安全專業(yè)綜合3D+無人機(jī)虛擬仿真教學(xué)體系的設(shè)計(jì)與研究

孫紅偉 王小輝

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?結(jié)合廣東省實(shí)踐教學(xué)基地建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，探討了安全專業(yè)虛擬仿真教學(xué)體系建設(shè)，總結(jié)了安全類專業(yè)虛擬仿真教學(xué)特點(diǎn)。結(jié)合校企合作，介紹了虛擬仿真教學(xué)體系建設(shè)總體框架，安全專業(yè)教學(xué)資源庫的建設(shè)內(nèi)容、虛擬仿真體系教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)內(nèi)容，以新的教學(xué)模式推動(dòng)職業(yè)教育的1+X證書體制實(shí)施，彰顯了安全專業(yè)虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)特色。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?仿真教學(xué);虛擬仿真;教學(xué)模式;3D工廠

[中圖分類號(hào)] ?G712 ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] ?A ? ? ? ? ? ?[文章編號(hào)] ?2096-0603（2020）13-0114-02

安全專業(yè)涵蓋化工企業(yè)安全管理、企業(yè)危險(xiǎn)化學(xué)品管理、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急等方向，企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜、生產(chǎn)工藝危險(xiǎn)性大，出于安全考慮，一般不會(huì)接收在校生進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，學(xué)校也無法將危險(xiǎn)的生產(chǎn)車間搬進(jìn)課堂。虛擬仿真教學(xué)就是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所營造的虛擬仿真環(huán)境，并依據(jù)真實(shí)環(huán)境中的相關(guān)理論和實(shí)踐操作規(guī)程在虛擬仿真環(huán)境中進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)、操作、驗(yàn)證和運(yùn)行等的教學(xué)方式。安全專業(yè)的虛擬仿真教學(xué)體系可以避免實(shí)踐教學(xué)的危險(xiǎn)性，解決職業(yè)教育與就業(yè)崗位脫節(jié)的問題。

對(duì)此，欒飛、閻玉芹等人開展了“基于Unity3D的液壓傳動(dòng)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)”;陳靜做了甲基叔丁基醚裝置虛擬仿真教學(xué)軟件的開發(fā)和設(shè)計(jì);梁德福開展了“三維虛擬仿真技術(shù)在汽車維修教學(xué)中的應(yīng)用”研究;劉尚明開展了“三維虛擬仿真教學(xué)模式在職業(yè)教育中的應(yīng)用研究”;業(yè)紅玲開展了“應(yīng)用型本科院校汽車構(gòu)造課程虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”研究工作[1-5]。

一、安全類專業(yè)虛擬仿真教學(xué)特點(diǎn)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用愈加廣泛，教學(xué)仿真軟件的開發(fā)在很大程度上打破了傳統(tǒng)教學(xué)模式的束縛，為教育的改革帶來了新的曙光[6-9]。

（一）高效率的教學(xué)

安全類專業(yè)職業(yè)教育特點(diǎn)：（1）需要對(duì)生產(chǎn)環(huán)境總體把握;（2）危險(xiǎn)工藝及危險(xiǎn)因素識(shí)別;（3）風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急響應(yīng)及處理;（4）事故救援與演練;（5）防火防爆。這些特點(diǎn)是無法從普通實(shí)驗(yàn)室的實(shí)訓(xùn)中完全實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)，因?yàn)榫哂泻艽蟮奈ｋU(xiǎn)性，學(xué)生參加企業(yè)實(shí)踐有很大的風(fēng)險(xiǎn)，安全類專業(yè)實(shí)訓(xùn)經(jīng)常與現(xiàn)實(shí)脫節(jié)。

安全類專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中需要考慮廠區(qū)環(huán)境、危險(xiǎn)工藝、危險(xiǎn)因素、應(yīng)急處置、防火防爆等綜合因素，實(shí)踐教學(xué)困難重重。虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展為安全專業(yè)實(shí)訓(xùn)提供了廣闊空間，實(shí)踐教學(xué)中，運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)，提高學(xué)習(xí)效率，營造學(xué)習(xí)氛圍。

（二）低成本地塑造三維工廠

虛擬仿真教學(xué)設(shè)施包括設(shè)備和軟件，投資比較大，耗時(shí)也比較長(zhǎng)，目前的軟件只提供某些固定的工藝環(huán)節(jié)及場(chǎng)景，無法做到真正的仿真。同時(shí)，在教學(xué)過程中，一套設(shè)備軟件只滿足一兩門課程教學(xué)，教學(xué)過程缺乏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，資源沒有科學(xué)的共享，造成資源浪費(fèi)。

安全專業(yè)虛擬仿真體系在無人機(jī)拍攝基礎(chǔ)上與計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合，通過后期分析處理，利用3D等軟件構(gòu)建三維自動(dòng)化模型，航拍后將生產(chǎn)中的工藝元素建成模，形成三維工廠，達(dá)到實(shí)地實(shí)時(shí)實(shí)踐教學(xué)，在訓(xùn)練學(xué)生的同時(shí)，也可以為工廠提供技術(shù)管理資源，解決了目前大部分仿真實(shí)訓(xùn)只有演示功能的問題，由于3D+無人機(jī)技術(shù)結(jié)合成本低，實(shí)訓(xùn)素材可以隨時(shí)航拍企業(yè)環(huán)境及工藝，資源豐富，將實(shí)際企業(yè)生產(chǎn)過程與理論和實(shí)驗(yàn)課學(xué)習(xí)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，解決了目前虛擬仿真實(shí)訓(xùn)遇到的難題。

（三）安全環(huán)保

職業(yè)教育以“培養(yǎng)生產(chǎn)、建設(shè)、服務(wù)和管理第一線高素質(zhì)技能型專門人才”為目標(biāo)，在真實(shí)的崗位環(huán)境學(xué)習(xí)和訓(xùn)練是職教學(xué)生掌握技能的最佳途徑。然而由于受資金、技術(shù)、時(shí)空、企業(yè)等客觀因素限制，安全專業(yè)實(shí)訓(xùn)存在危險(xiǎn)性及污染性，不宜實(shí)訓(xùn)，校園無法為學(xué)生提供所有專業(yè)真實(shí)崗位的學(xué)習(xí)環(huán)境，也沒有能力做到讓所有學(xué)生都獲得充分“操作”的機(jī)會(huì)，造成所學(xué)知識(shí)與技能跟不上行業(yè)潮流。

基于安全專業(yè)有關(guān)的虛擬仿真教學(xué)體系借助于虛擬仿真手段，使不可及、不可視、高風(fēng)險(xiǎn)、高污染等操作過程變得直觀形象，更具可操作性，充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體作用，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，避免了污染與危險(xiǎn)。

（四）校企合作特色課程

學(xué)校與企業(yè)合作，實(shí)時(shí)更新改進(jìn)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)素材，融入模型化的數(shù)據(jù)，并與VR等設(shè)備匹配，搭建虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)教學(xué)平臺(tái)，研究設(shè)計(jì)改進(jìn)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，形成聯(lián)動(dòng)機(jī)制，建設(shè)包括虛擬企業(yè)、虛擬場(chǎng)景、虛擬設(shè)備以及虛擬項(xiàng)目、生產(chǎn)工具、生產(chǎn)對(duì)象、生產(chǎn)場(chǎng)景、基地管理制度等實(shí)踐教學(xué)特色課程。

二、安全專業(yè)虛擬仿真教學(xué)體系總體框架

從安全專業(yè)學(xué)科整體考慮，科學(xué)合理地設(shè)計(jì)虛擬教學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)及教學(xué)方法，通過研究設(shè)計(jì)，形成安全類職業(yè)實(shí)訓(xùn)虛擬仿真教學(xué)課程體系、課程標(biāo)準(zhǔn)、整體設(shè)計(jì)及實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)。

虛擬仿真教學(xué)體系以安全類主體課程為研究基礎(chǔ)，將安全專業(yè)課程危險(xiǎn)化學(xué)品安全技術(shù)、工藝單元運(yùn)行安全技術(shù)、風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急管理、消防安全、防火與防爆安全技術(shù)、建筑施工安全技術(shù)、環(huán)境工程技術(shù)、機(jī)械安全技術(shù)融合成一個(gè)整體，課程之間可以相互借鑒，取長(zhǎng)補(bǔ)短，有機(jī)結(jié)合。

采用人機(jī)拍攝+VR+3D技術(shù)構(gòu)建逼真的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，使學(xué)生在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中進(jìn)行高效及安全且經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)效果，達(dá)到安全專業(yè)教學(xué)改革的目的（教學(xué)總體框架如圖）。

三、安全專業(yè)虛擬仿真教學(xué)體系教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

（一）教學(xué)設(shè)計(jì)

安全類專業(yè)虛擬仿真教學(xué)設(shè)計(jì)研究首先從企業(yè)調(diào)研與職業(yè)崗位分析著手，以職業(yè)崗位真實(shí)的工作任務(wù)及其工作過程為依據(jù)，整合、序化教學(xué)內(nèi)容，精心設(shè)計(jì)教學(xué)過程，充分利用虛擬仿真技術(shù)，真實(shí)地再現(xiàn)和模擬現(xiàn)場(chǎng)工作情境。教學(xué)設(shè)計(jì)過程中，實(shí)施素材收集制作，虛擬實(shí)驗(yàn)軟硬件協(xié)同，逐步形成課程體系、課程標(biāo)準(zhǔn)，建立安全類專業(yè)虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)，具體內(nèi)容包括如下幾個(gè)方面。

1.確定教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容。與企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)專家和工程師進(jìn)行專業(yè)崗位能力分析，了解相關(guān)職業(yè)崗位的任職要求和職業(yè)能力需求。

2.以職業(yè)能力需求為依據(jù)，以工作過程為導(dǎo)向，確定職業(yè)崗位所需的專業(yè)能力、方法能力和社會(huì)能力等職業(yè)能力目標(biāo)以及職業(yè)崗位能力所對(duì)應(yīng)的知識(shí)目標(biāo)。

3.按照需求分析階段所設(shè)計(jì)的職業(yè)能力目標(biāo)的類型和層次，將這些典型工作任務(wù)進(jìn)行整合與序化，設(shè)計(jì)出難度適中的典型學(xué)習(xí)任務(wù)，明確虛擬仿真教學(xué)方向，虛擬仿真教學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)，為虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

4.根據(jù)前期設(shè)計(jì)收集制作仿真實(shí)驗(yàn)軟件素材，采用無人機(jī)技術(shù)收集素材，使用3DsMax等軟件來制作三維工藝及動(dòng)畫，利用VR交互設(shè)備結(jié)合軟件開發(fā)教學(xué)系統(tǒng)。

5.建立安全類虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。按照教學(xué)任務(wù)設(shè)計(jì)中確定的典型學(xué)習(xí)任務(wù)，確定虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的功能、組成結(jié)構(gòu)和技術(shù)路線，設(shè)計(jì)具有安全技術(shù)管理特色的3D虛擬空間，實(shí)現(xiàn)生動(dòng)立體的場(chǎng)景展示、模擬、體驗(yàn)、互動(dòng)的一體化實(shí)驗(yàn)功能。

（二）教學(xué)體系內(nèi)容

安全專業(yè)虛擬仿真教學(xué)體系內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面。

1.結(jié)合企業(yè)崗位，制定安全類專業(yè)課程實(shí)踐教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，包括危險(xiǎn)化學(xué)品安全技術(shù)、工藝單元運(yùn)行安全技術(shù)、風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急管理、消防安全、防火與防爆安全技術(shù)、建筑施工安全技術(shù)、環(huán)境工程技術(shù)、機(jī)械安全技術(shù)等課程，根據(jù)課程需要走訪相應(yīng)企業(yè)，利用無人機(jī)航拍技術(shù)，收集關(guān)鍵工藝及廠房的圖片數(shù)據(jù)，利用3Dmax等軟件將圖片數(shù)據(jù)三維化、模型化，形成安全類專業(yè)虛擬仿真教學(xué)資源庫。

2.以單門課程為基礎(chǔ)，建立開設(shè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)的模塊，設(shè)計(jì)單門課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)，在單門課程的仿真實(shí)訓(xùn)方案的基礎(chǔ)上，以安全類專業(yè)為整體，開設(shè)公共虛擬仿真實(shí)訓(xùn)課和各門課程的特色實(shí)訓(xùn)課，制定綜合課程標(biāo)準(zhǔn)，形成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)綜合體系。

3.以安全類專業(yè)特色為起點(diǎn)，建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)平臺(tái)，統(tǒng)籌管理安全類虛擬實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)課程開設(shè)，整理建設(shè)成果，建設(shè)安全類虛擬仿真教學(xué)資源庫。

四、結(jié)束語

安全類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)研究成本低，方法靈活，可以在其他專業(yè)推廣，加快信息化教學(xué)的進(jìn)度。安全類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)研制，填補(bǔ)了該領(lǐng)域的空白，應(yīng)用推廣價(jià)值非常高。

隨著高職院校1+X證書教學(xué)改革的推進(jìn)，職業(yè)教育技術(shù)應(yīng)用水平的不斷提高，安全專業(yè)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)為安全專業(yè)教育提供了一體化虛擬實(shí)踐教學(xué)模式，結(jié)合校企合作，實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)的雙向互助，在為學(xué)生帶來更優(yōu)的學(xué)習(xí)效果的同時(shí)，提升了職業(yè)院校的社會(huì)服務(wù)能力。

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