導(dǎo)語：現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室安全教育的應(yīng)用一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室安全教育領(lǐng)域的開發(fā)和應(yīng)用情況。在實(shí)驗(yàn)室的安全教育領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用方興未艾。通過虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室安全設(shè)備使用方法、化學(xué)撒漏處理、危險(xiǎn)源識(shí)別等安全教育訓(xùn)練，不僅學(xué)生學(xué)習(xí)興趣高，且顯著提升了實(shí)驗(yàn)室安全教育效果。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)室安全教育；虛擬現(xiàn)實(shí)；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

實(shí)驗(yàn)室安全教育是各高校實(shí)驗(yàn)室管理中的重中之重。為避免實(shí)驗(yàn)室安全事故的發(fā)生，實(shí)驗(yàn)室安全教育必須有效、實(shí)用和持久［1－4］。近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)的發(fā)展非常迅速［5］，將虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室安全教育中，具有以下顯著優(yōu)勢(shì)：（1）基于VR／AR的實(shí)驗(yàn)室安全教育沒有時(shí)間和地點(diǎn)的限制，只要具有相應(yīng)的軟硬件條件即可實(shí)施；（2）基于VR／AR的實(shí)驗(yàn)室安全教育過程互動(dòng)性好，學(xué)生的接受程度高，教育效果相比傳統(tǒng)方法具有一定優(yōu)勢(shì)；（3）顯著降低了實(shí)驗(yàn)室工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和實(shí)驗(yàn)耗材的使用成本，且被培訓(xùn)者可根據(jù)需要進(jìn)行定期鞏固培訓(xùn)效果；（4）火災(zāi)逃生、化學(xué)撒漏等不便進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練的項(xiàng)目可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)的方法進(jìn)行培訓(xùn)；（5）實(shí)驗(yàn)室安全教育效果的實(shí)時(shí)反饋：通過虛擬現(xiàn)實(shí)中被培訓(xùn)者的表現(xiàn)，可以及時(shí)對(duì)安全教育效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)教育方法進(jìn)行改進(jìn)；（6）便于實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室安全教育的標(biāo)準(zhǔn)化。

1虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)消費(fèi)和服務(wù)市場(chǎng)總量在快速增加，2018年的預(yù)期產(chǎn)值達(dá)到68億美元（數(shù)據(jù)來源：InternationalDataCorporation）。由于市場(chǎng)的推動(dòng)，虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的軟硬件資源和相關(guān)應(yīng)用拓展迅速。除了在游戲產(chǎn)業(yè)中的廣泛應(yīng)用外，虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)還被應(yīng)用于軍事訓(xùn)練［6］、復(fù)雜醫(yī)學(xué)手術(shù)的模擬訓(xùn)練［7］、高壓電纜維修訓(xùn)練［8］、兒童交通安全訓(xùn)練［9］、建筑工程危險(xiǎn)源識(shí)別［10］以及礦井操作培訓(xùn)［11］等領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要VR／AR軟件與沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)硬件的配合來實(shí)現(xiàn)。目前市場(chǎng)上主流的VR／AR軟件有Unity（免費(fèi)）、UnrealEngine（后期付費(fèi)）、CryEngine（部分付費(fèi)）、Lumberyard（免費(fèi)）；主流硬件的收費(fèi)情況見表1（數(shù)據(jù)采集自2018年7月）。從實(shí)驗(yàn)室安全教育領(lǐng)域的應(yīng)用需求看，目前各類主流VR／AR的軟件硬件設(shè)備均能滿足需求，且絕大部分VR／AR開發(fā)軟件為開源免費(fèi)使用軟件，VR／AR設(shè)備的價(jià)格也相對(duì)低廉，高等院校和研究機(jī)構(gòu)可以根據(jù)自身實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)和重點(diǎn)安全教育領(lǐng)域，開發(fā)基于VR／AR技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室安全教育軟件并推廣使用。被培訓(xùn)者通過安裝軟件或者使用基于網(wǎng)頁的培訓(xùn)平臺(tái)，可以方便地使用電腦或者基于iOS／Android的移動(dòng)設(shè)備參加實(shí)驗(yàn)室安全教育和效果評(píng)估。

2虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室安全教育中的應(yīng)用

近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用受到很多學(xué)者和科技公司的重視。2013年和2014年，分別有學(xué)者在《自然》和《科學(xué)》期刊發(fā)文，探討將虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室安全教育中，效果非常顯著［12－13］。丹麥科技大學(xué)（DTU）基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)效果表明：有97％學(xué)生認(rèn)為這種教育方式十分生動(dòng)且印象深刻，有86％學(xué)生認(rèn)為基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)比傳統(tǒng)方法效果更好。實(shí)際教學(xué)效果評(píng)估也表明：基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)比傳統(tǒng)方法成績提高了4．2％［13］。近年來，開發(fā)了一系列實(shí)驗(yàn)室安全教育方面的虛擬現(xiàn)實(shí)商業(yè)化軟件，具有代表性的開發(fā)商包括丹麥Labester公司以及美國的Virtualheroes公司等。圖1為Labester公司開發(fā)的基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室安全教育系統(tǒng)。使用者可以與軟件構(gòu)建的虛擬環(huán)境互動(dòng)，根據(jù)軟件引導(dǎo)，充分了解各類實(shí)驗(yàn)室防護(hù)器具以及噴淋、洗眼器等應(yīng)急設(shè)備的使用方法，可以根據(jù)軟件設(shè)定進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室安全小測(cè)驗(yàn)，還可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)練習(xí)各類腐蝕性化學(xué)物質(zhì)撒漏后的應(yīng)急處置方法。通過沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練，學(xué)生可以充分了解和掌握基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室安全常識(shí)。由于沉浸感強(qiáng)、學(xué)習(xí)過程生動(dòng)，學(xué)生積極性提高。在實(shí)驗(yàn)室安全教育的實(shí)際應(yīng)用中，用戶還可根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)對(duì)安全訓(xùn)練內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)不同研究方向的實(shí)驗(yàn)室安全教育的需要。在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域也出現(xiàn)了一些面向?qū)嶒?yàn)室安全領(lǐng)域的應(yīng)用。圖2展示了基于微軟HoloLens硬件的利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)識(shí)別實(shí)驗(yàn)室內(nèi)輻射劑量分布的應(yīng)用。在CT掃描室內(nèi)，工作人員通過佩帶增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)硬件HoloLens，可以在自身視覺背景上以3D方式疊加輻射劑量分布圖，可以有效避免工作人員在輻射劑量集中的區(qū)域長期暴露而受到傷害。與之類似，Alam等研究者通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，把實(shí)驗(yàn)室管道和線纜的伽馬射線輻射情況疊加在真實(shí)視覺上，從而有效降低了使用者接受的輻照劑量。此外，還有研究者研發(fā)了將肉眼不可見的激光光束用示意圖的方式疊加在人視覺中的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以有效避免由于人直視激光對(duì)眼睛造成的傷害［14］。韓國的Tae－Jung等研究者［15］則將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在了實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)的逃生訓(xùn)練中。值得一提的是，也有高校或科研機(jī)構(gòu)在自行開發(fā)基于虛擬現(xiàn)實(shí)或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的安全教育系統(tǒng)時(shí)，借助了一款名為OpenSimulator（原為美國陸軍模擬和訓(xùn)練技術(shù)中心開發(fā)，現(xiàn)已公開）的免費(fèi)軟件，充分利用其中已有的各類模型和訓(xùn)練方法進(jìn)行快速研發(fā)。

3結(jié)語

虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室安全領(lǐng)域的應(yīng)用方興未艾，目前還遠(yuǎn)未普及到大多高校和研究機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室安全教育中。由于采用沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室安全培訓(xùn)效果好、培訓(xùn)成本低，未來必將得到越來越廣泛的應(yīng)用。但需要指出的是，在實(shí)驗(yàn)室安全教育中不應(yīng)忽視實(shí)踐培訓(xùn)的作用，而是要把虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界中的培訓(xùn)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，方能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室安全教育效果的最大化。

作者:黃曉一 范一強(qiáng) 張亞軍 單位:北京化工大學(xué)