虚拟仿真技术在校园防火教学中的应用

虚拟仿真技术在校园防火教学中的应用

蒋胜男

大连民族大学 辽宁省大连市 116000

由于校园火灾的频频发生，对于学生的火灾安全教学越发重要，由于火灾实验的不可及性及其破坏性，为了使学生更加直观的了解火灾发展和蔓延过程以及逃生学习，教学中可以借助虚拟仿真技术，将不可及的火灾实验虚拟重现，学生通过该系统形象直观的学习和了解火灾蔓延过程，掌握逃生技能以及运用到防火设计中。

1 引言

火灾已成为威胁人类生命财产安全的最严重灾难之一。导致火灾的灾难两大主要原因，一个是所处建筑的防火规范不符合规定，二是当事人没有采取正确的逃生方法。

面对校园火灾情况发生时心理紧张和烟雾而导致慌乱等因素，使得大多数学生和教师由于不能选择正确的逃生方法和路线而伤亡。所以学校方经常开展内容广泛、形式多样的消防安全宣传活动，以提高在校师生的消防安全意识。在多种消防知识宣传下和不断的消防演练中，演练者掌握如何防范、如何自救、如何救灾和应急的指挥能力等知识，不断推动着消防工作社会化的进程。但传统消防一则演练耗时长、费用高、危险性大、不能重复并且缺乏自主性；二则演练时缺乏真实性，演练者容易感知自己所处的环境并不危险而延长火灾的逃生演练时间。相比于传统的消防演练模式，计算机的仿真模拟不仅在时间、安全和费用上都有显著优势，还可以通过反复模拟使得演练者能够全面的掌握逃生知识和路线^[1]。

不仅如此，在防范火灾工作面前，保证建筑物的防火规范要求是避免灾害发生的重中之重。《建筑防火设计》课程在孕育未来工程师的建筑院系中是非常重要的基础学科，并且贯穿于建筑设计和建筑施工的整个过程。因此在本科教育阶段，建筑防火的基础知识和相关理论的透彻理解，熟练应用建筑防火设计的相关规范标准，对于土木专业学生专业理论的积淀和今后职业素养的提升有着不可或缺的重要作用^[2]。传统教学手段上授课老师主要以多媒体方式（PPT为主）加大信息量，尽量将规范设计条文图示化呈现，以加强直观理解。而《建筑防火设计》又是一门具有极强的应用性和实践性，学习难度较大。在实施素质教育的今天，为培养创新型人才，提高学生的科学仪式和科学思维，更有效真实地让学生理解复杂的模型及其内部结构的原理，在教学过程中就需要将知识点对学生进行更生动的展示。但传统授课方式仍旧缺乏直观性和生动性，学生在学习理解过程中仍存在着困难。相比之下虚拟仿真技术在课程上的应用会大大提高授课教师的教学效率。虚拟现实技术更有助于学生发挥创造性思维^[3]。

2虚拟仿真技术国内外研究

虚拟现实技术起源与美国，在上个世纪80年代，美国宇航局和国防部就对虚拟现实技术做了大量研究并取得大量成果。北卡罗来纳大学是最早开始研究虚拟现实技术的大学，主要研究分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。伊利诺斯州立大学研制了一种可以在车辆设计中支持远程协作的分布式虚拟现实系统。目前美国在虚拟现实领域的主要研究方向集中在：感知、用户界面、后台软件和硬件。

作为发达国家之一的日本，对虚拟现实实用性研究也是居于世界的领先地位。日本在大规模虚拟现实知识库和虚拟三维游戏上做出了大量的研究与成就，在虚拟现实领域中占据着相当重要的地位。东京大学原岛实验室研究了人的面部表情提取、三维结构判定和动态图像的提取。广濑研究市着重研究了虚拟现实的可视化问题并且正在开发一套的虚拟全息系统。

虚拟仿真技术被称之为现代教学中认识自然规律的三大方式之一。近年来我国的虚拟仿真技术正在高速发展。北京航空航天大学计算机系是国内最早开始研究虚拟现实这一领域的重点院校，提出了一些重要算法并且实现了例如分布式虚拟环境网络设计，虚拟飞行训练系统等^[4]。浙江大学研发的桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统并对其算法做了进一步改进和提出了一种递进网络的快速生成法。哈尔滨工业大学对人的面部图像合成做了虚拟化，而且正在研究人说话的动态、音调同步等技术问题。清华大学则着重研究虚拟现实技术的沉浸感，并利用QuickTime技术实现了虚拟布达拉宫全景。

虚拟现实技术在众多领域都可以做出延伸，有着巨大的发展空间和潜力。虚拟现实技术仍处于技术研发阶段，动态性和实时性还是研究的重难点所在。虽然现在国内虚拟现实技术发展还存在很多需要完善的地方，但在国家推动和软硬件的日益优化环境下，虚拟现实技术会在广泛领域中发光发热，并且结合相关软件中所包含的建筑物结构、消防设施分配、疏散通道等信息，在整体性、信息丰富性和直观性等方面较传统模式具有强大优势。

3系统平台的利用

利用计算机的键盘、鼠标、显示器等外部硬件设施打造的虚拟创口式环境的非沉浸式虚拟仿真技术使得计算机显示器中的内容尽可能接近理想的虚拟现实技术。结合空间信息和移动技术等相关技术和理论，依托于实际案例来对校园火灾的灾害场景模拟、可视化交互和在课程教学中的虚拟现实等关键技术进行研究。

系统平台通过BIM技术将行政办公楼完整的数字模型展现出来。通过鼠标、键盘等硬件设备，学生能够自主在数字三维模型中自由查看建筑物的建筑特色。专业学生应具备分析建筑工程火灾风险、建筑总平面图及防火分区设计、建筑排烟设计及消防设施配置计算和设计的能力。依托于实际案例的虚拟仿真技术教学方法在可课程中的应用，可以增强学生对建筑防火设计中难懂知识点的直观认识，提高对知识点的掌握程度。学生在虚拟建筑中的漫游并将实际建筑与设计规范相比对，使理论知识应用于实践中，进一步激励学生对建筑防火规范额熟悉和灵活运用。

4总结与展望

在教学中通过对实际案例虚拟仿真系统平台的学习，可以使学生对《建筑防火设计》理解得更透彻^[5]，并具有更强的专业性。对于老师来讲能够成为真正的“电子教材”，切实提高教师在教学中的效率。

对教学平台进一步优化，能够在火灾模拟模块更加真实，使演练者在学习过程中更加真实的感受火灾，对于逃生方法以及灭火体验也要优化，这样可以使学习者更加具备逃生技巧。

参考文献

[1]盘长松,杨俊燕.基于Unity3D的煤矿井下逃生训练系统设计与实现[J]．矿业安全与环保,2014,41(4):32-35．

[2]刘晓爽,肖钧,毕坤,杨光华,何乐.火灾数值模拟技术在核电厂防火设计中的应用研究[J].中国安全生产科学技术,2013.

[3]杨镇豪,田垒,朱留川.基于Unity3D的火灾逃生模拟系统的实现[J].电子软件工程,2018.

[4]王广军.基于运动捕捉数据的交互式智能控制与虚拟仿真[D].安庆师范学院,2017.

[5]蒙慧玲.虚拟仿真技术在《建筑防火》教学中的应用[J]. 信息系统工程,2015(7).

作者简介：蒋胜男（1996 -），女，汉族，辽宁省沈阳市，硕士研究生在读，单位：大连民族大学 辽宁省大连市 116000，研究方向：计算机技术