机械安全工程课程引入虚拟现实与计算机仿真技术的教学探索.docx

机械安全工程课程引入虚拟现实与计算机仿真技术的教学探索 摘要：虚拟现实与仿真技术作为新时代环境下的先进科技是新型教化模式中的重要工具。在打破传统机械平安工程教学壁垒的基础上，基于虚拟仿真的教学模式可以提高学生在实际应用中的参加度与问题的应对实力。在调动学生学习的主观能动性的同时，也有效提升了课堂教学的整体质量。随着相关科技的突飞猛进，虚拟仿真肯定会在机械平安领域的教学中起到重要作用，具有主动意义和正面的价值。 关键词：平安工程；虚拟现实；数值仿真 中图分类号：G642.0 文献标记码：A 文章编号：1674-932418-0190-03 随着经济的高速发展，“平安”已经成为我国日益突出的重要冲突，例如近年来发生的央视大楼火灾、天津港特大火災爆炸事故等1，2使得平安问题引起了全社会的空前关注，因此在时代的大背景下，教化部也正在主动的推动各高校增设或加大对平安工程学科的建设力度。“机械平安工程”是机械工程及平安工程专业的重要课程之一，作为一门交叉学科，本身囊括了很多自然及社会科学方面的基础学问，例如公共平安、火灾平安等，同时与实际工程应用又紧密相连。 在传统平安工程学的课堂教学活动中，学生与实际平安场景的距离相对遥远，缺乏对实际问题的参加感，在理解上也会产生不同程度的偏差乃至误会，因此远不能达到该课程的教学目的。正是由于这些因素，具有相关专业的高校在教学实施过程中更应当考虑引入新的教学模式，一个较为有效并切实可行的方法是将虚拟仿真以及相关数值模拟技术引入到平安工程的教学之中，使具有危急性或高成本的实际场景得以在教室内重现，让学生快速理解和驾驭相关学问。 虚拟现实及仿真技术是基于现代计算机技术的一大类，可创建和体验虚拟仿真世界的技术统称3，4。利用计算机技术生成效果逼真且兼具视觉、听觉甚至嗅觉、触觉等多种感知的虚拟环境，通过运用对应的交互设备，同虚拟环境中的实体进行互动沟通，是一种先进的数字化人机接口技术。自其诞生以来，已经在军事、测绘、制造、建筑、生物、医学等领域中发挥了巨大作用。本文旨在针对目前机械平安工程中的一些难点，分析和探讨引入虚拟现实及仿真技术后的优势，并对今后课程的教学发展提出了建议。 一、传统教学方式在平安工程学课程中的逆境 机械平安工程在教学时由于涉及到大量应用场景，是一门实践性很强的课程，此时传统的老师单方面灌输课堂学问略显苍白，例如在讲授机械工业厂房火灾防治的相关内容时，书本作为传统媒介几乎无法展示火灾发生的一系列困难动力学现象，也无法让学生感受到灾难环境下的人因作用，导致学生在认知过程中达不到预定的教学目的。总体来看目前普遍存在以下两大问题。 1.课程内容与实际应用场景相差较大或严峻脱节。由于传统理工科教学的限制，以学问点和公式为重心的授课内容在日益改变的平安问题中是滞后的。不仅简单导致学生目光短视，也不利于学生毕业后进入相关行业。一个突出问题便是相关专业的学生缺少接触实际平安问题的机会，造成无法运用所学理论来指导实践活动，或者在工作中经常错误的估计场景的平安性或危急度，不能作出正确的应对措施，这对于从事平安领域的相关职业而言是极为不利的。 2.平安工程学的学生参加度及课堂满足度普遍不高。对于一门综合性、交叉性极强的学科来说，其本身便具有困难、多元与实践要求高的特点。传统课堂以讲授为主的模式已被大量案例证明是难负重任的，并且由于我国的相关教材很大一部分是节选国外上世纪的探讨内容，进一步加大了教学活动与实际应用的落差，因此对于这类新兴学科而言，老师可以吸纳构建主义的教学观，在教学过程中老师起到组织、指导和促进的作用。利用情境重构、协作互动等学习要素充分发挥学生的主观能动性、学习主动性和创新精神。可以预见的是在平安工程的教学中引入虚拟现实与仿真技术，能够较好的激发学生的学习动力，并体现学生认知中的主体地位，使学生可在相对贴近困难真实的应用情境中完成学习内容，培育和提高自身综合学习的实力。 二、虚拟现实及仿真在平安工程学的详细实现 1.基于pathfinder软件的危急环境人员疏散虚拟仿真教学。平安领域中的基本原则是优先保障人身平安，因此机械平安工程课程中特殊包含了发生灾难，如地震、火灾后的人员疏散等相关内容。正如前文所述，受限于传统教学场地等条件限制，要让学生体验大型机械厂房受灾过程中的大规模人群疏散几乎是无法实现的，而利用专业的数值仿真软件Pathfinder5，结合虚拟现实硬件设备便能够很好的解除这种限制。Pathfinder是由美国Thunderhead engineering公司开发的专业人员运动模拟器。软件自身供应了图形用户界面的场景建模工具以及后期进行三维可视化分析的处理程序。在实际建模过程中，用于进行人员运动的环境是一个完整的基于有限元网格的三维空间，例如在对建筑内人员进行疏散仿真时，首先将根据建筑物的比例与门、窗、电梯等出入口进行综合建模，值得一提的是Pathfinder供应的建模UI界面非常便捷，可以轻松建立房间隔墙、房门出口、走廊通道、上下楼梯及电梯等各种建筑内的场景，便利老师进行操作和演示。然后对人员的体态、分布、运动特性等进行设置，Pathfinder通过一套特别的动力学参数算法，可以对场景中每个人员的运动状况进行追踪，并且可以模拟出不同运动速度、人员身高、相互碰撞、紧急寻路及方向迷失等特别状况。最终，通过直观的可视化模拟结果，不仅能科学地分析出人员疏散的相关数据，还能得到人员疏散的最佳时间或最佳路径等方案。在此基础上，可干脆将虚拟现实的软硬件进行耦合编程，最终通过虚拟现实头盔或眼镜等外设将学生置身于所搭建的逃命场景中，切实体验真实的大规模人员疏散过程，对于学生理解真实疏散、培育协作逃命实力、提高灾难自救素养具有重要作用。 2.基于FDS软件的火灾平安事故虚拟仿真教学。火灾平安由于其广泛性及后果的严峻性，自平安学科诞生起便是其中的重要组成部分，而在传统课堂教学中是很难让学生对其有直观体会的。为大幅改善教学效果，可以通过FDS软件6让学生视察和感受到身临其境火灾的发生发展过程。FDS软件是由美国国家标准局NIST的建筑火灾试验室所自行研发的针对火灾过程的开源动力学数值仿真软件。目前该软件的开发已接近有20年的历史，是火灾平安方面的权威软件，其目的就是为了解决火灾与消防平安中所存在的实际问题，为其供应定量或定性的参考依据。FDS软件内部包含了两部分的程序模块：第一块是求解各种物理化学限制方程的主程序模块；其次块则与Pathfinder的可视化分析模块类似，为一个用于后端输出的三维可视化模块SmokeView，用于查看计算结果以及对整个火灾过程进行可视化仿真演示。例如通过该软件可以重现整个建筑从局部着火、烟气扩散、火势扩大到室内轰燃等火灾各特征阶段的典型现象规律，如图2所示。FDS的开源优势在于能够便利的对其他仿真软件进行嵌入，例如可与上述的Pathfinder进行联合仿真，可以模拟出真实火灾状况下的人员逃命规律。借助这一平台，学生不但可以更真实的了解到火灾对人的困难影响，还能训练如何应对此类灾难的各项实力，不仅提高了课程的整体效能，也在很大程度上挖掘和拓展了学生的自我能动性。 3.基于虚拟仿真和眼动追踪的危急环境感知教学。机械平安工程中人员的感知是特别重要的内容之一，考虑到传统教学手段基本无法在课堂上实现对学生感知体验的互动式教学，可以借助神经认知类的相关仪器设备，如脑电波电位系统、ETG眼动追踪系统并结合虚拟现实眼镜等装置。在课堂上一方面教授学生学习上述先进仪器的基本操作，另外教師通过设置搭建三维仿真危急场景，还可使学生作为危急“亲历者”，通过虚拟手柄、手势运动追踪等工具实现在虚拟危急场景中的互动体验，如危急源识别、扑救、人员互助及协同逃命等，并结合脑电、皮电、眼动数据测量学生的感知反应，最终让学生在生动好玩的课堂环境中了解真实危急环境下的人员行为特征。事实上在华侨高校机电学院VR仿真试验室与旅游学院神经认知试验室硬件的支持下，开展了数次尝试性教学活动，并获得了学生的广泛好评。 三、引入虚拟仿真的教学优势和意义 作为一个新兴事物，虚拟仿真将在肯定程度上促进传统教学的改革，并为课堂带来了新的活力，对于教学而言具有特别正面的意义和价值，其详细优势如下。 1.突破了传统课堂教学模式的种种限制。由于平安领域的大尺度试验项目存在设备昂贵、成本高、周期长等问题，很难在课堂教学中引入这些手段，而虚拟仿真平台则不受时间、空间的约束，能够最大程度的利用教学资源为学生的多元自主学习供应支持。 2.虚拟仿真技术能够将学生从平面的书本或黑板学习快速带入到生动且详细的实际场景中，削减学生在认知上的理解成本。利用计算机仿真软件可以大幅度扩展教学内容和敏捷度，能够很好的培育学生的全面理解实力、创建思维实力以及运用现代信息技术的综合实力。 3.高度仿真的应用场景可以解决学生平常实践实力缺乏的问题。借助虚拟现实及仿真手段，学生可以自主设计并开发应用场景，促进学问的转化与扩展。 四、结语 虚拟现实与仿真技术作为新时代环境下的先进科技，必将成为教学科研的重要组成部分，将其引入机械平安工程领域的教学环节是合理可行的。在打破传统平安学教学壁垒的基础上，基于虚拟仿真的教学模式可以大大提高学生在实际机械平安问题中的参加度与应对实力。不仅调动了学生学习的主观能动性，也提升了课堂的整体教学水平。我们有理由信任，随着虚拟仿真相关科技的突飞猛进，肯定会在机械平安领域的本科教学中起到举足轻重的作用。 参考文献： 1董大旻，左芬.从央视配楼火灾事务看建筑防火平安J.建筑，2022，：44. 2梁立武.天津港“8·12”特殊重大火灾爆炸事故抢险救援卫勤保障的反思J.武警医学，2022，26：1013-1014. 3周世杰，吉家成，王华.虚拟仿真试验教学中心建设与实践J.计算机教化，2022，：5-11. 4马天辉.利用虚拟仿真技术激发学生科学探讨爱好J.中国科教创新导刊，2022，：173-177. 5金润国，毛龙，乐增.FDS与pathfinder在建筑火灾与人员疏散中的应用J.工业平安与环保，2022，：1-8. 6刘军，刘敏，智会强，路世昌.FDS火灾模拟基本理论探析与应用技巧J.平安，2022，27：6-9. 第8页 共8页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页