安全工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學平臺建設

陽富強，楊 健

（福州大學 環(huán)境與資源學院，福建 福州 350116）

虛擬仿真實驗教學是學科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，也是高等教育信息化建設的重要內(nèi)容[1]。在新工科建設背景下，傳統(tǒng)實驗教學模式已滿足不了各高校專業(yè)人才培養(yǎng)的需要。虛擬仿真教學主要依托先進的虛擬現(xiàn)實、人機交互、多媒體、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡通信等多種信息技術(shù)，創(chuàng)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，實現(xiàn)學生在虛擬環(huán)境中運用虛擬實驗設備完成相應的實驗內(nèi)容而達到預期的教學目標[2-3]。目前，國內(nèi)許多高校圍繞土木工程、材料科學與工程、環(huán)境工程、水利工程、電子信息類、化工類等不同專業(yè)積極建設虛擬仿真實驗教學平臺[2,4-8]，充分發(fā)揮其在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中的重要作用。

近年來，社會各界對安全工作日益重視，安全工程專業(yè)人才已普遍受到各用人單位的認可及歡迎。實驗教學作為安全工程專業(yè)本科生培養(yǎng)的重要組成部分，有效促進了專業(yè)理論知識與工程實踐的有機結(jié)合。結(jié)合安全工程專業(yè)辦學特點及其實驗教學環(huán)節(jié)中存在的主要問題，將虛擬仿真實驗教學內(nèi)容融入不同專業(yè)課程的實驗教學中，構(gòu)建完整統(tǒng)一的虛擬仿真實驗教學平臺，促進本專業(yè)學生有效掌握各種專業(yè)理論知識。此外，依托該平臺指導學生開展各項創(chuàng)新活動，分析復雜的安全工程問題，培養(yǎng)滿足信息化時代要求的專業(yè)人才。

1 安全工程專業(yè)實驗教學現(xiàn)狀

（1）實驗項目多，部分真實實驗存在安全隱患。安全工程專業(yè)的實驗教學內(nèi)容主要依托電氣安全、機械安全、建筑施工安全、消防安全、化工安全等多門專業(yè)核心課程，具體涵蓋特重設備安全檢測、氧指數(shù)測定、閃點與燃點測試、氣體及粉塵爆炸特征參數(shù)測定等多種類型的實驗項目。實驗對象主要是大型機電設備、鍋爐壓力容器、易燃易爆化學品。實驗過程中經(jīng)常用到石油液化氣罐、高壓氣瓶、明火、汽油、可燃粉塵等，若在某個實驗環(huán)節(jié)中存有失誤，很容易造成安全事故。此外，部分化工安全類實驗項目操作周期長，且要求在高溫高壓等極端環(huán)境下開展，實驗過程中還會產(chǎn)生有毒、有害性物質(zhì)[9]。

（2）真實實驗課時數(shù)偏少，難以達到理想的實踐教學效果。近些年來，本專業(yè)按照學校要求多次對本科人才培養(yǎng)方案進行修訂，不斷壓縮專業(yè)課學時數(shù)。例如，燃燒學、消防工程學、安全檢測與監(jiān)控等專業(yè)核心課程均減少了8 個學時。由于專業(yè)實驗教學內(nèi)容及課時必須依據(jù)教學大綱設置，這就迫使部分實驗項目必須在更短的時間內(nèi)完成，甚至無法正常開設。盡管學校鼓勵各專業(yè)采取開放式實驗教學，通過指導各類課外創(chuàng)新活動培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力，但真正參與其中的僅僅是少數(shù)學生，不能保證本專業(yè)所有學生都有機會接觸。

（3）實驗教學經(jīng)費投入偏少，實驗空間及硬件受限。許多高校的學科經(jīng)費主要用于搭建科研平臺，真正投入到本科實驗教學中的費用不多，由此導致本科實驗儀器臺套數(shù)少、實驗設備陳舊、實驗空間受限[10]。安全工程專業(yè)課程需要多類實驗教學項目來支撐，由于受教學經(jīng)費和實驗場地限制，很難引進一些先進的實驗設備，造成部分實驗內(nèi)容無法納入教學計劃。某些已有的大型貴重設備數(shù)量有限，維護成本較高，只能進行演示觀摩，學生很少有機會動手操作。再者，氣體與粉塵爆炸實驗、橋式起重機安全檢測等危險性實驗項目要求在開闊場地開展，但受實驗室空間影響，難以多次重復操作，實驗效果欠佳。

（4）部分課程內(nèi)容抽象，真實實驗難以達到預期的教學目標。燃燒學、消防工程學等專業(yè)課程知識點多、理論性強，而且涉及許多經(jīng)驗公式。學生依托相應的真實實驗只能測定燃燒爆炸反應中的某幾個具體參數(shù)（閃點、燃點、壓力），很難掌握整個反應過程中所表現(xiàn)出的參數(shù)變化規(guī)律及反應機理。此外，在對某些大型機電設備進行安全檢測時，由于其結(jié)構(gòu)復雜且拆裝難度大，學生無法在短時間內(nèi)熟悉其內(nèi)部構(gòu)造及工作原理。依托虛擬仿真模擬上述實驗內(nèi)容，可以讓學生在虛擬環(huán)境中感知爆炸反應的震撼場面及特種設備的工作原理，由此調(diào)動學生的學習積極性，實現(xiàn)最佳的教學目標。

2 虛擬仿真實驗教學平臺建設

2.1 平臺建設思路

福州大學作為省部共建“雙一流”高校，是福建省內(nèi)唯一培養(yǎng)安全工程本科專業(yè)人才的重點大學。隨著“海西經(jīng)濟區(qū)”“一帶一路”“福建自貿(mào)區(qū)”等國家政策的實施，福建省在公共消防、機械制造、城市化建設、石油化工等領(lǐng)域急需一大批安全工程專業(yè)人才。針對安全工程專業(yè)實驗教學存在的主要問題，采用資源共享、自主研發(fā)、校企合作等多種渠道建設“三層次”“四模塊”的虛擬仿真實驗平臺，安全工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學平臺建設思路見圖1。

圖1 安全工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學平臺建設思路

首先，可充分利用本校土木工程、機械工程、化學工程等特色專業(yè)的虛擬仿真實驗教學共享平臺。例如，我校土木工程虛擬仿真實驗教學中心設有巖土與地下工程虛擬仿真實驗室、工程結(jié)構(gòu)虛擬仿真實驗室、道路工程虛擬仿真實驗室、給排水工程虛擬仿真實驗室、水利工程虛擬仿真實驗室等，這些教學資源能夠用于支撐本專業(yè)建筑安全方向的虛擬仿真實驗教學。通過借助互聯(lián)網(wǎng)平臺，也能收集公開發(fā)布的事故案例、施工工藝等虛擬仿真教學資源。其次，本專業(yè)課程主講教師可以結(jié)合各自主持的國家級、省部級科研項目，自主研發(fā)虛擬仿真教學資源。再者，通過產(chǎn)學研政合作，與本專業(yè)簽約的實踐教學基地共同開發(fā)虛擬仿真實驗教學資源。

2.2 虛擬仿真實驗教學內(nèi)容

本校安全工程專業(yè)采取通才式“大安全”培養(yǎng)模式，即要求學生掌握多個行業(yè)領(lǐng)域的安全專業(yè)知識[11]。在此，結(jié)合福建省區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展需求，重點建設消防工程類、機械安全類、建筑安全類、化工安全類4 大模塊的虛擬仿真實驗平臺，用于支撐安全工程專業(yè)理論課程，以及課程設計、認識實習、生產(chǎn)（畢業(yè)）實習、畢業(yè)設計（論文）等實踐教學環(huán)節(jié)，安全工程專業(yè)虛擬仿真實驗內(nèi)容見表1。

表1 安全工程專業(yè)虛擬仿真實驗內(nèi)容

以建筑安全類虛擬仿真實驗教學為例，該類項目能夠鞏固建筑工程概論、建筑安全、消防工程學等專業(yè)課程中的抽象概念及復雜工藝，不僅讓學生直觀感受到工程項目重點部位的結(jié)構(gòu)特點、施工工藝流程，還可以采用交互虛擬操作參與整個施工過程[12]。同時，不斷加強與本課程真實實驗的密切聯(lián)系，可以有效促進本專業(yè)學生的工程實踐能力的培養(yǎng)。

此外，根據(jù)實驗教學目標可以將相應的實驗教學內(nèi)容劃分為基礎(chǔ)演示型、綜合設計型、研究創(chuàng)新型三個層次[6,13]?；A(chǔ)演示型虛擬仿真實驗主要用于課堂教學、認識實習、校園科普活動，能讓學生在短時間內(nèi)直觀理解某些知識點，提高學生的學習興趣。綜合型虛擬仿真實驗項目涵蓋較多知識內(nèi)容，通常用于開展專業(yè)課程綜合實驗、課程設計、畢業(yè)實習、畢業(yè)論文（設計）等教學活動。研究創(chuàng)新型虛擬仿真實驗項目旨在引導本專業(yè)學生開展安全科技作品大賽、科研訓練計劃項目等課外實踐活動。本專業(yè)教師也可以依托該類平臺加強與企業(yè)之間的合作，進行科學研究。

2.3 虛擬仿真實驗教學平臺管理

為了保證本專業(yè)虛擬仿真實驗教學平臺持續(xù)運作，需要從經(jīng)費支持、制度保障、師資建設、持續(xù)改進等多方面加強管理。學校、學院等部門積落實教育部、省教育廳下達的關(guān)于建設虛擬仿真實驗中心與虛擬仿真實驗教學項目的通知要求，從省級一流本科專業(yè)建設項目、雙一流學科建設項目中設立專項經(jīng)費用于支持本專業(yè)建設虛擬仿真實驗平臺。先后出臺了“績效考核”“職稱晉升”等系列文件，激勵各專業(yè)加強信息化教學資源建設。此外，學校每年都定期舉辦大學生虛擬仿真實驗教學項目創(chuàng)新設計競賽，引導廣大師生參與虛擬仿真實驗教學活動。

本專業(yè)構(gòu)建了虛擬仿真實驗教學師資團隊參與平臺規(guī)劃、設計、運行、管理、維護等全部工作。團隊各成員在職稱、年齡、教學科研經(jīng)歷等方面形成梯隊，結(jié)合各自擅長的專業(yè)領(lǐng)域分工協(xié)作。該平臺現(xiàn)有教師10 人，其中7 人為專業(yè)骨干教師，2 人為專職實驗員，1 人為學院教學辦負責人。在學歷、職稱方面，5 人擁有高級職稱，6 人取得博士學位，承擔了多項國家級、省部級和企業(yè)委托的科研項目。團隊各成員不斷學習3DS Max、FDS 等開發(fā)軟件，將虛擬現(xiàn)實、人機交互、數(shù)據(jù)庫和計算機網(wǎng)絡等多種信息技術(shù)融入到平臺建設中，自主開發(fā)了一系列虛擬仿真實驗教學項目。同時，該平臺還聘請了多位企業(yè)安全專家參與虛擬仿真教學項目的設計與維護。

由于信息技術(shù)發(fā)展迅速，還需要從硬件、軟件等方面定期對該教學平臺進行升級改進?？紤]各門專業(yè)核心課程知識在不斷更新，需要及時融入最新的安全事故案例，這就要求專業(yè)教師不斷對相應的虛擬仿真實驗教學資源進行優(yōu)化。同時，學生在接受多輪實驗授課后，也會從內(nèi)容設置、課時安排、考核要求等方面提出一些建議，相關(guān)教師需吸收學生的反饋意見，不斷完善平臺的運行環(huán)境和操作功能。為了保障該平臺安全運行，還需部署防火墻、IPS、VPN 進行網(wǎng)絡安全防護[14]。

3 虛擬仿真實驗教學平臺應用

本校是福建省唯一培養(yǎng)安全工程本科專業(yè)人才的高校，依托虛擬仿真實驗教學網(wǎng)絡平臺能有效整合學校、合作單位的優(yōu)質(zhì)資源，打破實驗人數(shù)限制。今后將從校內(nèi)共享、校際分享、社會服務三個方面予以推廣應用[13]。這不僅能夠滿足本專業(yè)教師的教學與科研需求，而且還可以向相關(guān)專業(yè)、不同院系、兄弟高校，以及企事業(yè)單位開放，為校內(nèi)外人員開展各項安全實踐活動、安全培訓等提供服務支持。

（1）面向全校師生開放，校內(nèi)資源共享。本校是一所以工為主、理工結(jié)合的省屬重點高校，畢業(yè)生主要服務于各領(lǐng)域的生產(chǎn)一線。結(jié)合大學生安全文化通識教育課程，為不同專業(yè)學生提供安全實訓平臺，由此培養(yǎng)大學生的安全文化素質(zhì)，促使他們將“安全第一”的理念落實到未來工作崗位。例如，每年可以在“安全生產(chǎn)月”“校園安全文化周”“全國消防日”等重要安全主題活動中，借助該平臺向校內(nèi)師生傳播各類安全文化知識。學生也可以跨院系成立研究小組，依托相關(guān)虛擬仿真實驗資源，開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐活動。

（2）加強與兄弟院校間的交流，跨校分享教學資源。各省教育廳相繼發(fā)布了全面振興本科教育的實施意見，強調(diào)在高校集中區(qū)組建若干個教學聯(lián)盟，共建共享實驗教學平臺和優(yōu)質(zhì)課程資源。當前，全國有200余所高校開設了安全工程本科專業(yè)，在校生規(guī)模約5.6萬人。為了推動兄弟院校在安全工程專業(yè)教學改革與人才培養(yǎng)領(lǐng)域的交流合作，國內(nèi)先后成立了全國高校安全科學與工程院長聯(lián)合會、安全工程專業(yè)高校聯(lián)盟，旨在構(gòu)建優(yōu)質(zhì)教育資源共享的合作機制，引領(lǐng)本專業(yè)往更好的方向發(fā)展。本?？衫萌珖咝０踩こ虒I(yè)學術(shù)年會、公共安全科學技術(shù)學會向同行推薦本專業(yè)虛擬仿真實驗教學平臺，吸引廣大師生前來參觀交流。

（3）深化校企合作，為社會提供服務。作為地處海峽西岸經(jīng)濟區(qū)的重點高校，福州大學為福建及周邊區(qū)域發(fā)展培養(yǎng)了大批安全工程專業(yè)人才。依托廣大校友資源，本專業(yè)已經(jīng)同中鋁瑞閩、省安科院、福州市消防支隊、中建海峽、福建六建等多家單位建立了長期穩(wěn)定的合作關(guān)系，可依托該平臺為各單位職工提供安全教育培訓、技術(shù)咨詢、項目研發(fā)，進一步加強產(chǎn)學研合作。這不僅提高了各類教學資源的利用效率，同時有助于企業(yè)為本教學平臺的運行維護、持續(xù)改進提供建議及經(jīng)費支持。

4 結(jié)語

隨著信息化技術(shù)在高等教育教學領(lǐng)域的不斷推進，虛擬仿真實驗已在許多高校的專業(yè)人才培養(yǎng)中發(fā)揮了積極效用。安全工程屬于綜合性交叉學科，涵蓋消防工程、機械安全、建筑安全、化工安全等不同領(lǐng)域的專業(yè)知識，且部分授課內(nèi)容抽象復雜，有必要將現(xiàn)代信息技術(shù)融入本專業(yè)教學。結(jié)合本校安全工程專業(yè)的教學現(xiàn)狀，建立了三層次、四模塊的虛擬仿真實驗教學平臺，從經(jīng)費支持、制度保障、師資團隊建設、持續(xù)改進等多方面加強管理。通過校內(nèi)資源共享、跨校分享、社會服務，實現(xiàn)虛擬仿真實驗教學平臺的推廣應用。虛擬仿真實驗教學能夠彌補本專業(yè)部分真實實驗及現(xiàn)場實踐教學中存在的不足，有利于指導學生開展科學研究及工程實踐活動，有效促進本專業(yè)學生創(chuàng)新與工程實踐能力的培養(yǎng)。