仿真平臺(tái)走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室安全教育與考核

文/ 姜曈 張悅 王啟要

打破傳統(tǒng)安全教育的弊端// 傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室安全教育往往紙上談兵，以“擺拍”和說教的方式對(duì)學(xué)生進(jìn)行灌輸，學(xué)生對(duì)危險(xiǎn)的印象不深，難以樹立防范意識(shí)。準(zhǔn)入資格考核也以筆試為主，不能真正考驗(yàn)學(xué)生是否具有避免、預(yù)判和處置危險(xiǎn)的能力。本文提出了一種仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)思路，能夠發(fā)揮出仿真技術(shù)直觀性強(qiáng)、操作自由度高、數(shù)據(jù)記錄分析便捷、成本低的優(yōu)勢，應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室安全教育，提高學(xué)生對(duì)安全教育的接受度，并提供一種便捷、能真實(shí)反映學(xué)生能力的準(zhǔn)入資格考評(píng)方式。

什么是仿真實(shí)驗(yàn)？仿真實(shí)驗(yàn)是一種新興的虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)，沒有普通意義上的實(shí)驗(yàn)器材，而是在計(jì)算機(jī)上用仿真軟件通過一定的程序設(shè)計(jì)來模擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)的效果。學(xué)生可以在仿真平臺(tái)中操作化工設(shè)備、挖掘礦井、培養(yǎng)微生物等等，例如，圖1所示極端條件下可控制備多維石墨烯虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)人員只需要登陸一臺(tái)計(jì)算機(jī)，就可以在任意時(shí)間地點(diǎn)進(jìn)行復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，不受氣候、物資、審批等因素的制約，不會(huì)產(chǎn)生真正的實(shí)驗(yàn)廢棄物和污染物，也節(jié)約了實(shí)體實(shí)驗(yàn)室所需的大量經(jīng)費(fèi)。

近年來，仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)迅速走入各大高校，用來代替一些成本較高的真實(shí)實(shí)驗(yàn)，或作為實(shí)踐教學(xué)的補(bǔ)充，為學(xué)生提供更便捷的實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)。隨著技術(shù)和設(shè)計(jì)理念的發(fā)展，仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建并不僅局限于傳統(tǒng)的理工實(shí)驗(yàn)，也可以是對(duì)一座歷史博物館或?qū)嵉亟虒W(xué)基地的模擬，讓學(xué)生足不出戶即可進(jìn)行模擬的實(shí)地游覽學(xué)習(xí)。

圖1 極端條件下可控制備多維石墨烯虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

在享受仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)帶來的便利的同時(shí)，我們必須注意到，目前絕大多數(shù)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)都有操作的局限性，實(shí)驗(yàn)流程基本固定，操作者與模擬場景的互動(dòng)性有限，缺少智能化互動(dòng)等缺點(diǎn)，學(xué)生在虛擬場景中無法充分發(fā)揮能動(dòng)性，只能按照既定動(dòng)作和流程進(jìn)行“正確的”操作，否則系統(tǒng)將無法做出反應(yīng)。這一方面證明仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)還沒有得到充分的開發(fā)、沒有完全模擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)具有的優(yōu)點(diǎn)，另一方面也意味著仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)擁有寬廣的可優(yōu)化空間，其虛擬性所具有的潛在優(yōu)勢是巨大的。如果優(yōu)化程序，仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)將會(huì)具有更加廣闊的應(yīng)用前景。

仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)室安全教育方面的應(yīng)用前景

實(shí)驗(yàn)室安全教育是所有實(shí)驗(yàn)相關(guān)人員的必修課。頻頻發(fā)生的實(shí)驗(yàn)室或工廠、工地安全事故，都在提醒著所有的實(shí)踐教學(xué)參與者，尤其是經(jīng)驗(yàn)少的學(xué)生，應(yīng)當(dāng)充分強(qiáng)化安全意識(shí)，培養(yǎng)處理突發(fā)事件的能力?！半[患險(xiǎn)于明火，防范勝于救災(zāi)”，實(shí)驗(yàn)室安全教育就是為了通過規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作、闡明潛在風(fēng)險(xiǎn)、傳授處置方法，來培養(yǎng)學(xué)生的防范意識(shí)和處突能力。然而，按照傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室安全教育的方法，僅靠幾段視頻演示、一張操作規(guī)范，并不能使學(xué)生很好地形成對(duì)危險(xiǎn)的直觀印象，難以讓他們意識(shí)到實(shí)驗(yàn)事故可能造成的嚴(yán)重后果，進(jìn)而也難以真正端正其防范意識(shí)、培訓(xùn)其處突能力。

俗話說“一朝被蛇咬，十年怕井繩”，想讓學(xué)生真正意識(shí)到事故的嚴(yán)重性、真正磨練操作能力，最好的方法便是讓他們感受一次事故的后果，并且靠自己的能力保護(hù)自己、生存下來。然而，任何教育或培訓(xùn)機(jī)構(gòu)都不可能真正讓學(xué)生承受“被蛇咬”的代價(jià)，而仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的出現(xiàn)，恰為這一難題提供了解決方案。通過對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行良好的程序設(shè)計(jì)，改變以往只允許學(xué)生進(jìn)行“正確”操作的弊端，進(jìn)一步允許學(xué)生進(jìn)行“錯(cuò)誤”的操作，教育者就可以利用仿真實(shí)驗(yàn)的虛擬性，在虛擬空間中模擬出許多在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中無法承受的危險(xiǎn)情況，讓學(xué)生沉浸式體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室危險(xiǎn)，并利用近乎無限的試錯(cuò)機(jī)會(huì)，通過自主探索的方式，發(fā)揮主觀能動(dòng)性，牢固地記憶危險(xiǎn)情況、其產(chǎn)生原因及其應(yīng)對(duì)方法，了解各種藥品、設(shè)備的性質(zhì)和安全隱患，真正成為合格的安全操作者。在學(xué)生的操作過程中，模擬環(huán)境能夠提供紙面考試所不能還原的現(xiàn)場感、時(shí)間感、心理壓力等隱形影響因素，通過平臺(tái)的數(shù)字化記錄，能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、真實(shí)的便捷考核，讓準(zhǔn)入資格更能反映真實(shí)情況。

仿真實(shí)驗(yàn)的一種設(shè)計(jì)思路

應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室安全教育上的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其程序的設(shè)計(jì)思路和具體編程可以在成熟領(lǐng)域的模擬器軟件基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)最終的學(xué)習(xí)教育性、錯(cuò)誤操作強(qiáng)化性和準(zhǔn)入考核真實(shí)性。

1.目標(biāo)主體

對(duì)實(shí)驗(yàn)基本操作和實(shí)驗(yàn)室組成有一定了解，但實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)很少的大學(xué)生。

2.目標(biāo)客體

一些操作技巧要求高，潛在危險(xiǎn)多，真實(shí)試錯(cuò)成本大的實(shí)驗(yàn)課程。

3.程序設(shè)計(jì)

核心思想是充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，盡量少給提示，少做限制，但是進(jìn)行的操作都有評(píng)分記錄，并最終生成結(jié)果。學(xué)生登陸平臺(tái)，系統(tǒng)會(huì)提示本次實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮突痉椒ǎ瑢W(xué)生隨即進(jìn)入仿真實(shí)驗(yàn)室；首先進(jìn)入準(zhǔn)備區(qū)，其中放置著各種學(xué)生可能用到的物品，學(xué)生需要根據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)方法和目的的認(rèn)識(shí)，自由選擇要帶進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的裝備，系統(tǒng)會(huì)記錄學(xué)生進(jìn)行的選擇并給出該步驟的分?jǐn)?shù)。這一步選擇的裝備對(duì)后續(xù)操作產(chǎn)生的影響，計(jì)入下一個(gè)環(huán)節(jié)。然后，學(xué)生進(jìn)入操作區(qū)域，進(jìn)行對(duì)應(yīng)的操作。

本系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的地方就在于其自由度高，學(xué)生控制的角色如同真人一樣，例如，圖2所示，可以被掌握的只有操作方向、操作方式和操作程度。對(duì)于一個(gè)待完成的操作，學(xué)生需要憑借自己對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解，先檢查環(huán)境，再進(jìn)行操作方向和操作方式的選擇，并在操作時(shí)把控其程度。如果學(xué)生對(duì)任意環(huán)節(jié)操作不當(dāng)，遺漏或誤操作，系統(tǒng)會(huì)模擬出對(duì)應(yīng)的事故結(jié)果，學(xué)生又要對(duì)這一事故狀況進(jìn)行補(bǔ)救操作，系統(tǒng)記錄并用于最終評(píng)分。在操作模擬結(jié)束后，系統(tǒng)根據(jù)全部操作記錄和事故狀況，對(duì)學(xué)生操縱的角色形象進(jìn)行身體傷害仿真，或按照設(shè)備藥品損失要求角色支付虛擬貨幣。最后系統(tǒng)講解學(xué)生是哪里出了問題被扣分，講解涉及到的事物的性質(zhì)和標(biāo)準(zhǔn)操作，學(xué)生學(xué)習(xí)后重新開始，直到最后完全規(guī)范完成，即可獲得準(zhǔn)入資格。

圖2 污水處理單元虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中學(xué)生操作的人物形象

4.實(shí)踐

將上述思路引入微生物實(shí)驗(yàn)。學(xué)生打開系統(tǒng)，系統(tǒng)提示：“本次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是倒平板培養(yǎng)基，你的操作方法、配方和劑量如下……”學(xué)生閱讀后，進(jìn)入仿真。首先進(jìn)入準(zhǔn)備室，其中有若干實(shí)驗(yàn)服，橡膠手套，隔熱手套，護(hù)目鏡，不同尺寸的量筒和錐形瓶，玻璃棒等基本用品。系統(tǒng)后臺(tái)設(shè)定學(xué)生應(yīng)選其中的一些（如前三項(xiàng)，不選則減分），可選其中的另一些（如護(hù)目鏡，選了不扣分），不可選無關(guān)的干擾項(xiàng)（如尺寸不恰當(dāng)?shù)牧客埠湾F形瓶，選了則扣分）。在后面的模擬中，例如“將仍有余熱的瓊脂液體培養(yǎng)基倒入培養(yǎng)皿”這一步，如果學(xué)生之前沒有選擇攜帶隔熱手套，操作角色用手直接接觸滾燙的錐形瓶，角色會(huì)發(fā)出痛苦的喊叫，造成深刻的視聽印象，系統(tǒng)會(huì)記錄這一問題。最終評(píng)分時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在角色形象上生成一只紅色的燙出水泡的手，并告知學(xué)生錯(cuò)誤在于沒有選擇隔熱手套。如果學(xué)生沒有很好地控制角色傾倒液體的力度，滾燙的液體會(huì)灑出來，造成不同程度的損害，比如污損了超凈臺(tái)，學(xué)生就需要進(jìn)行清理，在清理時(shí)又要保證其他部分免遭二次污染。最后得到一個(gè)低分結(jié)果，系統(tǒng)告知不足在于傾倒力度過大，或?yàn)R到了衣物上（這也對(duì)應(yīng)了實(shí)驗(yàn)服的選擇），最后生成一個(gè)衣服臟兮兮的人物形象，系統(tǒng)告知不足在于沒選擇實(shí)驗(yàn)服，以及傾倒力度沒有控制在合適區(qū)間。當(dāng)學(xué)生不斷重復(fù)這一實(shí)驗(yàn)?zāi)M，最終取得一個(gè)高分結(jié)果和一個(gè)完好無損的角色形象，系統(tǒng)即可評(píng)定其獲得了本實(shí)驗(yàn)的安全準(zhǔn)入資格。

仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用情況

在高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域，目前已有面向煤礦、化工、建筑領(lǐng)域的虛擬安全教育平臺(tái)，但可以發(fā)現(xiàn)，這些平臺(tái)大多仍不具有“試錯(cuò)-模擬傷害-加深印象”這一學(xué)習(xí)原理，仍是采用“游覽觀光”式的學(xué)習(xí)模式和循規(guī)蹈矩的操作模式，沒有真正發(fā)揮出虛擬實(shí)驗(yàn)的核心優(yōu)勢。

仿真平臺(tái)模擬真實(shí)生活所不能發(fā)生的危險(xiǎn)，考驗(yàn)和磨練操作者能力的這一核心優(yōu)勢，已經(jīng)在其他領(lǐng)域得到了一定的發(fā)展。尤其是在商業(yè)程度較高的電子競技領(lǐng)域、虛擬教學(xué)起步較早的特種車船飛行器駕駛員訓(xùn)練領(lǐng)域，現(xiàn)已存在多款高自由度、高操作性、高智能化的場景模擬類模擬器軟件，仿真場景主要集中在戰(zhàn)場等危險(xiǎn)環(huán)境或高技術(shù)要求的設(shè)備操作環(huán)節(jié)，例如模擬戰(zhàn)場對(duì)抗以進(jìn)行虛擬競賽、模擬特種車輛的駕駛以訓(xùn)練駕駛員、模擬軍用航空器的飛行和起降以訓(xùn)練飛行員等等。

總結(jié)與展望

當(dāng)今世界，基于互聯(lián)網(wǎng)+、人工智能和大數(shù)據(jù)的虛擬世界正在突飛猛進(jìn)地開疆拓土，包括實(shí)驗(yàn)室教學(xué)工作在內(nèi)的傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)科目也應(yīng)當(dāng)更好地利用這一新技術(shù)作為傳統(tǒng)方法的重要補(bǔ)充手段，傳統(tǒng)上少有結(jié)合實(shí)踐的理論教學(xué)科目也應(yīng)當(dāng)借助虛擬平臺(tái)的便捷性，進(jìn)行更多的實(shí)踐探索。各實(shí)驗(yàn)教學(xué)部門應(yīng)當(dāng)與計(jì)算機(jī)專業(yè)更緊密地進(jìn)行學(xué)科交叉，設(shè)計(jì)出更符合真實(shí)操作環(huán)境的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在虛擬世界中構(gòu)建出真實(shí)實(shí)驗(yàn)中難以實(shí)現(xiàn)的環(huán)境，為學(xué)生帶來更加全面的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)體驗(yàn)。本文所述的利用仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室安全教育和準(zhǔn)入考核，僅僅是未來無數(shù)種應(yīng)用前景中的滄海一粟，只是這一宏大潮流中微小的一滴水，如果能拋磚引玉，啟發(fā)廣大的實(shí)踐教學(xué)工作者和計(jì)算機(jī)專家，將真實(shí)實(shí)驗(yàn)的仿真創(chuàng)新繼續(xù)向前推進(jìn)，筆者將不勝榮幸。