VR技術在消防與應急救援技術裝備課程實踐教學中的應用

高仲亮 唐瑞 龍騰騰 李智 崔飛 王秋華

摘? 要 隨著社會的不斷發(fā)展，VR技術的需求正在攀升，成為社會上被廣泛認可的現(xiàn)代教育技術，可以提供安全、便捷的技術手段。通過闡述VR技術和虛擬教學的優(yōu)勢，并剖析現(xiàn)階段消防與應急救援技術裝備課程存在的問題，提出VR技術應用于消防與應急救援技術裝備課程實踐教學的優(yōu)勢，以期VR技術在高校教學中得到普遍應用。

關鍵詞 虛擬現(xiàn)實技術;消防工程專業(yè);消防與應急救援技術裝備;實踐教學;虛擬教學

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）02-0043-03

0 前言

消防與應急救援技術裝備是消防工程專業(yè)的重要課程，傳統(tǒng)的紙質教學、多媒體教學以及實踐教學很難達到良好的教學效果，特別是實踐教學需要面對的安全、時間、經濟及參與度等方面的問題，給課程教學和實踐帶來巨大難題，學生被動接受、積極性不高，學習知識存在抽象、片面、零散的問題，在實際運用中操作不規(guī)范、不熟練甚至不會，存在極大安全隱患。因此，該課程的教學改革迫在眉睫，需要一種全新的教學方式來提高教學的安全性、時間經濟合理性以及學生的參與度。

目前，VR技術在國外消防安全教育領域的應用取得顯著成效。例如：漢思沃斯消防局和安全教育中心研發(fā)的消防安全仿真模擬系統(tǒng)可使學習者在逼真的火場中開展訓練[1];Colt Virtual Reality系統(tǒng)在普通人員的疏散訓練、消防人員的滅火救援訓練方面取得良好效果[2];美國Alabama

大學研究人員設計的虛擬訓練系統(tǒng)使參訓人員在反應速度以及設備操作上遠優(yōu)于未參加者[3]。我國在20世紀末開始將VR技術應用于消防訓練，也取得很好的效果。例如：后勤工程學院開發(fā)的消防戰(zhàn)術訓練和坦克撲火經驗系統(tǒng)實現(xiàn)了訓練的交互性、及時性和實時可視化[3];北京工業(yè)大學基于3D實時渲染技術的虛擬火災訓練系統(tǒng)取得良好的實際應用效果[4];吉林省長春大學協(xié)同企業(yè)開發(fā)了校園安全演習教學和評估系統(tǒng)，提高學生和教職員工的自我安全意識[5]。

1 虛擬現(xiàn)實技術與教學

虛擬現(xiàn)實技術? 虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術是虛擬與現(xiàn)實融合的全新實用技術，是融合電子計算機、影像、多媒體系統(tǒng)、模擬仿真及其他電子信息技術產生的一種建立和感受虛幻世界的現(xiàn)代電子技術系統(tǒng)軟件。時下VR技術在游戲娛樂、影視制作、醫(yī)藥學、國防、文化教育等領域均有涉及，尤其為教育培訓行業(yè)引入新的活力。VR技術具備強大的模擬仿真能力，能夠使客戶體驗到與真實世界難分真?zhèn)蔚沫h(huán)境，具備一切人們所有的感知，令人有一種親臨其境的感覺。VR技術的存有性、多感知性、易用性等特點使它受到眾人的鐘愛，其關鍵技術包含動態(tài)性自然環(huán)境建模技術、即時三維圖形模擬技術、立體式顯示信息和感應器技術、軟件系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境、信息系統(tǒng)集成技術，具備沉浸性（immersion）、交互性（interaction）、構想性（imagination）的特點。

虛擬教學? 虛似教學是傳統(tǒng)教學方式融入新技術的發(fā)展趨勢，是人們進入網絡空間開展文化教育與主題活動、塑造當代優(yōu)秀人才的一種新型教學方式。VR技術主要運用于日常教學、仿真操作以及圖書館建設等方面。

1）日常教學。目前高校教育已普及投影儀、影像設備等多媒體平面教學，但已難以激發(fā)學生的熱情、吸引學生的注意力。VR技術運用到教學中能改善上述不足，可將現(xiàn)實世界進行模擬構建并儲存于VR系統(tǒng)，讓學生使用VR裝備進入虛擬世界去了解所學事物，在聽覺、視覺、觸覺等感官上得到最大限度的體驗。虛擬課堂可在教師指導下將枯燥乏味的理論知識與仿真世界緊密結合，讓學生理解消化理論知識并開展模擬實驗。這種教學方式彌補了傳統(tǒng)課堂教學和實踐教學的諸多不足，如紙質和多媒體教學與實際不符，時間、空間、資源受限制等問題。虛擬教學可提高學生注意力、積極性，加深知識理解，提升學生自主學習與自我思考的能力，拓寬師生視野，提升教學效率。

2）仿真操作。傳統(tǒng)實驗和實踐教學都需要到特定場所開展，且須擁有指定裝備才可以實操，裝備數量短缺、裝備型號陳舊等問題導致學生積極性、參與度不高，實踐操作不足，無法達到高效的學習效率。將VR技術運用到實踐、實驗教學中，學生可在模擬環(huán)境下通過系統(tǒng)提示獨立完成操作，提升對知識的掌握、對裝備的了解和運用，實時輸出精準的實驗結果。

3）虛擬圖書館建設。圖書館是高校重要的綜合學習場所，存有各式各樣、多種類型的豐富資料及圖書，但傳統(tǒng)圖書館在管理、保存、數量以及時效性等方面均存在不足。將VR技術應用于大學圖書館，可以完全立體地呈現(xiàn)圖書館資源，降低管理難度的同時，任何資料都可以在同一時間多人使用，查找方便快捷，大幅度提高資源使用效率。學習裝備課程的學生也可更加充分地查閱相關圖書資源和各種消防與應急救援新型裝備。

2 現(xiàn)階段消防與應急救援技術裝備課程存在的問題

消防與應急救援技術裝備是消防工程專業(yè)一門重要的專業(yè)課程，該課程的最大特點在于實踐性強，要求學生掌握裝備理論知識的同時，更要掌握消防、救援裝備的現(xiàn)場使用。通過長期教學與實踐、學生溝通、考試成績分析以及教師課堂教學效果評估，發(fā)現(xiàn)該課程教學存在的主要問題包括：學生興趣度低，學習認真程度不夠;課程內容太多，課堂效果不理想;實踐學習受時間、資源限制多，只有少部分學生能夠參與，大部分學生只能觀看，無法親手操作;學生掌握的知識局限于客觀、片面的理解;等等?，F(xiàn)階段，該課程以紙質教學、多媒體教學、實踐教學等傳統(tǒng)教學方式為主，存在很多偏差和局限性。

紙質教學? 紙質教學是高校教育必不可少的環(huán)節(jié)。課本包含大量重要知識點，便于做筆記，但不便攜帶、容易損壞、知識含量有限且不可即時更新。這種教學方式枯燥乏味，難以吸引學生注意力，即使認真聽講也只能學到簡單的理論知識，缺乏實際操作演練，難以掌握理解，達不到最終的教學目標。

多媒體教學? 這是目前較為普遍的教學方式，優(yōu)化了紙質教學，擇優(yōu)選取書本上的內容，通過投影儀、電子白板、音響設備等媒介展現(xiàn)給學生。在消防與應急救援技術裝備課程教學中，利用多媒體影像功能，將各種裝備的操作方式、注意事項以及實際運用中的各種問題等通過動畫向學生展示出來，加深學生對注意事項的理解。然而，雖然多媒體教學解決了許多難題，但仍存在互動性弱、吸引力不強、參與性度不夠等缺點，無法有效實現(xiàn)最終的教學目標。

實踐教學? 學生對所學裝備進行訓練、操作，具有吸引力大、互動性強、生動實用的優(yōu)點。高校對于消防與應急救援技術裝備這類實踐性強的課程，往往受到裝備更新及數量、時間、空間、資金等的限制，學生常常只能使用陳舊的裝備或觀看操作，降低了學生的積極性和學習效率，無法熟練掌握、使用每一件裝備，很難達到預期的教學目的。

3 VR技術在消防與應急救援技術裝備課程教學中的應用

VR技術能夠在計算機上模擬所有的消防設施以及消防場景，并運用到消防與應急救援技術裝備實踐課程中。學生可以在教師的指導下進入虛擬世界進行消防裝備的操作訓練，具有不受裝備更新及數量、時間和空間限制，以及安全、節(jié)約資金等方面的優(yōu)勢。

不受裝備數量和更新困擾? 在以往的實踐教學中，由于儀器損壞和經費限制，總是存在儀器數量不足、老化嚴重、管理不當、數量不夠等問題，教師會使用狀況良好的裝備進行現(xiàn)場指導，加深裝備理解和使用，僅少部分學生能實際操作，大部分學生只能遠遠觀看，無法實現(xiàn)全員上手操作。同時，由于裝備更新不及時，實踐課程操作的裝備是書本介紹的前幾代裝備，導致現(xiàn)實操作與書本理論知識不符、缺少部分功能等問題。使用VR技術進行教學，系統(tǒng)開發(fā)人員會及時更新裝備，避免陳舊裝備教學導致的與所學理論知識不一致、裝備功能不完整等問題，能有效解決裝備數量不夠的問題。同時，購買VR裝備價格低廉，可節(jié)省大量購買裝備的資金。

不受時間和空間限制? 裝備實操需要特定場地，比如消防水泵就需要到戶外且有水的地方進行實操，需要提前與相關部門協(xié)商，安排實踐課程具體時間。使用VR技術可以突破時間和空間的限制，學生不會受到外界因素影響，可提高學習效率。

提高學生學習興趣? 有些學生由于自身原因，在理論教學和實踐教學中難以理解抽象的概念和原理，無法專心并且最終對學習失去興趣。VR可以直觀地向學生展示并使學生能夠模擬在虛擬世界的裝備操作，吸引學生注意力和興趣，加深對裝備操作的理解。

提高教學效率? VR技術在高校教學中的應用可有效提高學生的課堂參與率。利用虛擬環(huán)境模擬裝備，使學生對裝備進行有效的模擬訓練，在較短的時間內完成裝備的學習、了解，有效提高教學效率。

提升安全性? 在消防與應急救援裝備課程教學實踐中，某些滅火設備和救援設備存在一定的風險，如逃生緩降、消防鏈鋸、液壓剪等設備運行過程中存在很大風險，甚至會構成生命威脅。使用VR技術可降低操作風險，消除誤操作危險。

支持遠程應用和管理? 學生可以通過VR系統(tǒng)客戶端自主進入系統(tǒng)，教師進行遠程教學，與學生溝通，提升學習效率。

節(jié)省成本? 實踐教學需要通過反復培訓來完成裝備的學習和操作以達到教學目的，裝備磨損、消耗品消耗、實踐場地及裝備維護保養(yǎng)、裝備更新往往都需要大量資金的支持。VR技術可彌補實踐教學存在的裝備損耗、數量不夠以及需要大量消耗品的問題。隨著消防技術的快速發(fā)展，裝備更新速度快，要教好、學好這門課程需要大量物力及經費，VR技術的應用能很好地解決經費問題。

4 結語

通過闡述VR技術和虛擬教學的優(yōu)勢，并從消防與應急救援技術裝備課程存在的問題、傳統(tǒng)教學方式的缺點等方面出發(fā)，提出將VR技術應用于該課程教學，由此帶來提高安全性、節(jié)約成本、突破地域限制、消除外界因素對學習的影響、加深學生對課程的興趣、培養(yǎng)學生自主學習能力、提高教學效率等優(yōu)點。VR技術也可以應用于所有學科，學生在學習的同時也在檢驗知識，加強對知識的掌握。VR技術正在飛速地邁入教學領域，能很好地提高教學效率和質量，將逐步取代傳統(tǒng)的多媒體教學，在高校教學中得到普遍應用。

參考文獻

[1]王冠虎.基于虛擬現(xiàn)實技術的消防安全系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].天津：天津大學，2007.

[2]劉艷，邢志祥，劉偉.虛擬現(xiàn)實技術在消防模擬訓練中的應用研究進展[J].消防科學與技術，2009（3）：214-216.

[3]李劍鋒，張學魁.虛擬現(xiàn)實技術在消防訓練中的應用[J].武警學院學報，2008（2）：80-82.

[4]劉昆，王廣生.基于三維實時渲染技術的虛擬火災訓練系統(tǒng)設計[J].計算機應用，2005（8）：1962-1964.

[5]索金濤.基于虛擬現(xiàn)實技術的高校消防安全教育系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].武漢：華中師范大學.2017.