司占軍 張冬寒

（天津科技大學，天津 300222）

一、前言

近年來，計算機技術和新媒體技術發(fā)展迅猛，虛擬現(xiàn)實技術逐漸興起。虛擬現(xiàn)實技術是一種多源信息融合的、交互式的三維動態(tài)視景和實體行為的系統(tǒng)仿真，可以使用戶沉浸到虛擬環(huán)境中。2016年被行業(yè)普遍認為是虛擬現(xiàn)實技術爆發(fā)的元年，預計（據(jù)測算），2020年VR設備一體機的銷售量將會達到4000萬臺左右，市場規(guī)模也將達到400億元，從長遠發(fā)展來看，萬億元的市場規(guī)模將很快得以實現(xiàn)。

總的來說，虛擬現(xiàn)實的市場仍舊是百花爭鳴的景象，各大主流的頭顯設備均已霸占了市場。硬件的飽和帶來的問題是內(nèi)容的匱乏，VR頭顯并不是新出現(xiàn)的事物，早在幾十年前就已經(jīng)有人研究了，但是在內(nèi)容上的探究卻是近幾年才開始廣泛應用于各個領域。在一定程度上，VR內(nèi)容方面的建設比VR硬件的研發(fā)還要困難，這也是目前影響技術發(fā)展的重要因素。

隨著時代的進步，社會的發(fā)展，文化知識教育已經(jīng)不能滿足人們的需求。教育的本質是為了培養(yǎng)出德、智、體、美、勞全面發(fā)展的綜合性人才，學校開展安全教育，可以提高學生的安全意識，提升校園安全管理質量，為學生的健康成長和全面成長創(chuàng)造良好的外部環(huán)境和文化氛圍。研究表明，沉浸式的虛擬體驗既能夠提升學習者的學習意愿，也可以激發(fā)學習的興趣與熱情，同時還能保證體驗區(qū)域的絕對安全。本研究基于虛擬現(xiàn)實技術開發(fā)出了實驗室安全教育系統(tǒng)，為各大高校的實驗室安全教育提供幫助。

二、實驗室安全教育系統(tǒng)概述

1.內(nèi)容介紹

實驗室安全教育系統(tǒng)包含兩個教育內(nèi)容：知識題庫和實戰(zhàn)演練。知識題庫包括常見的三種火災安全問題：防火安全、危險化學品安全、用電安全，通過知識問答的形式加深體驗者對火災安全防火的認知。實戰(zhàn)演練場景包括三大滅火邏輯以及其他一些限制滅火的邏輯，功能主要有選擇、跳轉場景，滅火邏輯，提示邏輯，通關限制（倒計時）。實戰(zhàn)演練和知識題庫模塊之間相互獨立，又可以通過場景跳轉進行連接。整體系統(tǒng)的主要作用就是為了還原高校中的實驗室火災場景，讓體驗者在體驗火災危害的同時學習如何制止火災。系統(tǒng)框架如圖1所示。

2.應用技術概述

（1）關鍵技術——虛擬現(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱 VR），又被稱作臨境、靈境。從應用上看它是一種綜合計算機圖形技術、多媒體技術、網(wǎng)絡技術、廣角立體顯示技術、位置追蹤用戶頭眼手的技術和三維建模仿真技術等多種計算機技術綜合演變出的最新突破，同時VR技術也屬于力學、數(shù)學、光學等各種學科的綜合應用。它最大的特點就是能夠將體驗者帶入到由計算機繪制出的虛擬環(huán)境中去，通過人體的眼睛、耳朵、和皮膚觸感等感知行為使其產(chǎn)生一種置入感，并且能夠在該環(huán)境中實時進行漫游操作，感受虛擬環(huán)境的變化?，F(xiàn)在VR技術已被應用于各行各業(yè)，其中主要包括醫(yī)學教育、娛樂、軍事航天、室內(nèi)設計、房產(chǎn)開發(fā)、工業(yè)仿真等。目前來說，應用最廣最多的是在醫(yī)學教育、游戲娛樂以及房產(chǎn)開發(fā)之中。

（2）輔助技術

圖1 整體架構圖

三維建模技術。三維模型基本上可以算是點、面或者其它信息集合的數(shù)據(jù)，一般由3ds Max、Maya等三維建模軟件建成，但是嚴格來說，三維模型不僅僅可以通過以上軟件，也可以用例如Solidworks等機械軟件進行制作，手工生成，或者以一定的算法進行合成。三維模型的定義很廣泛，不僅僅局限存在于計算機中的三維模型文件，平面紙張中的三維立體圖畫也能稱之為三維模型。

人機交互技術。人機交互技術 （Human-Computer Interaction Techniques）就是指通常情況下的計算機的輸入以及輸出，進而實現(xiàn)人與計算機對話實現(xiàn)需要實現(xiàn)的功能的技術。一般情況為相關信息提示、問題提示以及請示操作，人們再通過輸入設備給計算機相關指示，完成界面交互。除此之外，它和認知學、心理學等多種學科也有一定的聯(lián)系。

三、實驗室安全教育系統(tǒng)在高校應用的價值探索

1.解決了安全教育人手不足的問題

全面落實安全問題的宣傳教育是一項龐大的工程。高校的實驗室安全是建設安全校園的關鍵環(huán)節(jié)，因此各高校都會進行相關方面的大型宣講會，而由此帶來的人力財力物力的消耗也是巨大的。目前，普遍的問題是，進行安全教育的人手不足，宣講力度還不夠大，覆蓋范圍也不夠廣泛。

本研究開發(fā)出的基于VR技術的實驗室安全教育系統(tǒng)，從根本上解決了人手不足的問題。各大高校只需要通過文件傳輸或者下載，就能在各自學校的教室里依靠硬件設備進行展示。甚至不需要系統(tǒng)開發(fā)人員奔波于各大高校之間，高校實驗員或者教師團體依靠內(nèi)容介紹就可以進行系統(tǒng)化的學習，并可以利用該系統(tǒng)對學生進行實驗室安全教育的主題教育活動。

2.提高了安全教育宣傳力度，擴展了教育范圍

高校里主流的安全教育宣講方式是邀請消防員參加演講，進行PPT和相關器材的宣傳，或者是學校實驗員針對實驗室安全進行防火教育和火災總結，并輔之以PPT進行講解。但這些傳統(tǒng)的方式都是基于靜態(tài)的PPT的基礎上，缺乏生動形象的體驗教育，無論是對教師還是學生，其吸引力都不夠強。

實驗室安全教育系統(tǒng)是發(fā)布在PC端的應用程序，只需要一些必備的硬件設備，就能將其展示在各種需要的場所，它不受空間和時間的限制，擴展了安全教育宣講的范圍。高校只需要組織學生在教室中就可以借助設備進行體驗，應用程序可以反復使用，方便快捷，可以覆蓋全體教職員工，并且可以保證體驗人員的絕對安全。

3.提升了安全教育的教學效果

目前的實驗室安全教育最大的缺點是教育內(nèi)容陳舊，教學方式?jīng)]有新意，不能讓師生很好的將理論知識與實踐結合起來。沒有切身的體會和實踐，教學效果都會大打折扣，尤其某些特定的安全問題用普通的語言或者圖片展示是不能形象的進行表達的。因此，傳統(tǒng)的宣講和教育方式所帶來的教學效果有限。

采用VR技術構建虛擬滅火場景，可以保證用戶在親身體驗中的絕對安全。而在系統(tǒng)中的知識題庫模塊和實驗演練模塊，對防火知識進行了總結歸納，真實還原了一些常見的火災場景和突發(fā)狀況，讓用戶在真正進入沉浸式體驗的過程中既能加深學習印象，又能提升學習興趣。

除此之外，本系統(tǒng)中的用戶界面與傳統(tǒng)的用戶界面相比，引入了動態(tài)動畫和音效的多媒體類動態(tài)界面，增加了交互體驗，給體驗者帶來視覺沖擊的同時也伴隨著音效影響，實現(xiàn)了更強大的代入感。

4.提升了高校實驗室管理水平

實驗室有效利用率是提高實驗室管理水平的一個標準。借助實驗室安全教育系統(tǒng)，可以提高高校實驗員的安全意識和素質水平，通過對相關知識的學習和體驗可以針對實際情況進行方案總結，設計出一套適合自己高校實驗室的管理條例。此外，還可以在實踐中不斷總結經(jīng)驗，根據(jù)實際情況與時俱進地對實驗室安全教育系統(tǒng)進行更新，使之更加完善，更加方便師生使用和體驗，進而提升整個實驗室的安全管理質量和水平。

四、結論與展望

本課題基于VR技術，以生活中常見的防火安全問題、實驗室常見的安全隱患以及火災場景作為研究對象，開發(fā)出了一款針對高校使用的虛擬實驗室安全教育系統(tǒng)。雖然實現(xiàn)了許多功能，但是由于時間有限，仍然存在不足之處，有待進一步研究。一是內(nèi)容有待豐富。在未來的應用開發(fā)中，應著力于建立針對各個高校特有的火災場景，讓學生能夠更全面的了解火災情形，防患于未然。二是多媒體資源的優(yōu)化。在目前的系統(tǒng)應用中，音效以及背景音樂的數(shù)量明顯不夠，多媒體資源的針對性、準確性和適量性有待提升。三是目前的系統(tǒng)對硬件要求相對較高，為了使體驗更加方便，今后的努力方向應是能夠滿足更多平臺和終端的發(fā)布。

總體來說，實驗室安全教育系統(tǒng)的發(fā)布可以給高校的安全教育課程提供更加便利的教學方式，更重要的是能夠將知識更加直接，更加深刻地傳給學生。讓學生們對其產(chǎn)生濃厚興趣的同時學到理論知識才是本系統(tǒng)發(fā)布的真正目的，也希望這個系統(tǒng)的發(fā)布能夠讓更多的開發(fā)者認識到VR應用在教育領域的強大之處，進而推動VR技術在教育領域的應用，提升高校實驗室的安全系數(shù)和管理水平。