一、实验教学过程
本实验主要包含自主探索实践和闭环反馈训练的两大过程,并在实验中突出了特种作业等多重任务和噪音等外部干扰对实验活动的影响,以期使实验活动更加接近“实战”,从而获得最大限度接近实际情况的真实数据。
同时,施工安全知识的理论学习难度不大,但由于施工危险感知与应急处置行为是伴随工作活动的同步行为,故更需要在真实工作环境中进行同步训练和测评。因此,本实验主要采用学生在虚拟施工情境中进行自主探索实践的方法进行实验教学,同时要求学生根据已完成的实验测评结果中的不足和短板进行有的放矢的闭环反馈训练。此外,由于人类行为的复杂性和施工环境的多变性,本实验的结果将会因人而异、因情而异。本实验还鼓励和支持学生利用实验系统自主开展科研实验,以期进一步探索施工情境中的危险感知和应急处置行为的特性和规律。
图1 实验教学总体流程
(1)施工场景漫游与沉浸式安全知识学习
在自由探索模式下,学生可完全沉浸于施工现场,借助鼠标、手柄等交互设备自由“走动”,探索学习危险源、施工机具、场地布置等相关知识,并熟悉工地现场环境。由于虚拟场景丰富,自由探索空间大,甚至可能出现“迷路”的状况。从而,真正做到了教室与工地相连通。此外,该活动还有助于实验者熟悉实验设备的使用方法,适应高沉浸感的实验环境,减少不适感受。
图2 施工场景漫游
实验系统内包含了大量的施工安全知识案例库,可开展沉浸式安全知识学习。正式实验前,可学习了解通用安全知识、典型事故知识、重大事故案例等。
图3 施工安全知识库
(2)危险感知与应急处置能力训练及测评
完成上述系统体验和知识学习活动后,实验者将真正置身于虚拟施工环境中,模拟开展安全巡查、事故处置等任务。实验中,要求实验者通过不同的硬件终端在系统中自主开展危险搜索、识别、分析、评价、决策、处置等活动。同时,系统将同步记录实验者的操作时间、结果正误、眼动特征等真实行为数据,分析评价实验者的危险感知和应急处置全过程的及时性和准确性,生成涉及敏感性、准确性、有效性等多维度的安全行为能力测评报告。实验者还会受到噪声、震动等干扰,以便使实验结果更加贴近真实情况。
图4 危险感知与应急处置实验过程
图5 危险感知与应急处置实验结果
(3)实战化任务挑战与闭环反馈训练
任务挑战和应急闯关模式下,实验者需要按照任务要求对特定类型事故的危险源进行搜寻和处置,或者需要在指定时间内尽可能多地完成危险源搜寻和处置活动。同时,还会增加次任务难度和干扰强度,从而使实验者能够进入应激状态,使危险感知和应急处置行为的特征能够更加接近“实战”环境下的真实结果,以便发现实验者的危险感知和应急处置能力的短板和缺陷。
图6 实战化的实验任务
针对上述活动中发现的实验者的危险感知和应急处置能力的短板和缺陷,实验者还可进一步进行具有针对性的训练提升。例如,若实验结果反映出实验者对危险源的敏感性不高、花费较多时间进行危险侦测,则需要进一步学习危险源识别的相关知识学习,并再次进行实验训练。同时,系统可以汇总查看多人实验结果,从而了解学生的整体情况。还可开展事故倾向性分析、危险感知特异性筛查等更具专业性的实验活动。
图7 实验结果对比分析
(4)自主探索性科研实验
本实验的实验系统提供高沉浸感的虚拟施工环境,同时具备记录实验过程真实行为数据的功能。实验结果具有明显的可变性,能够因人而异、因情而异地反映出实验者的危险感知和应急处置能力特性。因此,上述基本实验活动完成后,可依托该系统开展自主探索性科研实验,学生亦可自主设计新的实验方案,完成各类大学生创新实践项目。
图8 危险侦测行为的眼动实验
实验方法
本实验采用观察对比分析的实验方法。
实验系统中预先设置了6个大类的13个小类的安全事故的危险源。实验者需要按照相应的实验模式要求,完成相应的危险识别、分析和处置任务。
实验时,实验者将以第一视角置身于虚拟施工环境中,PC网络端利用显示器、鼠标和键盘;VR头盔端利用VR头戴显示仪和VR手柄进行现场巡查、危险源标记、事故处置等实验操作。同时,系统将记录实验者的真实行为过程和结果信息。
图9 实验操作过程
实验结束后,要求实验者对比分析评价实验中反映出的自身危险感知和应急处置能力特性,最终完成实验结果报告和能力测评报告,并根据已完成的实验结果中的不足和短板进行有的放矢的闭环反馈训练。
图10 实验结果对比分析示例
图11 闭环反馈训练结果对比分析示例
交互性步骤详细说明
本实验采用第一视角代入的方式进行实验操作,与实验者在真实工地中的视野情况保持一致。主要硬件操作方式如下:
PC网络端:使用“W/A/S/D”键控制前进方向,同时按住左侧“shift”键可加速前进;使用“Q/E”键或鼠标滑动控制视野方向;使用鼠标左键进行点选。
VR头盔端:使用前需要先完成VR头盔连接,并打开steam VR进行设备定位。操作时,当手柄射线指向某处且呈绿色时,可按动圆盘到达该处;扣动手柄下方扳机即可完成点选;按动手柄侧边按钮可实时查看实验报告。
正式实验之前,需要访问特定网址或打开软件,输入账号和密码登录系统,同时可查看相应版本的操作提示。
图12 实验登录与操作提示
实验者可以选择施工危险感知、事故应急处置和安全知识学习等模块,以及自由探索、任务挑战和应急闯关等实验模式。
图13 实验模块与模式选择
自由探索模式下,实验者可对全部危险源进行自由侦测、分析和处置。同时可开展施工场景漫游和沉浸式知识学习。任务挑战模式下,实验者需要完成系统分配的特定任务,否则视为无效操作,并从中挖掘实验者的任务响应行为信息。应急闯关模式下,系统通过倒计时模拟使实验者进入应激状态,实验者需要在规定时间内完成所有挑战任务,否则挑战失败。
正式实验前,可开展施工场景漫游和沉浸式知识学习。本实验系统建立了包含地面场地、已完工楼层、生活区等主要施工场景的完整虚拟工地。实验者可完全沉浸于施工现场,借助鼠标、手柄等交互设备自由“走动”,熟悉工地现场环境。由于虚拟场景丰富,自由探索空间大,甚至可能出现“迷路”的状况。从而,真正做到了教室与工地相连通。此外,该步骤还有助于实验者熟悉实验设备的使用方法,适应高沉浸感的实验环境,消除不适。同时,实验者可结合书本知识,探索学习危险源、施工机具、场地布置等相关知识。同时,发挥本实验场景多而全、核心要素仿真度高的优势,将文字、图片等静态知识以“虚实结合”的方式融入沉浸式的动态学习活动中,提升学习效果。
图14 施工现场漫游与沉浸式学习
完成后,正式进入实验环节,主要交互性步骤如下:
步骤1:安全装备佩戴及检查
正式进入实验场景前,实验者需要自觉前行至工地入口处佩戴好安全帽与安全带。此步骤为重要的强制性操作要求,有助于提高实验者的施工安全预防意识。如不佩戴则无法不仅无法进入工地,且实验成绩直接计为不合格。在满足以上操作步骤后,到安全闸机门前时,闸机门会自动开启。
图15 佩戴安全帽和安全带
此实验中设置了高处坠落、坍塌、触电、起重伤害、机械伤害、物体打击等6类危险源,需要循环步骤2-步骤7,直至完成全部实验任务。正常情况下,此环节交互步骤为36步。
步骤2:分别对高处坠落、坍塌、触电、起重伤害、机械伤害、物体打击危险源进行搜索
实验者到达施工作业面即为进入主实验场景,此时,实验者可通过自主漫游的方式在场地内自由巡查,并进行危险源搜索。此步骤中,系统后台将记录实验者的搜索时长、搜索轨迹等能够反映危险感知敏感度、直觉性等的真实行为数据。
图16 现场巡查与危险源搜索
步骤3:分别对高处坠落、坍塌、触电、起重伤害、机械伤害、物体打击危险源识别与标记
实验者一旦发现疑似危险源时,即可通过相应硬件操作进行标记。此时会出现对话框。若放弃标记,可选择“否”。此步骤中,系统后台将记录注视点位置、结果正误等能够反映危险感知准确性、效率等的真实行为数据。
图17 危险源识别与标记
步骤4:分别对高处坠落、坍塌、触电、起重伤害、机械伤害、物体打击危险源等级评价
若正确标记危险源,实验者需要进一步对其进行危险等级判断,以此反映实验者对国家标准《建筑施工安全技术统一规范(GB 50870-2013)》的规定以及各类危险源的具体尺寸、高度等相关知识的实际掌握情况。
图18 危险源等级判断
步骤5:分别对高处坠落、坍塌、触电、起重伤害、机械伤害、物体打击危险源进行分析
实验者需要预测此处会发生何种类型事故。从而,使实验者对危险源的感性认知和直观认识更加深刻,并检验理论知识学习效果。系统后台将记录实验者的操作时间和结果正误等能够反映危险分析时效性、准确性等的真实行为数据。
图19危险源分析
步骤6:分别对高处坠落、坍塌、触电、起重伤害、机械伤害、物体打击危险源进行处置决策
实验者需要进行危险源处置方案选择。每个处置方案选项均不设置完全正确选项,以此充分考察实验者的临场应变能力。此步骤中,系统后台将记录实验者的方案评分、决策时长等能够反映危险处置有效性、熟练性等的真实行为数据。
图20危险源处置决策
步骤7:分别体验高处坠落、坍塌、触电、起重伤害、机械伤害、物体打击事故后果
当实验者经过危险源但未能正确识别、放弃处置或处置方式不当时,均会触发事故体验环节。此环节的目的是加深实验者对事故体验的直观感受,预先模拟事故后果,谨防在现实中犯同样错误。此步骤中,VR头盔端比PC网络端有更强的沉浸感和代入感,对实验者的视觉、听觉等感官体验更具有冲击性。
图21 事故后果体验
正常情况下,完成上述6类危险源搜索识别、评价分析、处置决策的交互步骤为36步,外加安全装备佩戴检查。至此,本实验的交互步骤累计达37步。完成后,进一步开展脚手架模板体系坍塌事故应急救援处置。
步骤38:事故现场查看与救援路径选择
首先会展现脚手架倒塌的画面,随后便弹出提示框进行路径选择。如果选错路径,则会提示错误,并要求原路返回,选择正确的路径重新走。由于这一步骤如果走错,将会发生重大安全隐患,而且不能重复。
步骤39:使用生命探测仪开展被困人员搜寻
选择了正确的路线到达工具台后,选择生命探测仪(选择错误的工具会被计入失误次数,如果选择了错误的工具,并带到事故发生点,将不起作用,并计入浪费时间)。在选择了正确的生命探测仪后,用手柄调整生命探测仪,并且借助左手手柄拉出天线,随后走到事故发生点通过点击手柄探测,后台要记录点击的次数,记录为失误次数,当点击到正确的地点时会发出“嘀嘀嘀”的声音,并且标记受伤工人所处的地点。
图22 被困人员搜寻
步骤40:使用液压扩张器和担架将被困人员救出
到工具台选择液压扩张器。若选择错误的工具,将无法使用,并记录错误次数和时间。拿到扩张器后,放到标记位置,用手柄按压,提高到适合位置。在液压器抬到合适位置时,伤者头的大部分会露出来。此时返回工具台拿担架和医疗箱,将伤者拉出后,召集工人将伤者抬放到担架上。
图23 被困人员救援
步骤41:分析被困人员伤情并开展现场救治
救出伤员后,实验者需要判断伤员类型(重伤,中伤,轻伤)。每次实验时,伤者的受伤情况是随机的。在判断工人受伤类型后,根据不同受伤情况去选择正确的急救方法。
图24 被困人员救治
步骤42:将被困人员送医
正确处置好伤者之后,等待救护车,并拾取安全围栏和告示牌。如果没拾取,将被记录失误次数,并且在各操作正确后,救护车才会到并救走伤者。
图25 被困人员送医
最后,实验者需要通过查看《实验结果报告》了解自身对危险源识别、等级划分、处置方案选择等方面的知识掌握和应用情况;还需要通过分析《能力测评报告》了解自身在危险感知敏感性、应急处置熟练性等方面的能力特性,发现自身在危险感知和应急处置方面的缺陷和短板。进而,开展有针对性地开展反馈训练,从而形成闭环。
图26 实验结果分析
此外,有兴趣的学生可自主设计自动化安全行为特性探索、危险认知负荷测量等新的实验项目,
图27 危险侦测行为的眼动实验
实验后,可查阅原始真实实验数据。同时,数据符合国家共享平台标准,并采用双重上传方式,亦可在国家共享平台查看原始数据。此时,不同硬件终端的所能提供的数据种类有所差异,学生可根据实际需要加以选择。
图28 查阅原始实验记录与数据