)行為，例如想通過電梯逃生等。在這種情況下，碰撞檢測(cè)器將激發(fā)兩種事件：一是發(fā)出提示和警告信息，提示學(xué)生實(shí)施了錯(cuò)誤的行為，并提示他們采取正確的措施；二是將學(xué)生的行為記錄下來，并在逃生學(xué)習(xí)結(jié)束后通過評(píng)分系統(tǒng)做出評(píng)價(jià)。

2.2.3 運(yùn)動(dòng)交互

火災(zāi)逃生是連續(xù)的空間位移過程，參與者在模擬逃生過程中，不能也不應(yīng)該在虛擬空間中任意跳轉(zhuǎn)或躍進(jìn)。因此，可以使用控制手柄和虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔來實(shí)現(xiàn)連續(xù)的空間位移，用頭盔的朝向控制位移的方向，用控制手柄控制位移的速度和加速度。需要注意的是，虛擬現(xiàn)實(shí)中位置的移動(dòng)會(huì)給學(xué)生帶來暈眩感［10］，這是因?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)的臨場(chǎng)感很強(qiáng)，學(xué)生感覺身體在移動(dòng)，而實(shí)際上身體卻未動(dòng)，二者不一致就會(huì)導(dǎo)致暈眩感的產(chǎn)生。這種感覺會(huì)隨著突然變速（如由靜止到運(yùn)動(dòng)，或由運(yùn)動(dòng)到靜止，或中途改變速度）而更加明顯。為了減少暈眩感，筆者增加了緩加速再升檔的設(shè)計(jì)，即開始疏散時(shí)，學(xué)生可以通過很低的速度逃生，適應(yīng)虛擬現(xiàn)實(shí)以后再使用控制手柄提升速度，以縮短逃生時(shí)間。

2.2.4 目視交互

對(duì)于場(chǎng)景中的其他綁定事件，可以設(shè)置為非接觸式交互的對(duì)象，這些對(duì)象有可拿起的毛巾、可撥打的電話和可提示信息的按鈕等。對(duì)于非接觸式交互對(duì)象，可采用目視交互的方式實(shí)現(xiàn)操控。操控過程是：將頭盔的焦點(diǎn)（視點(diǎn)）對(duì)準(zhǔn)可交互對(duì)象并注視一定的時(shí)間，若注視時(shí)間為t，則當(dāng) t >T（T為設(shè)定的閾值）時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)動(dòng)作的激發(fā)，如拿起毛巾或撥打電話。使用目視交互的優(yōu)點(diǎn)是由雙手控制運(yùn)動(dòng)速度，由目視操控場(chǎng)景對(duì)象，這使得系統(tǒng)操作的功能區(qū)分在邏輯上更加清晰，也更容易為學(xué)生理解。

2.2.5 逃生人群模擬

在觀察者和跟隨者模式中，需要模擬多層教學(xué)樓內(nèi)的人群及其逃生過程。在本系統(tǒng)中，筆者使用社會(huì)力模型［11-12］作為模擬人群的基礎(chǔ)模型。社會(huì)力模型是二維的，它將行人的行為抽象為目標(biāo)吸引力

行人間的排斥力

和周圍障礙物的排斥力

等 3 種基本作用力，式（1）、式（2）和式（3）中的參數(shù)及意義見文獻(xiàn)［11］。

在這些作用力的作用下，逃生的人不斷修正自己的行為，實(shí)現(xiàn)從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的連續(xù)位移過程。

多層建筑內(nèi)連續(xù)疏散過程的計(jì)算可以使用文獻(xiàn)［13］中給出的投影場(chǎng)模型（圖3）。投影場(chǎng)模型的運(yùn)用包括：將建筑內(nèi)多個(gè)樓層/樓梯上的疏散人群投影到一個(gè)基準(zhǔn)平面，在該基準(zhǔn)平面上考慮鄰接區(qū)域（如樓梯和與之相連的樓層，層數(shù)記為m）內(nèi)行人的相互影響，通過經(jīng)典社會(huì)力模型計(jì)算人群的疏散行為，再將計(jì)算結(jié)果逆映射回原始樓層/樓梯，完成人群在多層建筑內(nèi)連續(xù)疏散過程的計(jì)算。

圖3 投影場(chǎng)模型

需要說明的是，在計(jì)算行人速度時(shí)，需要在社會(huì)力模型中引入急迫因子（急迫因子由行人的當(dāng)前速度與平均速度之間的關(guān)系確定［11］）來實(shí)現(xiàn)加速或減速，進(jìn)而達(dá)到逼近期望速度的目標(biāo)。這樣會(huì)造成“逃生者”始終處于“加速-減速-加速”的波動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)一步增加學(xué)生的暈眩感。因此，在計(jì)算人群的疏散過程時(shí)，可將虛擬人群的疏散速度固定為期望速度，穩(wěn)定的速度能緩解學(xué)生的暈眩感。

3 虛擬火災(zāi)逃生教學(xué)的原型系統(tǒng)及應(yīng)用

3.1 原型系統(tǒng)

基于以上教學(xué)理念和關(guān)鍵技術(shù)，筆者以Unity為渲染引擎，以O(shè)culus Rift CV1為虛擬現(xiàn)實(shí)沉浸式體驗(yàn)設(shè)備，以控制手柄作為連續(xù)位移設(shè)備，設(shè)計(jì)了建構(gòu)式虛擬火災(zāi)逃生教學(xué)的原型系統(tǒng)。圖4為原型系統(tǒng)的功能應(yīng)用的部分截圖，其中圖4（a）為觀察者模式的學(xué)習(xí)場(chǎng)景，圖4（b）為體驗(yàn)者模式的學(xué)習(xí)場(chǎng)景。需要說明的是，學(xué)習(xí)者需要做出相應(yīng)的動(dòng)作才能完成逃生過程中某一事件的處理。例如，圖4（b）就是學(xué)習(xí)者在遇到煙霧時(shí)所做出的俯身前行的動(dòng)作。

圖4 虛擬火災(zāi)逃生原型系統(tǒng)

基于以上提到的漸進(jìn)式學(xué)習(xí)模式，系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)知識(shí)的多角度展示，學(xué)生可循序漸進(jìn)地體會(huì)逃生過程，學(xué)習(xí)火災(zāi)知識(shí)，靈活運(yùn)用火災(zāi)逃生知識(shí)實(shí)現(xiàn)火災(zāi)逃生（圖 5、圖 6和圖 7）。

圖5 觀察者模式的場(chǎng)景

圖6 跟隨者模式的場(chǎng)景

圖7 體驗(yàn)者模式的場(chǎng)景

3.2 虛擬火災(zāi)逃生教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用及反饋

筆者將設(shè)計(jì)好的虛擬火災(zāi)逃生原型系統(tǒng)用于學(xué)生的虛擬逃生體驗(yàn)與建構(gòu)學(xué)習(xí)（圖8），之后對(duì)參與體驗(yàn)的學(xué)生及家長進(jìn)行了問卷調(diào)查，對(duì)部分學(xué)生進(jìn)行了跟蹤回訪。調(diào)查內(nèi)容包括系統(tǒng)的可用度、體驗(yàn)的真實(shí)感和體驗(yàn)學(xué)習(xí)效果等。受訪的家長和學(xué)生反映系統(tǒng)運(yùn)行流暢，場(chǎng)景對(duì)象的操作和控制方便，易于使用。他們還反映虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中真實(shí)感很強(qiáng)，能親身感受火災(zāi)逃生時(shí)的緊張氣氛，與傳統(tǒng)的靜態(tài)圖片式教學(xué)相比，虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)留下的印象更加深刻，經(jīng)過很長一段時(shí)間仍能回想起虛擬逃生的情景以及其中的應(yīng)急環(huán)節(jié)。

學(xué)生對(duì)漸進(jìn)式學(xué)習(xí)模式給予了較高評(píng)價(jià)，他們認(rèn)為能從多個(gè)角度循序漸進(jìn)地掌握火災(zāi)逃生知識(shí)，還認(rèn)為引入逃生人群增加了代入感，虛擬的人群將他們迅速吸引到火災(zāi)的逃生情景中去，這是一種新穎、安全和可重復(fù)的教學(xué)模式。

部分家長和學(xué)生反映在體驗(yàn)該系統(tǒng)時(shí)存在或多或少的暈眩感，這說明本系統(tǒng)對(duì)軟件層次的優(yōu)化只能在一定程度上降低暈眩感，真正消除還需要硬件層次的支持。

圖8 輔助學(xué)生進(jìn)行的虛擬現(xiàn)實(shí)逃生訓(xùn)練

4 結(jié)束語

在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展的大背景下，筆者將該技術(shù)引入危險(xiǎn)性災(zāi)害事件的教學(xué)，提出了沉浸式虛擬建構(gòu)學(xué)習(xí)理念和漸進(jìn)式知識(shí)學(xué)習(xí)模式，并以教學(xué)樓內(nèi)火災(zāi)逃生為例，設(shè)計(jì)了沉浸式建構(gòu)學(xué)習(xí)的原型系統(tǒng)，并在實(shí)際教學(xué)中進(jìn)行了應(yīng)用。結(jié)果表明：這是一種安全、可重復(fù)的學(xué)習(xí)方式，可彌補(bǔ)實(shí)際疏散演習(xí)在可重復(fù)性上的不足；該種學(xué)習(xí)模式體驗(yàn)感強(qiáng)、互動(dòng)性高，相比于傳統(tǒng)的基于圖片的教學(xué)模式，學(xué)習(xí)者對(duì)逃生知識(shí)的掌握更為深刻，印象也更為持久。

需要說明的是，筆者設(shè)計(jì)的是單人虛擬逃生系統(tǒng)，虛擬建構(gòu)學(xué)習(xí)模式是面向個(gè)體的，下一步的研究內(nèi)容將重點(diǎn)關(guān)注多人參與的虛擬逃生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和發(fā)展協(xié)作式虛擬建構(gòu)學(xué)習(xí)模式的探索。