基于情景模拟的沉浸式建筑工人安全教育培训

牛达钰，祁神军，吴国来，陈 榕

（1. 华侨大学 土木工程学院，福建 厦门 361021，E-mail：690424426@qq.com；2. 福建平祥建设工程有限公司，福建 福州 350299；3. 福建省恒超建设发展有限公司，福建 厦门 361016）

近年来，针对频繁发生的建筑业安全事故，国家及省、市政府部门建立了完善的安全生产责任制度，制定了建筑业相关的法律法规，生产安全事故得到了有效地缓解[1]。然而，在安全形势总体良好的背景下，仍然有一些重大生产安全事故发生，建筑工人的安全意识和安全知识急需提高和更新，安全教育培训的力度和有效性急需加强，为筑牢安全生产防线提供保障。

随着建筑业的不断发展，传统的安全教育培训已经不能满足日益增长的建筑业安全需求，目前建筑工人安全培训教育存在以下问题：一是培训缺乏针对性，内容长期重复，传统安全教育培训通常采用集中培训、大课堂学习，不同工种的学习内容相同或相似，缺乏针对性。建筑工人的作业能力和安全意识往往难以得到实质性提升，无法达到预期的培训效果。长期重复、逐渐形式化的安全教育培训无法满足建筑工人的知识技能需求，导致建筑工人对安全教育培训的必要性产生质疑，出现麻木和抵触心理[2]；二是教学方法单一，学员兴趣不高，传统的安全教育培训属于“填鸭式”教学，即将知识原封不动地或稍加改动后就尽数“塞”进建筑工人脑海。主要缺乏课堂互动和氛围营造，课堂上一潭死水，使建筑工人对培训内容毫无兴趣甚至厌倦，从而开始睡觉、走神或玩手机，导致培训效果不佳；三是师资力量匮乏，培训规模有限，主要在于培训师队伍的来源比较单一，通常由对应的施工项目经理部的项目技术负责人或安全员来承担。受限于培训师水平和建筑工人流动性大的特点，导致安全教育培训无法大规模展开，难以保证所有建筑工人都能定期接受安全教育培训，影响培训的效果；四是理论培训居多，实操训练不足，主要表现在目前的安全教育培训大多为理论教学，弱化或忽视了实操实践的重要性，导致理论知识和现场实际脱节[3]。特别是在风险分析、隐患排查、应急处理、事故调查等方面，需要非常注重将理论知识和实践能力相结合，提高实践教学在安全教育培训中的比重，并且和现场环境紧密贴合，才能实质性地提高建筑工人的安全作业能力。

因此，一方面要创新培训形式，抓住建筑工人眼球，提高其专注度；另一方面要丰富培训内容，以应对因时代环境变化产生的新要求。为此，提出基于情景模拟的沉浸式建筑工人安全教育培训模式，引入情景模拟教学法和沉浸式学习，通过PPT、3D投影、VR以及实践教学等手段，模拟作业现场情景过程，给予建筑工人沉浸式体验，提高其学习主动性，从而提高安全教育培训效果，达到提高建筑工人安全意识水平和安全作业能力的目标，以减少安全事故的发生。

1 相关理论方法

1.1 情景模拟教学法

情境认知理论认为思维和学习只有在特定的情境中才有意义[4]，强调学习的本质是个体在参与实践过程中，与他人交流、与环境相互作用，最终形成参与社会活动和适应环境的能力的过程。认为学习是一个不断增长其实践能力、不断社会化的过程，认为学习的目的是为了获得参与实践的能力，并在实践中发挥作用[5]。

情景模拟教学法（Situational Simulation Teaching Method）的教学理念是以学生为主体，努力改变以教师为中心的传统教学模式[6]。情景模拟教学法是以教师为主导，构建与教学内容相符的课堂氛围，并由学生模拟某一岗位或扮演某一角色，进行技能训练和主动学习的一种典型的互动教学法[7]。情景模拟教学法作为行动导向的教学方法，其典型特征是以接近现实的工作内容和范围为场景，学生主动参与工作[8]，具体表现在：

（1）情景模拟能够还原事物发生时的环境和过程，有助于受训者的思维能力提升。

（2）角色扮演能够让受教育者获得参与感和体验感，体会其所扮演角色的工作职责、重要程度、工作内容和工作要点等。

（3）受训者通过模拟事件发生过程，参与事件发展的各个阶段，有利于增强其应对实际问题的能力，高自由度和参与感又有利于受教育者认识自己的不足之处，激发自身的创造潜能。

（4）通过思考和反思，能够从情景模拟中掌握关键的知识技能，明晰事件的发展逻辑。

随着计算机技术的发展和VR技术的成熟，越来越多的施工企业在安全教育培训当中引入VR虚拟安全体验馆，基于工程实况，用BIM构建3D模型，利用渲染技术呈现逼真的虚拟现实环境，再通过计算机编程模拟有较高危险性的施工环节。这种基于VR技术的情景模拟能够在场景还原上满足不同项目的个性化需求，在细节处理上符合难度较高项目的精细化要求，并且能够给予建筑工人更深刻的体验感和更有针对性的专项化教育。

VR技术的应用是安全教育培训模式变革的重要举措，对提升安全教育培训质量具有重要意义。但VR虚拟安全体验还处于发展阶段，VR虚拟场景的开发构建以及VR设备的采购与维护等费用相对较高，一定程度上限制了虚拟安全体验馆的实际应用和发展。此外，建筑工人在虚拟场景中进行的人机交互，往往受限于事先编写的计算机程序，较为死板，难以真正模拟出施工危险发生时瞬息万变的局势和灵活多变的解决途径。

1.2 沉浸式学习理论

教育心理学家加涅认为学习是内部条件和外部条件共同作用的结果，学习的环境或情境是学习的外部条件，而学习者的状态和特质是学习的内部条件[9]。通过沉浸理论来构建学习的内部条件，提升学习状态，有助于学习专注度和效率的提升。

沉浸式学习（Immersive Learning），是指通过虚拟现实技术为学习者提供一个接近真实的学习环境，借助虚拟学习环境，学习者通过参与互动、演练而提升技能[10]。沉浸式学习强调自由、主动、积极的学习氛围，旨在让个体产生强烈的学习欲望和持续的学习动力，推动其对陌生场景和未知事物的探索发现，实现“知识库存”的大规模扩展[11]。沉浸式学习通常具有沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）和构想性（Imagination）3个特点[12]。

沉浸式学习包括多种形式：模拟仿真训练（Simulations），如飞行驾驶训练；游戏化学习（Serious Game），如角色扮演、大型多人在线游戏、即时策略游戏。沉浸式学习培训在国外已有相当广泛的应用[13]，如 IBM 将沉浸式学习应用于Second Life的运营培训体系；联合国、美国国防部等在军人训练当中也引入沉浸式学习的方式来提高训练效果；此外，沉浸式学习也被广泛应用在医学领域，如沉浸式虚拟现实技术模拟静脉注射，手术、护理、问诊的沉浸式教学，甚至是虚拟医院的构建和模拟运营。相比传统的教学模式，沉浸式教学法的运用能够让学生获得更加丰富的资讯，促使其能够独立思考现状，并发现问题、分析问题，从而提高学生认知世界的能力，是一种高效、有趣的实践教学方法。

2 基于情景模拟的沉浸式建筑工人安全教育培训模式及优势

2.1 基于情景模拟的沉浸式培训模式

基于情景模拟的沉浸式建筑工人安全教育培训，是根据确定的主题和内容进行情景设计，并运用沉浸式PPT、3D投影、VR等技术手段进行情景模拟，让建筑工人在仿真环境当中进行真实互动、体验学习内容，产生一种沉浸状态，从而达到高效率学习的一种安全教育培训模式。利用这种模式，可以更直观传递安全知识，展示安全技能，快速调动建筑工人的学习兴趣，从被动学习转变为主动学习，更好地参与到安全教育培训中来，最终达到良好的安全教育培训效果。基于情景模拟的沉浸式建筑工人安全教育培训示意图如图1所示。

图1 基于情景模拟的沉浸式建筑工人安全教育培训模式示意图

2.2 基于情景模拟的沉浸式培训的优势

（1）充分发挥多媒体资源优势，丰富教学内容。传统的安全教育培训往往墨守陈规，形式呆板，仅仅将教学内容平铺直叙地传递给建筑工人，教学内容往往单一且一成不变。基于情景模拟法的沉浸式建筑工人安全教育培训充分整合各类多媒体资源，利用包括VR、AR、3D影像和PPT等技术的沉浸式情景模拟系统，将生活中和施工作业当中的不同情景活灵活现地展示在建筑工人面前。通过营造不同的虚拟场景，可以让建筑工人快速地经历多种不同的情景，从多角度感受不同情景下可能发生的危险，学习应对方法和自我保护措施。丰富的多媒体资源不仅改变了单调的教学形式，更拓宽了知识来源，为知识的传播提供了感官上的条件，让安全教育培训从“平面模式”向“三维模式”转变。

（2）可提高建筑工人学习的积极性和主动性。最佳的安全教育培训方式讲究自主性，基于情景模拟的沉浸式建筑工人安全教育培训旨在让建筑工人自主地去融入所创设出的情境，在全身心投入的过程中掌握安全知识和安全技能并学会灵活运用。在“沉浸式”学习中，建筑工人可以自主选择想要吸收的信息来进行加工创造，这对吸引建筑工人的注意力和培养兴趣都有着巨大的助力作用。沉浸式学习通过角色扮演的方式，提高了建筑工人的学习积极性，加深其对培训知识的理解，并且引导建筑工人自发地发现问题、提出问题，并通过实践、思考和交流最终解决问题[14]。一旦建筑工人面临相同或者相似的情境，便可以从容地选择判断情境状况，获取有效信息，然后迅速做出有效的应对措施。可以说，利用沉浸式情景模拟教学法，往往可以使得安全教育培训达到事半功倍的效果。

（3）能打破教学时空限制，提升培训规模。传统的安全教育培训需要培训师和建筑工人共处一室，受培训师人数和场地规模的限制，难以开展大规模的安全教育培训。互联网和虚拟现实技术的发展使得安全教育培训可以突破空间和时间的限制，通过云课堂，可以实现打破空间限制，同时对多人数的建筑工人进行安全教育培训；通过网络数据库储存已有课程，可以打破时间限制，让建筑工人随时随地进行学习。线下安全教育培训与云课堂如图2所示。

图2 线下安全教育培训与云课堂

（4）引入体验式实践教学，强化理论知识。传统的安全教育培训往往由培训师主导，受训者被动地接受所讲内容。而体验式实践教学则以受训者为中心，以实际体验为手段，充分发挥主观能动性，变被动学习为主动学习。体验式实践教学在真实或仿真环境中进行，其进行过程中存在的不确定性能够锻炼建筑工人的应变能力。体验式实践教学打破了传统模式下建筑工人的“局外人”身份和“纸上谈兵”的尴尬处境，通过实际操作和亲身推动安全意识水平和安全作业能力的提升。体验式实践教学以实践演练作为手段，重视在实践演练中的思考；以交流回顾作为保障，强调实践演练后的总结反思，以此提高培训质量，达成培训目的。

3 基于情景模拟的沉浸式建筑工人安全教育培训具体内容

3.1 沉浸式情景交互PPT

随着多媒体技术的快速发展，PPT已经成为教学当中不可或缺的工具。PPT教学具有多种优势，PPT可以将抽象的概念直观地展示出来，其多样的演示功能和表现方式也能够激发学生的学习兴趣。但对于建筑业安全教育培训而言，传统的平铺直叙式的PPT教学方式缺少与建筑工人的互动，难以引起建筑工人的思考，不利于安全知识的传授。

沉浸式情景交互PPT要求在安全教育培训前，围绕教学主题，对教学内容进行精心设计，通过使用转场特效、动画音效等手段，将教学内容进行故事性的阐述，其中加入互动环节，让建筑工人参与到故事当中，给其一种身临其境的沉浸式体验。

3.2 3D视频投影

3D视频投影是基于 3LCD（3 Liquid Crystal Display）技术，使用两台投影仪进行光影叠加，让观众通过3D眼镜能够感受到3D效果。3D视频色彩艳丽、层次分明、活灵活现、栩栩如生，是真正意义上的三维立体影像，具有强烈的视觉冲击性，很容易就吸引到人们的目光，会给观众一种身临其境的感觉。通过给建筑工人观看安全事故类的 3D视频投影，能够给予建筑工人更加震撼的感官体验，加深建筑工人对安全事故和安全知识的认识和理解，有助于安全教育培训效果的提升。

3.3 BIM可视化模型

BIM相较于CAD最大的优势在于可视化。这一优势使得建筑图纸的真实感和观赏度大大提升，识图难度大大下降，有助于减小建筑施工管理和信息沟通的难度。通过BIM可视化模型进行虚拟施工演示，可以有效避免现实施工当中建筑工人凭经验和拍脑门等决定方式，以及施工返工，物料浪费，进度拖沓等现象；通过BIM可视化模型进行安全事故分析，让建筑工人更加直观地了解事故发生的高危区域和发生原因，有利于减少安全事故的发生。

3.4 VR/AR体验

相较于传统模式下的安全教育培训，基于情景模拟的沉浸式安全教育培训利用VR技术进行虚拟场景构建，使用逼真的视觉和听觉系统令建筑工人产生身临其境的感觉，通过头戴设备及遥控设备突破传统培训的时空限制，促进虚拟情景下的学习，增强其参与感，激发学习兴趣，并有助于促进直观认知和知识理解。

3.5 体验式实践教学

体验式实践教学旨在通过实践强化建筑工人对知识技能的了解和掌握。对于建筑工人来说，书面化的知识、技能和操作经验大多晦涩难懂。而体验式实践教学，通过现场演示和实际操作，能够大幅提高建筑工人的参与度和学习积极性，从而确保建筑工人对操作规范和应急技能的真实掌握。

4 基于情景模拟的沉浸式建筑工人安全教育培训的应用

4.1 应用实例

在对福建省泉州市石狮春江郦城项目建筑工人开展的一次安全教育培训当中，采用了基于情景模拟的沉浸式建筑工人安全教育培训模式，此次安全教育培训共分为两部分内容：

（1）基于情景模拟的理论知识教学。首先以建筑工地常见安全事故的3D视频投影为开场，营造严肃氛围，调动建筑工人紧张情绪；然后开展情景交互PPT培训，通过场景转换和文字描述对典型安全事故的发生过程进行模拟，在关键事件节点设置多元化选项，建筑工人通过参与关键节点的选择，影响事件的走向，最终达成安全或危险等不同结局。最后，培训师针对模拟过程，分析事故发生原因，指出建筑工人的错误行为，并结合BIM可视化模型，讲解施工现场的操作规范和技术要点。

（2）基于体验学习的沉浸式实操训练。利用VR体验馆模拟真实工作场景，让建筑工人在与仿真环境的人机互动中体验事故发展全过程，加深对安全知识和注意要点的理解；然后对建筑工人开展具体的技能实操训练，规范操作规范，强化安全行为；最后，在培训结束后组织建筑工人进行知识要点的反思回顾和实操经验的交流总结。

培训后的个人访谈和满意度调查结果显示，基于情景模拟的沉浸式安全教育培训取得了显著的效果。安全事故的3D视频投影很好地引起了建筑工人对安全教育培训的重视；情景交互PPT的应用极大提升了建筑工人的积极性和参与感；VR体验馆让建筑工人对安全事故有了更加形象具体的认识；实操训练对于建筑工人安全行为的提升有重要帮助。相较于传统的安全教育培训模式，建筑工人更喜欢、更容易接受这种突出沉浸感、讲究趣味性、注重参与度、理论与实践相结合的安全教育培训模式。

4.2 应用难点及解决措施

（1）情景模拟当中情景设计和案例选择是影响安全教育培训的关键。情景模拟要想发挥其应有的效用，使建筑工人进入沉浸状态，必须要根据工程实际，有逻辑地进行情节设计、场景布置、气氛烘托和音效点缀，以此来营造沉浸感，确保沉浸式情景模拟教学的顺利开展。这就要求情景设计真实合理、PPT和影片衔接紧密、案例选择具有典型的教育意义，同时，讲授者对于现场气氛的把控和调动也尤为重要，通过提出问题，引导建筑工人进行思考和探究，从而由被动学习变为主动学习。

（2）3D投影、VR及AR需要专业设备支持，设备昂贵且数字资源较少。沉浸式虚拟现实系统拥有强大的功能，但目前而言，由于系统的维护和支持，设备比较昂贵。然而技术的发展日新月异，沉浸式虚拟现实系统的成本会越来越低，目前已出现以手机为载体的3D及VR应用软件和视频格式转换软件，只要搭配眼镜、手柄等专门的外接设备，可以成为很好的替代品。同时手机又拥有更好的灵活性和普适性，有利于大规模、多人数安全教育培训的开展。

5 结语

情景模拟教学法和沉浸式学习在安全教育培训中的确得到了不少的应用，但是仍存在着浮于形式、效率低下等现象，这也与其本身情景设计要求苛刻、设备价格昂贵、培训人数较少等局限性相关。如何将情景模拟教学法和沉浸式学习更为广阔地应用起来，发挥其沉浸感强、真实性高、富有趣味性等优势的同时，避免或是减弱其所具有的问题和缺陷，是目前建筑从业者和有关人员应该思考和注意的问题。困扰建筑业良久的安全事故问题，如果能从安全教育培训这个源头出发，减少建筑工人的不安全行为，定然可以收到不错的成效。所以除了沉浸式情景模拟教学法之外，如何进一步提高建筑工人安全教育培训质量仍然值得深思。