基于VR技術(shù)的化工安全技術(shù)理實(shí)一體化課程改革與實(shí)踐*

程雷相

(甘肅能源化工職業(yè)學(xué)院， 甘肅 蘭州 730207)

《國家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中明確提出，要支持各級各類院校建設(shè)智慧校園，綜合利用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)探索未來教育教學(xué)新模式。作為一項尖端科技，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality，簡稱VR)是在21世紀(jì)興起的綜合性信息技術(shù)。目前，VR技術(shù)在諸多社會領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，尤其在職業(yè)教育教學(xué)領(lǐng)域中，VR技術(shù)所提供的直觀性、互動性、沉浸性的教學(xué)體驗(yàn)，對學(xué)生職業(yè)技能提升和職業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)有很大的幫助。

作為應(yīng)用化工技術(shù)專業(yè)的核心課程，《化工安全技術(shù)》理實(shí)一體化課程的創(chuàng)新改革勢在必行。傳統(tǒng)的課程內(nèi)容包括：化工安全生產(chǎn)理念與職業(yè)素養(yǎng)、危險化學(xué)品的儲存和運(yùn)輸、防火防爆技術(shù)、工業(yè)防毒技術(shù)、電氣安全技術(shù)、壓力容器與鍋爐安全技術(shù)、裝置檢修安全技術(shù)和安全技術(shù)法律法規(guī)等。這些內(nèi)容具有理論性和實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，適合理實(shí)一體化教學(xué)。然而，在課程開發(fā)過程中，筆者發(fā)現(xiàn)，利用現(xiàn)有的裝置設(shè)備教學(xué)雖然能提高學(xué)生的理論知識水平和技能水平，但對學(xué)生的安全素養(yǎng)和職業(yè)道德的提升有局限性。另外，在教學(xué)過程中，課程內(nèi)容的特殊性又帶來了一定的安全隱患，尤其在實(shí)訓(xùn)課程中比較明顯。比如，防火防爆技術(shù)部分，學(xué)生的主要技能培養(yǎng)在于初起火災(zāi)的撲救與應(yīng)急預(yù)案的演練環(huán)節(jié)。然而，這些實(shí)訓(xùn)場所相對于生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)缺乏的學(xué)生而言非常危險。為了確保教學(xué)中的安全，指導(dǎo)教師一般以演示的教學(xué)方法進(jìn)行教學(xué)。導(dǎo)致教學(xué)效果差，無法培養(yǎng)學(xué)生的事故現(xiàn)場的應(yīng)急處置能力，也滿足不了化工生產(chǎn)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(shù)，開發(fā)新的教學(xué)資源，采用新的教學(xué)手段則是《化工安全技術(shù)》理實(shí)一體化課程教學(xué)的當(dāng)務(wù)之急。VR 技術(shù)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(shù)》理實(shí)一體化課程的教學(xué)帶來了新思路。

1 基于VR技術(shù)的課程開發(fā)

我校注重與企業(yè)之間的合作，跟北京東方仿真軟件技術(shù)有限公司合作開發(fā)了實(shí)驗(yàn)室安全技術(shù)、受限空間安全技術(shù)、化工企業(yè)設(shè)備、流程認(rèn)知、化工企業(yè)火災(zāi)事故處理、化工企業(yè)泄露事故處理、化工企業(yè)應(yīng)急演練等VR系統(tǒng)。基于以上系統(tǒng)，開發(fā)設(shè)計了教學(xué)課程。

1.1 實(shí)驗(yàn)室安全技術(shù)

1.1.1 學(xué)習(xí)模塊

實(shí)驗(yàn)室安全知識學(xué)習(xí)模塊。通過學(xué)習(xí)模塊，可以有效學(xué)習(xí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室各種安全知識、應(yīng)急逃生技能，如表1所示。設(shè)有全程語音提示和高亮引導(dǎo)，可以讓體驗(yàn)者置身逼真的實(shí)驗(yàn)室情境中，提高體驗(yàn)者的學(xué)習(xí)興趣，更好地自主學(xué)習(xí)。實(shí)驗(yàn)室安全知識學(xué)習(xí)模塊包含三個環(huán)節(jié)：安全防護(hù)用品選用、安全設(shè)施的使用；滅火逃生；隱患識別與處理。

實(shí)驗(yàn)室安全VR系統(tǒng)設(shè)置的試驗(yàn)背景為苯、甲苯蒸餾實(shí)驗(yàn)。苯、甲苯試劑均為易燃、有毒液體，蒸餾實(shí)驗(yàn)又為常規(guī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)科目，涉及到火災(zāi)爆炸、電器安全、個人防護(hù)、事故救護(hù)等均為實(shí)驗(yàn)室常見類型，實(shí)現(xiàn)情境的選擇具有通用性。軟件以第一人稱的方式，讓學(xué)生可以置身逼真的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中。實(shí)驗(yàn)室安全VR系統(tǒng)交互情節(jié)設(shè)置合理，充分考慮了真實(shí)實(shí)驗(yàn)室場景中的情況，并力求與實(shí)際場景一直，見圖1。

表1 課程涉及的主要知識點(diǎn)

圖1 實(shí)驗(yàn)室安全技術(shù)VR系統(tǒng)

考核評價模塊?？己四K是對學(xué)習(xí)模塊中的學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行考察，體驗(yàn)者在無引導(dǎo)的情況下進(jìn)行安全防護(hù)用品選用、安全設(shè)施的使用、滅火逃生、隱患識別與處理等模塊的考察。考核分?jǐn)?shù)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(yàn)者可進(jìn)入軟件重新學(xué)習(xí)或測試。

1.1.2 系統(tǒng)功能及學(xué)習(xí)流程

手柄的主要功能包括移動、物品使用、物品拾取、綜合運(yùn)用等功能，見圖2。

①開關(guān)機(jī)；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(shù)

1.2.1 學(xué)習(xí)情景設(shè)置

典型污水處理廠受限空間安全事故處理VR系統(tǒng)，采用VR技術(shù)，形成一個沉浸式的三維仿真環(huán)境，需要根據(jù)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(shè)和工藝布局要求，建立污水處理廠仿真教學(xué)場景模型。

根據(jù)典型污水處理廠建設(shè)和工藝布局要求，建立現(xiàn)代化污水處理廠仿真教學(xué)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(jī)房、風(fēng)機(jī)房、化驗(yàn)室、中控室、初沉池、生化池等單體生產(chǎn)設(shè)備模型。進(jìn)入仿真軟件，學(xué)員可控制人物在廠區(qū)行走，并進(jìn)入到相應(yīng)的事故單體建筑模型附近進(jìn)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(shù)VR系統(tǒng)

1.2.2 課程知識點(diǎn)及學(xué)習(xí)說明

詳見表3。

表3 受限空間作業(yè)知識點(diǎn)及學(xué)習(xí)說明

2 課程設(shè)計

2.1 學(xué)習(xí)目標(biāo)的制定

基于VR技術(shù)的開發(fā)的課程在學(xué)習(xí)目標(biāo)的制定中，要結(jié)合學(xué)生自身的情況，目標(biāo)不宜過難，主要為技能提升方面的。另外，VR技術(shù)的創(chuàng)新也體現(xiàn)出了我國信息科技的進(jìn)步。因此，學(xué)習(xí)目標(biāo)從知識目標(biāo)、能力目標(biāo)、素質(zhì)目標(biāo)和課程思政目標(biāo)四個維度展開設(shè)計。描述學(xué)習(xí)目標(biāo)的時候要用具體的內(nèi)容進(jìn)行描述，例如，知識目標(biāo)的描述可以是說出VR滅火系統(tǒng)的組成部件、歸納總結(jié)在VR系統(tǒng)上滅火的操作規(guī)范等。能力目標(biāo)的描述為在VR滅火系統(tǒng)里面進(jìn)行簡單的操作，例如，空間漫游、拾取物體，使用物體等。素質(zhì)目標(biāo)的描述為意識到安全生產(chǎn)的重要性，培養(yǎng)學(xué)生面對險情而臨危不亂的職業(yè)素養(yǎng)。

關(guān)于課程思政，思政的元素可以為體會國家先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，意識到國家逐步強(qiáng)大，培養(yǎng)愛國精神和民族自豪感。方法舉措包括教師結(jié)合現(xiàn)有的設(shè)備和軟件介紹虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，體驗(yàn)VR技術(shù)的科技感。科技是第一生產(chǎn)力，先進(jìn)的科技彰顯國家的實(shí)力。

2.2 教學(xué)策略

分為課前預(yù)習(xí)、課上學(xué)習(xí)和課后鞏固三個環(huán)節(jié)。課前，將本次教學(xué)任務(wù)用到的理論知識制作成課件并通過學(xué)習(xí)通軟件傳到學(xué)生的手機(jī)端進(jìn)行課前預(yù)習(xí)工作；課上實(shí)施具體的學(xué)習(xí)活動。例如，在VR體驗(yàn)室里面介紹VR系統(tǒng)(設(shè)備、軟件)，體驗(yàn)VR系統(tǒng)操作過程，演示在VR系統(tǒng)上滅火的過程，并指導(dǎo)學(xué)生操作練習(xí)。課后，開放VR體驗(yàn)室，鼓勵學(xué)生繼續(xù)體驗(yàn)VR系統(tǒng)。

3 教學(xué)效果及反思

3.1 效果反饋

將VR系統(tǒng)引入到《化工安全技術(shù)》課程中進(jìn)行教學(xué)是我們的創(chuàng)新之舉。該項措施首先在應(yīng)用化工技術(shù)專業(yè)20級學(xué)生中實(shí)施。課題組在20級應(yīng)用化工技術(shù)1班中隨機(jī)抽取了20名學(xué)生(該班共計35名學(xué)生)作為調(diào)查對象進(jìn)行訪談。訪談的內(nèi)容包括教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成度、課程參與度、體驗(yàn)感、教學(xué)設(shè)計滿意度、教學(xué)效果提升等。學(xué)生的反饋包括：①該系統(tǒng)的應(yīng)用極大的增加了學(xué)習(xí)興趣；②體驗(yàn)了先進(jìn)科技帶來的滿足感；③解決了仿真系統(tǒng)練習(xí)滅火真實(shí)感不強(qiáng)的問題；④鍛煉了學(xué)生處理火災(zāi)時臨危不亂的心理素質(zhì)；⑤培養(yǎng)了學(xué)員職業(yè)素養(yǎng)?？傊?，《化工安全技術(shù)》理實(shí)一體化課程引進(jìn) VR 系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)，充分發(fā)揮了VR技術(shù)的直觀性、互動性、沉浸性，在逼真的工作場景下學(xué)習(xí)，既提高了教學(xué)效果又消除了安全隱患。另外，新科技的體驗(yàn)也一定程度上增加了學(xué)生的民族自豪感。將課程思政內(nèi)容與專業(yè)課有機(jī)結(jié)合，融為一體，同向同行，潤物細(xì)無聲的進(jìn)行課程思政。

3.2 反思及改進(jìn)

在引入VR系統(tǒng)進(jìn)行教育過程中，總結(jié)了幾點(diǎn)需要改進(jìn)的地方：一是教師使用新設(shè)備和新技術(shù)的水平不能滿足新時代職業(yè)教育的需求，應(yīng)與時俱進(jìn)，信息化水平需進(jìn)一步提高；二是學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，處于對新技術(shù)的好奇，把學(xué)習(xí)重心放在對VR系統(tǒng)的認(rèn)識及探索各方面，而忽視了學(xué)習(xí)的重點(diǎn)內(nèi)容。另外。學(xué)生練習(xí)的時間較短，沒有突破難點(diǎn)，督促這些學(xué)生在課余時間繼續(xù)練習(xí)，達(dá)到技能成熟的目的。

4 總結(jié)

綜上所述，將VR技術(shù)引入到《化工安全技術(shù)》理實(shí)一體化課程教學(xué)中，充分發(fā)揮VR技術(shù)的直觀性、互動性、沉浸性，給學(xué)生創(chuàng)造一種真實(shí)的工作場景，讓學(xué)生身臨其境般體驗(yàn)生產(chǎn)過程，有利于核心崗位能力的提升，同時對心里素質(zhì)和職業(yè)素養(yǎng)的提升有很大幫助。另外，提高教學(xué)效果的同時又消除了教學(xué)中的安全隱患，是一種創(chuàng)新又切實(shí)可行的教學(xué)改革。另外，在保證教學(xué)順利進(jìn)行，教師應(yīng)與時俱進(jìn)，提高信息化水平，提高對VR技術(shù)的掌握和應(yīng)用水平，探索新的教學(xué)方法，開發(fā)設(shè)計新的教學(xué)內(nèi)容，切實(shí)提高《化工安全技術(shù)》理實(shí)一體化課程的教學(xué)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(tǒng)開發(fā)和教學(xué)設(shè)計中，加大對VR技術(shù)的研究，讓其更好的服務(wù)于職業(yè)院校教學(xué)的發(fā)展。