文/ 姜曈 張悅 王啟要

打破傳統(tǒng)安全教育的弊端// 傳統(tǒng)的實驗室安全教育往往紙上談兵，以“擺拍”和說教的方式對學(xué)生進(jìn)行灌輸，學(xué)生對危險的印象不深，難以樹立防范意識。準(zhǔn)入資格考核也以筆試為主，不能真正考驗學(xué)生是否具有避免、預(yù)判和處置危險的能力。本文提出了一種仿真實驗平臺設(shè)計思路，能夠發(fā)揮出仿真技術(shù)直觀性強(qiáng)、操作自由度高、數(shù)據(jù)記錄分析便捷、成本低的優(yōu)勢，應(yīng)用于實驗室安全教育，提高學(xué)生對安全教育的接受度，并提供一種便捷、能真實反映學(xué)生能力的準(zhǔn)入資格考評方式。

什么是仿真實驗？仿真實驗是一種新興的虛擬實驗技術(shù)，沒有普通意義上的實驗器材，而是在計算機(jī)上用仿真軟件通過一定的程序設(shè)計來模擬現(xiàn)實實驗的效果。學(xué)生可以在仿真平臺中操作化工設(shè)備、挖掘礦井、培養(yǎng)微生物等等，例如，圖1所示極端條件下可控制備多維石墨烯虛擬仿真實驗。實驗人員只需要登陸一臺計算機(jī)，就可以在任意時間地點進(jìn)行復(fù)雜的實驗，不受氣候、物資、審批等因素的制約，不會產(chǎn)生真正的實驗廢棄物和污染物，也節(jié)約了實體實驗室所需的大量經(jīng)費(fèi)。

近年來，仿真實驗平臺迅速走入各大高校，用來代替一些成本較高的真實實驗，或作為實踐教學(xué)的補(bǔ)充，為學(xué)生提供更便捷的實驗機(jī)會。隨著技術(shù)和設(shè)計理念的發(fā)展，仿真實驗平臺的構(gòu)建并不僅局限于傳統(tǒng)的理工實驗，也可以是對一座歷史博物館或?qū)嵉亟虒W(xué)基地的模擬，讓學(xué)生足不出戶即可進(jìn)行模擬的實地游覽學(xué)習(xí)。

圖1 極端條件下可控制備多維石墨烯虛擬仿真實驗

在享受仿真實驗平臺帶來的便利的同時，我們必須注意到，目前絕大多數(shù)仿真實驗平臺都有操作的局限性，實驗流程基本固定，操作者與模擬場景的互動性有限，缺少智能化互動等缺點，學(xué)生在虛擬場景中無法充分發(fā)揮能動性，只能按照既定動作和流程進(jìn)行“正確的”操作，否則系統(tǒng)將無法做出反應(yīng)。這一方面證明仿真實驗技術(shù)還沒有得到充分的開發(fā)、沒有完全模擬現(xiàn)實實驗具有的優(yōu)點，另一方面也意味著仿真實驗平臺擁有寬廣的可優(yōu)化空間，其虛擬性所具有的潛在優(yōu)勢是巨大的。如果優(yōu)化程序，仿真實驗技術(shù)將會具有更加廣闊的應(yīng)用前景。

仿真實驗平臺在實驗室安全教育方面的應(yīng)用前景

實驗室安全教育是所有實驗相關(guān)人員的必修課。頻頻發(fā)生的實驗室或工廠、工地安全事故，都在提醒著所有的實踐教學(xué)參與者，尤其是經(jīng)驗少的學(xué)生，應(yīng)當(dāng)充分強(qiáng)化安全意識，培養(yǎng)處理突發(fā)事件的能力。“隱患險于明火，防范勝于救災(zāi)”，實驗室安全教育就是為了通過規(guī)范實驗操作、闡明潛在風(fēng)險、傳授處置方法，來培養(yǎng)學(xué)生的防范意識和處突能力。然而，按照傳統(tǒng)實驗室安全教育的方法，僅靠幾段視頻演示、一張操作規(guī)范，并不能使學(xué)生很好地形成對危險的直觀印象，難以讓他們意識到實驗事故可能造成的嚴(yán)重后果，進(jìn)而也難以真正端正其防范意識、培訓(xùn)其處突能力。

俗話說“一朝被蛇咬，十年怕井繩”，想讓學(xué)生真正意識到事故的嚴(yán)重性、真正磨練操作能力，最好的方法便是讓他們感受一次事故的后果，并且靠自己的能力保護(hù)自己、生存下來。然而，任何教育或培訓(xùn)機(jī)構(gòu)都不可能真正讓學(xué)生承受“被蛇咬”的代價，而仿真實驗技術(shù)的出現(xiàn)，恰為這一難題提供了解決方案。通過對仿真實驗平臺進(jìn)行良好的程序設(shè)計，改變以往只允許學(xué)生進(jìn)行“正確”操作的弊端，進(jìn)一步允許學(xué)生進(jìn)行“錯誤”的操作，教育者就可以利用仿真實驗的虛擬性，在虛擬空間中模擬出許多在真實實驗中無法承受的危險情況，讓學(xué)生沉浸式體驗實驗室危險，并利用近乎無限的試錯機(jī)會，通過自主探索的方式，發(fā)揮主觀能動性，牢固地記憶危險情況、其產(chǎn)生原因及其應(yīng)對方法，了解各種藥品、設(shè)備的性質(zhì)和安全隱患，真正成為合格的安全操作者。在學(xué)生的操作過程中，模擬環(huán)境能夠提供紙面考試所不能還原的現(xiàn)場感、時間感、心理壓力等隱形影響因素，通過平臺的數(shù)字化記錄，能實現(xiàn)精準(zhǔn)、真實的便捷考核，讓準(zhǔn)入資格更能反映真實情況。

仿真實驗的一種設(shè)計思路

應(yīng)用在實驗室安全教育上的仿真實驗平臺，其程序的設(shè)計思路和具體編程可以在成熟領(lǐng)域的模擬器軟件基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)最終的學(xué)習(xí)教育性、錯誤操作強(qiáng)化性和準(zhǔn)入考核真實性。

1.目標(biāo)主體

對實驗基本操作和實驗室組成有一定了解，但實踐經(jīng)驗很少的大學(xué)生。

2.目標(biāo)客體

一些操作技巧要求高，潛在危險多，真實試錯成本大的實驗課程。

3.程序設(shè)計

核心思想是充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，盡量少給提示，少做限制，但是進(jìn)行的操作都有評分記錄，并最終生成結(jié)果。學(xué)生登陸平臺，系統(tǒng)會提示本次實驗?zāi)康暮突痉椒ǎ瑢W(xué)生隨即進(jìn)入仿真實驗室；首先進(jìn)入準(zhǔn)備區(qū)，其中放置著各種學(xué)生可能用到的物品，學(xué)生需要根據(jù)對實驗方法和目的的認(rèn)識，自由選擇要帶進(jìn)實驗室的裝備，系統(tǒng)會記錄學(xué)生進(jìn)行的選擇并給出該步驟的分?jǐn)?shù)。這一步選擇的裝備對后續(xù)操作產(chǎn)生的影響，計入下一個環(huán)節(jié)。然后，學(xué)生進(jìn)入操作區(qū)域，進(jìn)行對應(yīng)的操作。

本系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)仿真實驗系統(tǒng)的地方就在于其自由度高，學(xué)生控制的角色如同真人一樣，例如，圖2所示，可以被掌握的只有操作方向、操作方式和操作程度。對于一個待完成的操作，學(xué)生需要憑借自己對實驗的理解，先檢查環(huán)境，再進(jìn)行操作方向和操作方式的選擇，并在操作時把控其程度。如果學(xué)生對任意環(huán)節(jié)操作不當(dāng)，遺漏或誤操作，系統(tǒng)會模擬出對應(yīng)的事故結(jié)果，學(xué)生又要對這一事故狀況進(jìn)行補(bǔ)救操作，系統(tǒng)記錄并用于最終評分。在操作模擬結(jié)束后，系統(tǒng)根據(jù)全部操作記錄和事故狀況，對學(xué)生操縱的角色形象進(jìn)行身體傷害仿真，或按照設(shè)備藥品損失要求角色支付虛擬貨幣。最后系統(tǒng)講解學(xué)生是哪里出了問題被扣分，講解涉及到的事物的性質(zhì)和標(biāo)準(zhǔn)操作，學(xué)生學(xué)習(xí)后重新開始，直到最后完全規(guī)范完成，即可獲得準(zhǔn)入資格。

圖2 污水處理單元虛擬現(xiàn)實教學(xué)實驗中學(xué)生操作的人物形象

4.實踐

將上述思路引入微生物實驗。學(xué)生打開系統(tǒng)，系統(tǒng)提示：“本次實驗內(nèi)容是倒平板培養(yǎng)基，你的操作方法、配方和劑量如下……”學(xué)生閱讀后，進(jìn)入仿真。首先進(jìn)入準(zhǔn)備室，其中有若干實驗服，橡膠手套，隔熱手套，護(hù)目鏡，不同尺寸的量筒和錐形瓶，玻璃棒等基本用品。系統(tǒng)后臺設(shè)定學(xué)生應(yīng)選其中的一些（如前三項，不選則減分），可選其中的另一些（如護(hù)目鏡，選了不扣分），不可選無關(guān)的干擾項（如尺寸不恰當(dāng)?shù)牧客埠湾F形瓶，選了則扣分）。在后面的模擬中，例如“將仍有余熱的瓊脂液體培養(yǎng)基倒入培養(yǎng)皿”這一步，如果學(xué)生之前沒有選擇攜帶隔熱手套，操作角色用手直接接觸滾燙的錐形瓶，角色會發(fā)出痛苦的喊叫，造成深刻的視聽印象，系統(tǒng)會記錄這一問題。最終評分時，系統(tǒng)會在角色形象上生成一只紅色的燙出水泡的手，并告知學(xué)生錯誤在于沒有選擇隔熱手套。如果學(xué)生沒有很好地控制角色傾倒液體的力度，滾燙的液體會灑出來，造成不同程度的損害，比如污損了超凈臺，學(xué)生就需要進(jìn)行清理，在清理時又要保證其他部分免遭二次污染。最后得到一個低分結(jié)果，系統(tǒng)告知不足在于傾倒力度過大，或濺到了衣物上（這也對應(yīng)了實驗服的選擇），最后生成一個衣服臟兮兮的人物形象，系統(tǒng)告知不足在于沒選擇實驗服，以及傾倒力度沒有控制在合適區(qū)間。當(dāng)學(xué)生不斷重復(fù)這一實驗?zāi)M，最終取得一個高分結(jié)果和一個完好無損的角色形象，系統(tǒng)即可評定其獲得了本實驗的安全準(zhǔn)入資格。

仿真實驗平臺在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用情況

在高校的實驗教學(xué)領(lǐng)域，目前已有面向煤礦、化工、建筑領(lǐng)域的虛擬安全教育平臺，但可以發(fā)現(xiàn)，這些平臺大多仍不具有“試錯-模擬傷害-加深印象”這一學(xué)習(xí)原理，仍是采用“游覽觀光”式的學(xué)習(xí)模式和循規(guī)蹈矩的操作模式，沒有真正發(fā)揮出虛擬實驗的核心優(yōu)勢。

仿真平臺模擬真實生活所不能發(fā)生的危險，考驗和磨練操作者能力的這一核心優(yōu)勢，已經(jīng)在其他領(lǐng)域得到了一定的發(fā)展。尤其是在商業(yè)程度較高的電子競技領(lǐng)域、虛擬教學(xué)起步較早的特種車船飛行器駕駛員訓(xùn)練領(lǐng)域，現(xiàn)已存在多款高自由度、高操作性、高智能化的場景模擬類模擬器軟件，仿真場景主要集中在戰(zhàn)場等危險環(huán)境或高技術(shù)要求的設(shè)備操作環(huán)節(jié)，例如模擬戰(zhàn)場對抗以進(jìn)行虛擬競賽、模擬特種車輛的駕駛以訓(xùn)練駕駛員、模擬軍用航空器的飛行和起降以訓(xùn)練飛行員等等。

總結(jié)與展望

當(dāng)今世界，基于互聯(lián)網(wǎng)+、人工智能和大數(shù)據(jù)的虛擬世界正在突飛猛進(jìn)地開疆拓土，包括實驗室教學(xué)工作在內(nèi)的傳統(tǒng)實踐教學(xué)科目也應(yīng)當(dāng)更好地利用這一新技術(shù)作為傳統(tǒng)方法的重要補(bǔ)充手段，傳統(tǒng)上少有結(jié)合實踐的理論教學(xué)科目也應(yīng)當(dāng)借助虛擬平臺的便捷性，進(jìn)行更多的實踐探索。各實驗教學(xué)部門應(yīng)當(dāng)與計算機(jī)專業(yè)更緊密地進(jìn)行學(xué)科交叉，設(shè)計出更符合真實操作環(huán)境的仿真實驗平臺，在虛擬世界中構(gòu)建出真實實驗中難以實現(xiàn)的環(huán)境，為學(xué)生帶來更加全面的實驗學(xué)習(xí)體驗。本文所述的利用仿真實驗平臺進(jìn)行實驗室安全教育和準(zhǔn)入考核，僅僅是未來無數(shù)種應(yīng)用前景中的滄海一粟，只是這一宏大潮流中微小的一滴水，如果能拋磚引玉，啟發(fā)廣大的實踐教學(xué)工作者和計算機(jī)專家，將真實實驗的仿真創(chuàng)新繼續(xù)向前推進(jìn)，筆者將不勝榮幸。