2-1名称

建筑施工与消防安全虚拟仿真教学平台

2-2实验目的

建筑施工安全以及消防安全教学是安全工程专业学生培养的核心课程。由于受现场实际环境恶劣、事故发生风险大等因素的影响，传统现场教学亦或实验室教学，大多采用远距离观摩的方式。然而，这种教学方式存在教学设备有限、教学手段单一、教学形式单调等问题，导致学生学习过程中缺乏危险事故发生体验场景的环境，使得学习兴趣不高。因此，本项目提出将虚拟仿真技术与建筑安全教育相结合，改变以往传统观摩式教育教学的实训形式，完善传统建筑安全教育无法体验或体验不深刻的现象，解决实训过程中潜在的安全隐患，同时虚拟仿真技术所创建的逼真环境也将满足学生的感知需求，真正实现学生不出校门即可切身融入事故环境，深刻感受建筑安全事故带来的巨大危害，提高安全意识，掌握建筑施工安全以及消防安全从业技能。

建筑施工与消防安全虚拟仿真实验平台能够让学生理解和掌握以下内容：

1. 直观认识并学习建筑施工安全，了解建筑施工工艺流程、施工过程中常见的安全事故以及施工现场安全基础知识等；

2. 掌握建筑施工安全事故预防的基本原理和方法，重点作业的安全技术以及安全管理相关知识，例如土石方工程施工安全、模板工程施工安全、脚手架工程施工安全、高处作业安全等；

3. 通过学习各种施工安全事故预防方法，进一步培养建筑工程施工危险源辨识与控制的能力，掌握施工安全检查与安全评价相关步骤和方法；

4. 培养建筑施工事故分析与处理能力，掌握具体事故发生前、事故发生中以及事故发生后的相关安全知识；

5. 学习并掌握建筑火灾逃生及救援技能，掌握不同类型灭火器的使用；

通过本实验对建筑施工安全和消防事故发生、识别、预防、评价等知识的掌握，使学生所学建筑安全基础知识得到应用拓展，观察能力和知识综合应用能力得到很好锻炼，可为以后从事专业工作奠定一定的基础。

2-3 实验课时

（1）实验所属课程所占课时：32

本实验项目所属课程为《建筑安全技术与管理》，该课程针对建筑环境工程学院安全工程专业的在校本科学生，在培养方案中所占课时为32学时。

（2）该实验项目所占课时：10  

本实验项目具体包括建筑施工常见安全事故、建筑施工安全事故隐患排查、建筑火灾事故隐患排查、建筑消防体系及消防设施安全和建筑火灾逃生及救援技能以及灭火器的使用，在《建筑安全技术与管理》课程中所占课时为10学时。

2-4实验原理（简要阐述实验原理，并说明核心要素的仿真度）

建筑施工安全和消防虚拟仿真教学平台涵盖了建筑安全技术与管理、建筑防火设计、建筑公共安全技术、安全人机工程等课程的实践要求。该教学试验平台通过VR技术，将整个建筑工程实景逼真的展示在眼前，体验者可以在虚拟中身临其境感受到施工过程中的各种危险和伤害，从而加深对专业基础和专业课程的理解，提高建筑安全教学的兴趣与积极性。

知识点数量： 5  （个）

（1）建筑施工常见安全事故体验

应用VR虚拟现实技术将常见建筑施工安全事故场景嵌入系统模块，使用者可以在虚拟环境中体验不同的事故环境，常见安全事故体验包括：塔吊坠物伤害体验、材料搬运打击体验、米字撑处坠落体验、汽车吊倾覆体验、塔吊坍塌体验、钢丝绳断裂伤害体验、升降机坍塌伤害体验、洞口坠落体验、吊篮事故伤害体验、挖掘机伤害体验、渣土车车伤害体验、砂轮机伤害体验、电锯伤害体验、电焊机触电事故体验、电缆漏电伤害体验、碘钨灯触电体验、卸料平台坍塌体验、脚手架拆除伤害体验、移动脚手架坍塌体验、脚手架坍塌体验、墙体倾覆伤害体验、安全帽体验。

（2）建筑施工安全事故隐患排查

危险源是指可能导致死亡、伤害、职业病财产损失、工作环境破坏或这些情况组合的根源或状态，包括人的不安全行为、物不安全状态、管理上的缺陷和环境上的缺陷。利用虚拟现实技术制作建筑施工作业环境，并针对常见隐患事故点构建虚拟安全隐患事故场景，学生应用学习的建筑施工安全检查与安全评价方法对沉浸虚拟场景的安全隐患事故进行分析评价，并提出相应的整改措施。

（3）建筑火灾事故隐患排查

利用虚拟现实技术制作一般住宅建筑模型，并模拟各类消防安全隐患，使用者通过漫游巡检，在场景中逐一排查并学习相关消防安全知识，找到火灾事故隐患点，并对火灾事故隐患点进行标记，并提出相应的整改措施。

（4）建筑消防体系及消防设施安全

利用虚拟现实技术对一般住宅建筑及大型购物中心进行3D模型，对目标建筑环境配套的消防设备进行3D建模，学生通过头戴VR设备进入系统三维环境，通过手柄进行软件交互操作，完成对建筑消防体系及目标环境认知、消防设备工作原理、消防设备使用的学习及考核。常见建筑消防安全系统包括自动报警设备、漏电报警系统、湿式自喷系统、预作用自喷系统、泡沫自喷联用灭火系统、水喷雾灭火系统的工作原理。提高学生使用建筑消防灭火设施的能力。

（5）建筑火灾逃生及救援技能以及灭火器的使用

利用虚拟现实技术制作三维城市购物中心建筑环境，并模拟火灾发生及模拟逃生路线和应该采取哪些逃生措施。用户可以头戴VR头盔，操作VR手柄或灭火器实体模型，实现火灾逃生演练，提高学生自救逃生的能力。

2-5实验仪器设备（装置或软件等）

（1）实验设备：一台体感行走平台、一套VR设备（头盔、定位器、操作手柄）、一台同步显示器、电脑主机等相关配件等。

（2）软件及虚拟设备：各类VR安全培训软件。

2-6实验材料（或预设参数等）

建筑施工与消防安全虚拟仿真教学平台利用虚拟技术构建建筑施工、传统住宅建筑以及大型购物中心等3D模型场景。依据不同的环境场景，学生通过头戴VR设备进入系统三维环境，完全沉浸在虚拟环境中，通过手柄进行软件交互操作，完成建筑施工常见安全事故体验、建筑施工安全事故隐患排查、建筑消防体系及消防设施安全、建筑消防体系及消防设施安全等内容的学习及考核。

2-7 实验教学方法（举例说明采用的教学方法的使用目的、实施过程与实施效果）

教学方法：通过引入虚拟仿真软件系统，在理论教学和实物实训之间搭建起一个过渡的“桥梁”，有效解决理论教学与实物实训难以有效融合的问题，提升建筑施工与消防安全教育教学相关知识与实训操作的效率和效果，优化学生的学习体验。实验平台聚合了教、学、练、考、管、评等完备的教学功能，学生可通过实验平台进行虚拟仿真实验预约、虚拟仿真实训练习及考核、提交实验报告等，实现教学过程的“闭环控制”和教学效果的“形成性评价”，使教学资源更生动、教学活动更丰富、教学管理更高效、效果评估更科学精准，充分体现出教育信息化的发展方向。

实施过程：

（1）教师进行对建筑施工与消防安全相关理论教学，并且老师在实验平台上上传相关数字化资料如微课、视频、文献等，学生能够通过实验平台进行理论知识的个性化学习。老师可以进行相关设置，比如：学生只有通过理论知识的自测，才能认为已经掌握了相关实验理论，才能进入之后的环节。

（2）学生通过实验平台在计算机本地安装虚拟仿真软件，然后通过实验平台启动计算机本地的虚拟仿真软件，学生进入软件后，即进入建筑施工与消防安全虚拟仿真软件学习。学生可以选择新手上路了解实验目的、软件操作方式等。虚拟仿真软件能够以真实的实验环境，真实的实验流程，真实的实验任务，真实的实验设备等，让学生能以第一视角的体验与交互模式建设施工与消防安全环境。同时，实验平台将对学生的操作痕迹（如是否按照实验步骤操作、是否符合操作规范）等进行形成性评价。

以建筑施工安全事故隐患排查为例，应用虚拟仿真技术营造十分逼近真实建筑安全事故环境，学生通过佩戴相关设备沉浸在虚拟现实的环境中，通过操作手柄，在虚拟环境中对存在的建筑安全事故隐患进行标记，并对其危险程度进行评价，最终评价结果作为成绩考核的重要依据。虚拟教学能够实现现场实习的教学目的。

实验平台自动记录、跟踪、评价学生虚拟仿真实训的过程与结果。教师通过实验平台可以查看学生虚拟仿真实训成绩及各步骤的得分情况，并对学生输出的实验报告进行批改。当评价合格，学生或有机会进行实物实训演练。

实施结果：

（1）创造与实际环境相似度非常高的环境，有利于学生快速学习。依托虚拟仿真、人机交互技术建立起来的虚拟体验系统，可以逼真的模拟建筑施工与消防安全实验操作的流程。高度逼真的体验环境，使得学生能够获得生动直观的感性认识，增进对抽象原理的理解。  

（2）节省时间和成本。比起传统的实物实景教学以及单纯的实物现场实习或体验，虚拟仿真系统能够大大缩短建立实物和获取环境的时间，而且一套虚拟仿真系统可以多人同时、多次使用，实现在更短的时间和更小的成本内培养更高素质人才的目标。 

（3）增加安全可靠性。虚拟仿真系统使得体验过程不再带来人身伤害和环境危害，也不会浪费任何财力、物力，体验者可以通过虚拟仿真熟练掌握知识原理和操作流程，这种过程还可以无限制的进行重复，强化知识学习过程。

（4）手段新颖，直观性强，学生学习兴趣高。采用3D仿真技术，模拟真实操作环境，实现人机交互操作等，都能在虚拟的三维现实环境下，实现协同模拟操作。该系统采用虚拟现实、3D动画、人机交互等先进技术，手段新颖，直观性强，能达到良好的教学效果。

2-8实验方法与步骤要求（学生交互性操作步骤应不少于10步）

（1）实验方法描述：

使用者根据实验项目，选择需要开展的实验对象，然后通过虚拟现实平台装置，采用人机交互的方式，按照系统提示依次完成实验任务、回答或解决问题；在实验过程中学习建筑施工安全、消防安全相关知识。学习完毕进行考核环节，完成答题，答题正确后方可通过考核。最后实验结束后，需完成本次实验报告的总结。

（2）学生交互性操作步骤说明：

下面以“升降机坠落伤害事故体验”为例，对交互性操作步骤进行简要说明：

第一步，使用者戴上VR头戴式设备；

第二步，打开实验操作平台进入“升降机坠落伤害事故体验”，此时使用者在虚拟场景环境中，可看到如图1所示场景环境。

图1 “升降机坠落伤害”虚拟窗口

第三步，使用者能够看到提示文字“您已经进入升降机坠落伤害体验场景，勤查勤检，消除隐患，常抓不懈，防微杜渐，请点击开始体验”。

第四步，使用者通过操作句柄点击“开始体验”，系统自动进入“升降机坠落伤害”体验场景。

此时，系统植入一段场景体验背景的对话，以下是对其进行的说明：

如图2所示，场景1：

A：今天升降机操作员身体不适，没法过来上班，小李，要不你临时代替操作一下，把这堆货物运输到墩柱上方，上面工人还等着使用。

B：老王，这个升降机经常有点小毛病，上次我们在乘坐升降机的过程中，就被在空中悬挂了好久，吓得我们半死，李哥，这个升降机你确定没有问题吗？

C：能有什么问题啊！这个升降机操作简单，我来操作没有啥问题的，老王，这堆货物，你就放心交给我吧。 

图2 场景1人物对话场景画面

第五步，系统提示进入场景2对话窗口。

如图3所示，场景2：

B：李哥，差不多了，还剩这一些，你就在跑一趟吧！

C：都给我加上，省的我在开跑一趟了。

B：这样不会超载吧，这机器已经出了好几次故障了，还是小心点为好。

C：这机器好好的，能出什么问题？没事，听我的，都搬上去吧！

图3 场景2中人物搬运货物场景画面

第六步，当系统内工人将货物搬运至升降机后，系统提示“请打开升降机旁边配电柜的开关”，如图4所示，使用者通过操作句柄，将系统窗口升降机旁边配电柜的开关打开。

图4 打开升降机旁边配电柜的开关场景画面

第七步，完成升降机旁边配电柜开关的打开后，此时，系统进入场景3对话。

场景3：

B:李哥..,戴上我们，我们要上去作业。升降机司机不在，我们不知道在这下面等到什么时候，我们还是和你一起上去吧。

C：那就都上来吧。

第八步：此时，施工人员以及操作员都进入了升降机，系统提示“请触碰按钮”启动升降机。如图5所示，场景内可以感受到升降机开始启动，并向上运动。

第九步：升降机启动后，系统进入场景4对话。

场景4：

B：这么多货物，升降机会不会超载了？都出现了好几次的故障了，我都有点害怕了。

C：你这个胆小鬼，害怕你就下去，人都在上面了，还害怕啥。

刚说完后，此时系统内出现升降机急速下降的故障，导致升降机内人员伤亡事故发生。

图5 启动升降机操作场景画面

第十步：如图6所示，系统出现事故案例分析以及结论的窗口界面。系统窗口包括：“事件回顾”、“再次体验”、“返回”等按钮。使用者根据不同的需求，通过操作句柄进行使用操作。

第十一步：点击“事件回顾”，能够从不同角度再次感受“升降机坠落伤害”事故的发生。

图6 “升降机坠落伤害”事故案例分析画面

第十二步：完成考核题和实验报告

以上步骤全部完成后，系统自动确认实验完成。给出实验用时和考核题一次正确率。指导学生填写实验报告。

2-10考核要求

熟练掌握虚拟现实平台相关知识是实施良好虚拟仿真教学的重要组成部分。应当从实验操作和实验报告方面进行考核，以达到实验教学的目的。为此，对照具体考核方法从以下方面对学生进行全面评价。

（1）学习态度（占基本实验考核成绩30%，该课程总成绩12%）

考核内容包括：到课率、实验机房的整洁卫生、预习报告、操作时的实验态度、实验报告的完整性。每项评分6分。

（2）理论水平（占基本实验考核成绩的30%，该课程总成绩12%）

包括：实验前抽查、实验报告中实验结果的分析讨论及思考题解答。每项评分10分。

（3）实验技能（占基本实验考核成绩的40%，该课程总成绩16%）

包括：熟悉实验步骤、正确规范使用虚拟仿真系统。每项评分20分。

（4）实验考核

本虚拟仿真实验系统对学生在实验过程中的实验步骤、耗时和参数设置进行自动记录，并在实验操作完成后自动给出学生实验考核成绩。

2-11面向学生要求

（1）  专业与年级要求

本项目完整实验内容主要面向安全工程专业本科三、四年级学生。

（2）  基本知识和能力要求

在应用本虚拟仿真实验平台前，要求学生已经系统的学习了有关《建筑安全技术与管理》、《建筑防火设计》、《建筑公共安全技术》、《安全人机工程》、《BIM技术与应用》等专业理论知识以及课程。

2-12实验项目应用及共享情况

（1）    本校上线时间 ： 2021.10       

（2）    已服务过的本校学生人数：27    

（3）    是否纳入到教学计划： £是  R否

(勾选“是”，请附所属课程教学大纲）

（4）    是否面向社会提供服务：£是  R否

（5）  社会开放时间   ： 无     ，已服务人数: