现实技术在实验室安全教育的应用

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摘要：介绍了虚拟现实与增强现实技术在实验室安全教育领域的开发和应用情况。在实验室的安全教育领域，虚拟现实技术和增强现实技术的应用方兴未艾。通过虚拟现实与增强现实技术可以进行实验室安全设备使用方法、化学撒漏处理、危险源识别等安全教育训练，不仅学生学习兴趣高，且显著提升了实验室安全教育效果。

关键词：实验室安全教育；虚拟现实；增强现实

实验室安全教育是各高校实验室管理中的重中之重。为避免实验室安全事故的发生，实验室安全教育必须有效、实用和持久［1－4］。近年来，虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术的发展非常迅速［5］，将虚拟现实和增强现实技术应用在实验室安全教育中，具有以下显著优势：（1）基于VR／AR的实验室安全教育没有时间和地点的限制，只要具有相应的软硬件条件即可实施；（2）基于VR／AR的实验室安全教育过程互动性好，学生的接受程度高，教育效果相比传统方法具有一定优势；（3）显著降低了实验室工作人员的劳动强度和实验耗材的使用成本，且被培训者可根据需要进行定期巩固培训效果；（4）火灾逃生、化学撒漏等不便进行实践训练的项目可以通过虚拟现实的方法进行培训；（5）实验室安全教育效果的实时反馈：通过虚拟现实中被培训者的表现，可以及时对安全教育效果进行评价，并对教育方法进行改进；（6）便于实现实验室安全教育的标准化。

1虚拟现实与增强现实发展现状

目前，虚拟现实与增强现实消费和服务市场总量在快速增加，2018年的预期产值达到68亿美元（数据来源：InternationalDataCorporation）。由于市场的推动，虚拟现实和增强现实技术的软硬件资源和相关应用拓展迅速。除了在游戏产业中的广泛应用外，虚拟现实和增强现实技术还被应用于军事训练［6］、复杂医学手术的模拟训练［7］、高压电缆维修训练［8］、儿童交通安全训练［9］、建筑工程危险源识别［10］以及矿井操作培训［11］等领域。虚拟现实和增强现实技术的实现需要VR／AR软件与沉浸式虚拟现实或增强现实硬件的配合来实现。目前市场上主流的VR／AR软件有Unity（免费）、UnrealEngine（后期付费）、CryEngine（部分付费）、Lumberyard（免费）；主流硬件的收费情况见表1（数据采集自2018年7月）。从实验室安全教育领域的应用需求看，目前各类主流VR／AR的软件硬件设备均能满足需求，且绝大部分VR／AR开发软件为开源免费使用软件，VR／AR设备的价格也相对低廉，高等院校和研究机构可以根据自身实验室的特点和重点安全教育领域，开发基于VR／AR技术的实验室安全教育软件并推广使用。被培训者通过安装软件或者使用基于网页的培训平台，可以方便地使用电脑或者基于iOS／Android的移动设备参加实验室安全教育和效果评估。

2虚拟现实和增强现实技术在实验室安全教育中的应用

近年来，虚拟现实和增强现实技术在实验室中的应用受到很多学者和科技公司的重视。2013年和2014年，分别有学者在《自然》和《科学》期刊发文，探讨将虚拟现实和增强现实技术应用在实验室安全教育中，效果非常显著［12－13］。丹麦科技大学（DTU）基于虚拟现实技术的虚拟实验室教学效果表明：有97％学生认为这种教育方式十分生动且印象深刻，有86％学生认为基于虚拟现实技术的实验室教学比传统方法效果更好。实际教学效果评估也表明：基于虚拟现实技术的实验室教学比传统方法成绩提高了4．2％［13］。近年来，开发了一系列实验室安全教育方面的虚拟现实商业化软件，具有代表性的开发商包括丹麦Labester公司以及美国的Virtualheroes公司等。图1为Labester公司开发的基于虚拟现实技术的实验室安全教育系统。使用者可以与软件构建的虚拟环境互动，根据软件引导，充分了解各类实验室防护器具以及喷淋、洗眼器等应急设备的使用方法，可以根据软件设定进行实验室安全小测验，还可以通过虚拟现实技术练习各类腐蚀性化学物质撒漏后的应急处置方法。通过沉浸式的虚拟现实训练，学生可以充分了解和掌握基础实验室安全常识。由于沉浸感强、学习过程生动，学生积极性提高。在实验室安全教育的实际应用中，用户还可根据实验室的特点对安全训练内容进行调整，以适应不同研究方向的实验室安全教育的需要。在增强现实技术领域也出现了一些面向实验室安全领域的应用。图2展示了基于微软HoloLens硬件的利用增强现实技术识别实验室内辐射剂量分布的应用。在CT扫描室内，工作人员通过佩带增强现实硬件HoloLens，可以在自身视觉背景上以3D方式叠加辐射剂量分布图，可以有效避免工作人员在辐射剂量集中的区域长期暴露而受到伤害。与之类似，Alam等研究者通过增强现实技术，把实验室管道和线缆的伽马射线辐射情况叠加在真实视觉上，从而有效降低了使用者接受的辐照剂量。此外，还有研究者研发了将肉眼不可见的激光光束用示意图的方式叠加在人视觉中的增强现实技术，可以有效避免由于人直视激光对眼睛造成的伤害［14］。韩国的Tae－Jung等研究者［15］则将增强现实技术应用在了实验室火灾的逃生训练中。值得一提的是，也有高校或科研机构在自行开发基于虚拟现实或增强现实技术的安全教育系统时，借助了一款名为OpenSimulator（原为美国陆军模拟和训练技术中心开发，现已公开）的免费软件，充分利用其中已有的各类模型和训练方法进行快速研发。

3结语

虚拟现实和增强现实技术在实验室安全领域的应用方兴未艾，目前还远未普及到大多高校和研究机构的实验室安全教育中。由于采用沉浸式虚拟现实和增强现实技术进行实验室安全培训效果好、培训成本低，未来必将得到越来越广泛的应用。但需要指出的是，在实验室安全教育中不应忽视实践培训的作用，而是要把虚拟世界和现实世界中的培训结合起来，实现优势互补，方能实现实验室安全教育效果的最大化。

作者:黄晓一 范一强 张亚军 单位:北京化工大学