基于虚拟仿真的应急救援技术课程改革
吴斐 余佳灵 戴诗杰 严雨
摘 ?要：为了培养有能力、有担当的青年人才，高校课程改革一直是国家、社会所关注的重点，然而，很多改革措施还处于不断实践中，取得的效果也甚微。因此，为了实现更有效地教学，建设高校高水平、双一流学科，以教师课堂教学为基础，将虚拟现实技术与教学相融合，让学生在虚拟场景中磨练自身的知识、技能，培养专业素养。文章以应急救援技术课程为例，分析课程内容与重点，模拟轻轨站发生火灾这一特定事故场景，让学生在亲身体验工业现场的事故中，将课堂知识融会贯通，培养其理论联系实际的能力。
关键词：应急救援;危险有害因素;虚拟现实;课程改革
中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2021）13-0135-05
Abstract： In order to cultivate competent and responsible young talents， college curriculum reform has always been the focus of the state and society， but many reform measures are still in constant practice， with little effect. Therefore， in order to achieve more effective teaching， to build a high-level， double-first-class discipline in colleges and universities， based on teachers' classroom teaching， to integrate virtual reality technology with teaching， so that students can hone their knowledge and skills in virtual scenes， professional development. Taking the course of Emergency Rescue Technology as an example， this paper analyzes the content and focus of the course， simulates the special accident scene of light rail station fire， and enables the students to integrate classroom knowledge in the experience of industrial accidents， cultivate the ability of combining theory with practice.
Keywords： emergency rescue; hazardous factors; virtual reality; curriculum reform
“少年强，则国强”，青少年的教育问题一直是国家和社会最为关心的话题之一，然而，传统的教学模式有着很大的不足：一是教学目标方面，老师只跟着学校的要求进行知识的讲解，而且很多都是跟着课本上照着念，只要求将内容讲解清楚即可，不做过多延伸，不给学生创造更多思考的机会;二是创新性不足，老师授课的模式基本都是一样，即传递-接受，学生被动接受知识，而老师也在单一思维模式下传递知识，造成学生的创新意识缺乏。随着技术不断发展，知识体系不断扩大，传统的教学模式越来越难满足学校对学生的培养要求以及学生的自我发展要求。课程教学变革已经势在必行，而“推动课堂教学革命”是2018年教育部关于“新时代高教40条”文件中对中国教育的重要要求[1]。
为了实现更好地教学效果，应根据不同学科的特点来进行课程改革。安全工程属于工科类，在实施教学时，应该与工业现场、工程项目紧密结合，而不仅仅只是注重于理论知识的理解。属于安全工程专业课程的应急救援技术更应该与实际相联系，学生只有置身于工业现场后，需要他们去发现问题，运用所学知识、技能真正地去解决问题时，才能够对本门课程有更深的理解，同时也能够发现自身的不足之处，从而改正不足，训练出独有的专业素养。
应急救援技术是针对于某一特定事故而言，在对学生的教学中，不可能在发生事故后，让学生去解决，这不现实，而且会消耗大量的人力、物力，风险也很大。为了给学生创造实践的机会，运用虚拟现实技术，以重庆市赖家桥轻轨站为研究对象，运用3DSMAX进行模型的建立，以Unity3D引擎完善虚拟系统，构建一个“浸入性、交互性、构想性”的虚拟仿真系统。在该虚拟仿真系统中，模拟轻轨站的布局，设定火灾事故，学生需要运用所学知识，在该模拟的火灾中进行正确的、恰当的逃生。通过增加这样一个虚拟实践过程，使学生能够掌握应急救援相关知识，也能够了解事故事发时的特点，提高其应急救援的水平。
一、应急救援技术课程内容与教学方式
（一）课程内容
应急救援是指突发事件责任主体采用预定的现场抢险和抢救方式，在突发事件应急响应行动中迅速、有效保护人员的生命和財产安全，指导公众防护，组织公众撤离，减少人员伤亡[2]。20世纪以来，随着工业化进程的迅猛发展，特别是第二次世界大战以后，各种工业事故呈不断上升趋势，危及到社会安全的重大事故时有发生，给人民生命安全、国家财产和环境构成重大威胁[2]。就以此次突发的新冠肺炎疫情为例，在病毒已经大范围扩散后，我国和地方纷纷启动一级应急响应，并且在党和国家的统一领导下，集中力量支援武汉进行救援，正是有了合理的应急救援措施，疫情才逐渐得到控制。由此可见，事故应急救援能够保证人民生命安全。
针对事故的特点，应急救援技术课程主要分为建立应急体系、应急预案、实施救援以及组织善后这几大板块。
1. 建立应急体系。这部分内容主要是对事故应急救援做一个总体的介绍，阐述了事故应急救援的必要性、基本任务以及相关特点，然后讲述了建立应急体系的目的、内容。如图1所示。
2. 应急预案。应急预案又称应急计划，是针对可能发生的事故，为降低事故损失而制定的救援计划。预案明确了在突发事故时应该采取怎样的措施，由谁负责，以及资源准备等等。这部分课程内容首先是通过危险源的辨识，提出了应急预案的策划与编制方法，然后阐述了编制预案时需要注意的核心要素，最后梳理了应急预案的框架体系与内容，以及预案编制成功后，为了保证其有效实施应急预案管理。本部分中应急预案的编制和危险源的辨识属于课程重点。
3. 实施救援。这部分内容分为两个方面：一是讲解了如何辨识危险源，然后对隐患进行排查，最后对风险进行定性、定量分析;二是针对企业生产安全事故，介绍相应的事故应急处置方法，以及在实施救援时的一些注意要点。这部分内容也属于课程教学重点。
4. 组织善后。这部分内容不做要求，在“事故调查与案例分析”中会有相应的讲解。
（二）课程的教学方式
应急救援技术属于一门工科类课程，在近些年的课程改革中，也不断地吸收一些优秀的教学模式，使得本门课程的教学较为丰富。
1. PPT授课，老师纯输出。在进行理论知识的教授时，老师主要利用多媒体教室，以PPT放映為主。老师在讲台上根据PPT内容进行讲解而学生只需要在台下安静听讲即可。
2. 结合所学知识，分析事故案例。由于理论课程比较枯燥，在每个章节结束之后，老师会寻找一个典型的事故案例，比如矿山事故、企业安全生产事故等等，通过引导，让学生以所学知识为基础，分析该事故发生后，企业负责人所采取的事故处置措施是否正确，应急预案是否有效，危险、有害因素的辨识等等。
这种方式，不仅能够让学生了解真实的事故现场，还能把刚学的知识，以自我思考的形式，进行巩固。除此之外，通过大量的案例视频，在学习相关知识的同时，也提高学生的学习兴趣。
3. 翻转课堂，小组讨论。翻转课堂是近几年来学校提出的课程改革措施之一，为了发挥学生的主观能动性，以学生为中心，在课堂上会留出4个课时的时间来进行小组讨论。结合应急救援技术，给定某一特定场景，例如就宿舍而言，学生需要和小组成员进行寝室内部危险、有害因素的辨识，然后寻找合适的方式控制危险因素，对于危险源进行定性或定量风险分析。最后是制定针对于宿舍安全的应急预案以及在人员被困时能够采取的事故应急处置措施。在各个组完成工作后，由教师组织进行统一答辩。
小组讨论了学生的知识掌握程度，团队合作能力，还有创新力。而在这过程中，教师变成了看客，通过观看答辩，分析学生在实践过程中存在的问题，引导他们进行更深一步思考，也加深了老师和学生的交流。
二、课程教学现存的问题
（一）课程内容广泛，课时少
本门课程涵盖范围广，各个知识点相互联系，共同组成完整的应急救援技术。但是由于课时少，只有32个课时，教师不得不从中挑选一部分重点内容，有针对性地进行教学，从而导致学生在学习过程中，脑海中难以形成完整的体系。而且，因为课时少，教学内容变成了比较浅显易懂的知识，阻碍了学生进行深层次的思考，不利于培养他们的创新能力。
就以企业生产安全事故方面为例，有机械伤害、触电、火灾、中毒与窒息、高处坠落、物体打击等不下十余种事故。从人-机-环-管四个方面出发，每个方面又有不下十余种需要辨识的危险、有害因素。再加上本门课程的应急救援预案、定性定量风险分析技术等其他知识。在短短的32课时里，要想讲通、讲透每个知识点，很难。对于如此繁杂的知识点，学生就只能通过死记硬背来完成考试，而教师也只能通过缩减内容，来完成要求。长此以往，不但达不到教书育人的目的，磨灭了学生独自思考、探索、创新的能力，并在一定程度上，打击了教师的教学积极性。
（二）教学模式丰富，但效果差
应急救援技术课堂教学采用的方式是PPT教学，结合案例分析，翻转课堂、学生小组讨论。在如此丰富的教学模式下，取得的效果却不太理想，笔者认为有三个方面的原因：1. 教学过程没有特色。本门课程是以大量的理论知识为基础，对于学生而言，枯燥的理论知识会让他们对课程产生疲劳感，从而慢慢失去兴趣。虽然教学模式丰富，在一定程度上能够缓解这种疲劳，但是解决不了根本问题。课程没有特点，吸引不了学生的兴趣，学生的唯一学习动力就只有考试，自然而然就导致教学效果差。因此，就需要老师花费更多的时间、精力去备课，把知识点以更好的方式展现出来。除此之外，本课程缺少实验、实践环节，这成为了学生掌握知识的最大掣肘。2. 学生的主观能动性差。由于缺乏学习兴趣，而且外界形形色色的诱惑多，很多学生在课堂上玩游戏、聊天，导致其逐渐形成一种惰性，学习的积极性和执行力变差。3. 注重教而忽略学。在课堂上，老师侧重于教授知识这一过程，而对于学生是否学习到了知识，是否学到了真本事却关注不大，检验学生的学习成果主要就是看成绩。在学习知识后，学生没有施展才华的平台，没有进行实践的机会，考试一完，全部忘掉，完全达不到教学的要求。课堂教学基本已经变成了只为考试，这一切导致即使课堂教学模式再丰富，也达不到应有的目的，反而会适得其反，从某个方面来说使学生更加讨厌课堂。
教书育人，这一切应该以人为本，以学生为中心，站在他们的角度去思考问题，但现在的教育基本就是以老师为主导，老师怎么教，学生就怎么学，掌握不了师生之间的一个平衡，造成学生厌课的现状，高校教育出现问题，难以培养大量优秀的人才。
在对应急救援技术课程进行改革时，应该以现存的两个问题为起点，以学生为中心，有针对性地进行改革。改革中，在满足知识输入、输出的情况下，要尽量提高学生的学习兴趣、老师的教学热情，这样，掌握了师生之间的平衡，才能做到更好地教学。
三、基于虚拟仿真的应急救援技术教学
（一）虚拟现实技术简介
虚拟现实是一种人与计算机生成的虚拟环境之间可自然交互的人机界面。它综合了计算机图形技术、多媒体技术、网络技术、人机交互技术、传感器技术、立体显示技术以及仿真技术等多种科学技术[3]。本次教学改革利用3DSMAX对目标场景进行模型的建立，然后导入Unity3D引擎中，完成交互功能的设计以及模型的渲染等工作，学生通过佩戴专业级虚拟现实头显套装来实现“互动化、高仿真、沉浸式”的效果。
（二）VR与课程的融合
早在2018年国家教育部就明确将虚拟现实技术列入教育信息化的年度重点工作任务，明确要求全国高校、中小学、职教等深入推进信息技术与高等教育教学深度融合，推动大数据、虚拟现实、人工智能等新技术在教育教学中的深入应用。而VR与教育的融合，让虚拟照进现实，这种教育模式无疑有着得天独厚的优势。
1. 超越时间的限制。利用虚拟仿真系统进行教育或者培训时，可以不受时间的束缚，在任何时间都能进入虚拟场景，开始相应的训练，而且可以近乎无限次的重复。这种特性使得学生可以针对自己的薄弱点不断进行训练、学习，从而完善自我，在遗忘之后还能够根据需求重复使用、学习。
2. 超越空间的限制。将VR技术与灾害防护演练和教育相结合，学生可以在实验室实现各种场所下的各种事故逃生演练，不用亲自去到工业现场，也不用考虑人力、物力、财力的消耗和培训人员的安全所带来的限制，打破了传统灾害防护演练的空间局限性。除此之外，在虚拟世界中，学生还能够体验各种危险、有害因素而不用考虑安全性，可以实现真实事故场景下的逃生，只有学生的想象力，才能够束缚虚拟世界的空间。
在对应急救援技术课程的改革中，以重庆赖家桥轻轨站为例，利用VR技术模拟火灾事故的场景，设置不同的危险、有害因素。在原有的32课时基础上，增加4课时的虚拟仿真体验。学生进入该场景后，需要运用应急救援技術课程里面的相关知识，辨别不同的危险有害因素，评价它们的危险程度，寻找方法控制危险或者安全地避开，从而达到逃生的目的。该虚拟仿真系统，考验了学生对课程知识的掌握程度，旨在提高学生的安全意识，危险源辨识能力以及事故应急处置水平。
（三）虚拟仿真系统的设计
“OBE”理念是成果导向教育理念（Outcome based education）的英文缩写，亦称产出导向教育理念或目标导向教育理念、需求导向教育理念、能力导向教育理念等。作为一种先进的教育理念，“OBE”理念的核心是始终坚持以成果为导向和以学生为中心[4]。以课程现存问题为出发点，深入了解学生思想以及需求，再结合“OBE”理念，是本系统开发过程中的指导思想。系统的开发分为两部分：一是根据课程改革需求设计系统的主要内容;二是根据内容利用VR技术实现整个虚拟仿真系统功能的开发，这方面涉及到的VR技术问题则是由专业的公司来完成。
1. 火灾现场道具的设计
该虚拟仿真系统的道具根据赖家桥轻轨站的实际情况来进行设计，主要包括以下方面：
（1）轻轨内：轻轨模型、火情、闸门内侧应急按钮、内侧闸门开关。（2）轻轨站台（二楼）：站台模型、火灾报警按钮、消火栓、站台指示牌（路牌、站牌）。（3）中央乘客休息区、无障碍电梯、灭火器。（4）轻轨站台（一楼）：站台模型、消防栓、灭火器、水龙头、毛巾。如图2、图3所示。
除此之外，还会设置一个登录系统时的初始场景，在该场景中，会设置一些其他的道具，比如书包、枕头、灭火器，用来帮助体验者熟悉对控制手柄的操作，如何移动，怎么拾取物品等等。如图4所示。
2. 危险、有害因素的设计
（1）火焰。本项目设定火灾是从站台一楼开始发生，而且随着时间的推移，火灾会不断扩大，学生必须在有限的时间里完成逃生。（2）烟雾。有毒的烟雾也是火灾现场造成人员伤亡的因素之一，在轻轨站一楼，通过Unity3D设置烟雾模型，并且烟雾会不断扩散。如果逃生人员长时间处于烟雾中，而且逃生时不采取弯腰前行的方式，那么很可能会因为烟雾中毒而造成逃生失败。（3）破碎的玻璃。在火焰长时间的辐射下，高温和火风压会造成二楼过道上方的玻璃破碎，从而导致人员伤亡。（4）漏电。中央乘客休息区两侧弱电及空调挂机存在漏电，如贴近漏电处，触发触电效果，逃生失败。
3. 逃生环节的设计
进入场景后，有教学模式和体验模式两种可供选择，而二者的差异就是在逃生过程中，教学模式会给出相应的提示，相应的逃生步骤，体验模式则没有。在将该系统融入课程时，把两种模式结合，让学生在体验模式中检验自己的知识水平和事故应急处置能力，同时，也可以根据自己的逃生经历来改善系统，培养自己的创新能力，而在教学模式中验证自己不足的地方。进入相应的模式后，主要逃生环节如下：
（1）学生从列车内进入场景，火情发生，轻轨紧急停运并缓慢驶入站台停靠，学生通过轻轨舱内门侧应急按钮与应急闸门打开车厢门，进入站台二楼。（2）进入站台二楼首先按响警报器并拨打火警电话寻求帮助，观察周围环境、探索逃生路线，左侧下楼通道浓烟弥漫无法通行，往另一侧通道行进，途经乘客休息区和直梯右侧下楼通道烟雾较轻，可以通行。（3）进入站台一楼，往出口方向烟雾渐浓，前往卫生间，完成交互动作（找寻毛巾类物件、打开水龙头、打湿毛巾、捂住口鼻），接着弯腰往出口方向前行，路径某侧发生爆炸，及时躲避危险。另一方向有坍塌的燃烧着的障碍物，找到灭火器，正确使用灭火器扑灭障碍火焰，到达安全出口，逃离火场。（4）离开火灾现场，远离轻轨站，与消防、医务人员取得联系，沟通站内情况与身体检查。如图5所示。
图5 进入站台二楼的场景
4. 课后调查设计
在虚拟仿真系统实验课程结束后，通过问卷调查、现场访问等方式，了解学生对于首次将VR融入到本门课程的感受，从学生的角度来分析这种教学方式的优缺点，发挥学生的主观能动性，使得应急救援技术课程的改革以学生实践为基础，不断地进行修正，从而更加地适合于课堂，适合于学生。此外，在对学生的课后体验调查过程中，老师能够充分了解学生思想的变化，加深了师生之间的交流。在交流的过程中，通过老师的点拨，学生能够对本系统进行创新，以此来参加“国家级大学生创新创业项目”“SRTP”大学生创新创业科技实践计划项目，培养其科研能力、创新能力和实践能力。
四、结束语
将VR技术运用于教育行业，已经成为这个时代的必然，在应急救援技术课程的改革中，也取得了较好的效果。首先是极大地提高了学生的学习兴趣、动手实践能力;其次是增强了学生对课程内容的理解，以及通过近乎真实的现场事故场景，磨练了学生的事故应急处置的能力;最后是培养了学生的安全意识，提高了其在轻轨站火灾事故这一特定场景下的逃生水平。
除此之外，在后续的时间里运用VR技术对课程教学进行更深一步的改革时，我们还可以针对不同的事故类型，设计出相应的虚拟仿真系统。比如校园地震，可以通过虚拟系统的实践课程，训练同学们在地震来临时的事故应急处置能力。又如以宿舍环境为对象设计虚拟系统，学生可以通过该系统培养辨识、评估、控制寝室内部危险有害因素的能力。正确运用虚拟现实技术，配合高校课程改革，有利于培养应用型和创新型人才。
参考文献：
[1]胡莲，曾昭平，罗远.财经院校计算机导论的混合式教学改革探讨[J].高教学刊，2020（20）：134-136.
[2]王起全，叶周景.事故应急与救援导论[M].上海：上海交通大学出版社，2015.
[3]刘颜东.虚拟现实技术的现状与发展[J].中国设备工程，2020（14）：162-164.
[4]龙雪梅.“双一流”背景下基于“OBE”理念的大学生学业指导体系构建——以桂林电子科技大学为例[J].高教学刊，2020（3）：30-33.
基金项目：国家级大学生创新创业训练计划资助项目“基于VR的地铁站隐患探查及逃生演练系统的研究”（编号：201910611117）
作者简介：吴斐（1989-），男，汉族，安徽安庆人，工学博士，副教授，研究方向：安全工程。
