实景移动增强现实的实验室安全教育应用构建

［摘 要］ 实验安全是实验教学正常运行的根本，在实践性教学中发挥重要作用。然而，目前的实验室安全教育体系由于教学手段单一、教学内容缺乏适应性，以及考核较为抽象等问题，影响了实验室安全教育的效果。针对目前实验室安全教育的不足，提出了面向实验室安全教育内容的移动增强现实学习应用。在实验场所实景构建以移动增强现实为交互手段的自主化、探索化学习过程。借助移动增强现实的富交互学习行为，通过多维度数据反馈以及安全教育测试系统构建实验室教学的安全准入机制，保障高校实验室运行安全。

［关键词］ 实验室安全教育；开放性学习环境；移动增强现实；探索性学习

［基金项目］ 2021年度教育部产学合作协同育人项目“基于移动增强现实的创新实验室安全培训教育体系研究”（202101220031）；2022年度浙江省教育厅一般科研项目“基于教育职能决策的具身学习环境研究”（Y202249587）

［作者简介］ 谢伟旋（1985—），男，浙江兰溪人，硕士，浙江传媒学院讲师，主要从事增强现实、思想政治教育研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）18-0048-05 ［收稿日期］ 2023-10-13

引言

近年来，高等教育作为国家发展的重要支撑，在国家战略中占据重要的地位。我国高等教育事业迅速发展，实验室作为培养学生实践能力的场所和支撑条件，在高等教育中占据重要地位［1］。然而，近年来，高校实验室面临科研任务和仪器设备急剧增加的情况，加之实验空间有限且人员流动性大，给实验室安全管理带来了不利因素［2］。此外，部分师生的安全意识不强，抱有侥幸心理，导致管理措施无法得到有效执行，同时也为实验室安全带来隐患［3］。对此，在当前的实验教育中，提升学生的实验安全知识水平和相关技能成为一项至关重要的任务［4］。

目前，在国家政策以及安全需求的驱动下，高等教育部门对安全教育相关内容的教学较为重视，在相关课程教育体系中加入了一定的安全教育内容，同时，在新的教育技术应用的背景下，借助新的技术手段不断地完成实验室安全教育内容［5］。目前的实验室安全教育手段和方法，仍存在以下几个方面的问题。

第一，教学手段单一。目前，传统的实验室安全教育以专题培训、集中讲授等形式为主，对学生进行理论灌输。教学手段较为单一，以单向教学为主，学生在传统的接受教学的过程中对于学习抽象的安全知识缺乏主动性，在长时间的枯燥学习过程中会产生疲惫感［6］，进而影响实验室安全学习的效果。

第二，缺乏实践性和针对性。目前，实验室安全教育存在重知识轻技能、重管理轻引导的现象［7］。部分高校在实验室安全教育管理上更加强调实验室安全的规范化和制度化的管理手段，缺乏对实际问题的安全操作指引，导致安全教育的实践性不足、安全问题的针对性欠佳。

第三，学习效果考核机制抽象。目前，实验室安全教育的考核大多采用与实验室安全管理制度相关的文本交互式考核机制［8］。然而，由于抽象的交互式文本考核机制无法体现学生在有安全风险环境中的实际问题解决能力，缺乏具体、全面的学习考核机制，影响安全教育的学习效果。

因此，本文针对目前高校实验室安全教育中存在的问题，应用移动增强现实技术，在真实的实验场所和实验设备条件下，构建实验室安全教育的学习应用。

在应用设计和实现上，首先，以自主化学习为学习活动的组织方式，借助移动增强现实技术手段营造半沉浸的、丰富的学习交互氛围；其次，优化移动增强现实学习的教学组织形式，以任务约束、社会化协作等方法，避免在开放学习环境中其他学习者、学习对象对学习活动产生的影响；最后，在富交互学习行为支撑下，通过多维度教学交互数据采集以及安全教育测试系统构建实验室教学的安全准入机制，保障高校实验室运行的安全。

一、实景移动增强现实学习的引入及分析

在引入移动增强现实进行安全教育时，需要对移动增强现实学习的特性进行分析。移动增强现实学习是指在一定的学习场景下，学习者与有目的性的信息加工的学习对象进行交互，获取相应的知识内容，移动增强现实的教学环境构建是虚拟与真实相结合的［9］。相对于传统的教学手段来说，移动增强现实具有如下优势。

（一）构建沉浸式的学习环境

移动增强现实与传统教学资源相比，最突出的优势就是其所构建的沉浸式学习环境。通过这一环境的构建，学习者能够将主要精力投入学习场景。通过虚拟构建或是信息加工的学习对象进行有效学习，将所要学习的知识内容从平面转化为立体的知识内容，使学习者具有更强的真实感。

（二）丰富的学习交互手段

在虚拟现实和移动增强现实教学中，交互手段将会更加丰富，可以通过用户动作行为、设备的图像采集以及其他多样化的交互手段，与教学内容之间产生交互，并通过交互响应获取相关的知识内容，与传统教学资源需要点击响应的单一的互动手段相比，具有更强的互动感［10］。

（三）多维度的学习反馈

移动增强现实与传统的学习活动相比，其更加强调学习者的学习交互行为。在学习者学习交互过程中，将会产生学习持续时间、学习地理位置、学习交互频度以及知识组织顺序等多种维度的学习描述数据。通过对这些数据的组织以及建模，可以对于学习者学习过程建立科学、全面的描述。

移动增强现实学习应用的这些优势，可以在一定程度上解决当前安全教育存在的问题。通过移动增强现实半沉浸式的学习环境构建以及丰富的学习交互手段，可以解决安全学习中教学手段单一的问题［11］；同时，通过多维度的学习反馈数据有目的地进行重组及建模，可以构建对安全学习过程的科学、全面的评价。此外，移动增强现实学习还具备开放性学习环境的特点。借助学习环境开放性的特点，突出安全教育实际应用场景在教学中的作用，构建以实际物体为学习对象的实景移动增强现实学习应用，可以在一定程度上解决安全教育中缺乏实践性和针对性的问题。

二、实景移动增强现实安全教育设计思路

为有效组织实景增强现实学习活动，需要对增强现实教学活动方式和知识组织结构进行设计和优化，发挥实际应用场景以及移动增强现实在教学活动中的优势，同时避免开放性学习环境中多学习对象和多学习者对学习活动产生的影响。实验室安全教育应用设计的主要思路如下。

（一）引入实体实验场景

首要任务是将实际应用场景引入安全教育，以解决实验室安全教育过程中缺乏实践性和针对性的问题。在设计过程中，尽量使用真实环境下的自然对象作为学习对象，以实现有针对性的知识传递。通过自然对象的复合属性和与其他对象之间的关系，向学习者传递复合型的信息内容。学习者通过对复合信息的分析和理解逐步建立对学习对象的信息模型，在自然场景中进行真实的学习活动，并将自然环境与虚拟环境有机整合，建立有针对性的实践性安全教育学习工具［12］。实景移动增强现实安全教育设计思路见图1。

（二）主动感知学习内容

在实验室安全教育中，将实景增强现实学习中的学习对象甄别作为一个环节，通过有目的的教学组织和设计，让学习者在相对开放的环境中以主动甄别学习对象和感知学习内容的方式进行学习。这强调学习者的自我探索学习活动，通过一定手段对学习对象所携带的知识信息进行探索性学习，构建完整的知识体系。结合移动增强现实的丰富学习交互手段特性，在知识探索式学习活动中，改变传统的单向学习内容传递方式，增强实验室安全教育的效果［13］。

（三）学习活动的任务约束机制建立

为有效约束学习者在多用户以及多学习对象的实际环境中的学习行为，在学习活动的组织形式上，采用学习任务方式，对学习者学习路线进行结构化约束和规划。通过学习任务，使学习者明晰在学习活动中哪些知识需要学习、如何进行学习以及学习后所要达到的目标。同时，在任务约束机制下，借助增强现实的多维度数据反馈，通过数据采集以及对行为数据的建模分析，结合实验室安全教育的考核内容和安全准入机制，建立一套全面、科学的考核制度。通过学习者学习交互行为的分析，使实验室安全教育的效果检验更加有效。

三、实景增强现实安全教育应用的设计

结合当前实验室安全教育存在的问题以及提出的解决思路，本文构建了基于增强现实技术应用模式下的高校实验室安全教育系统。本系统依托浙江传媒学院媒体工程学院实验中心，针对实际实验室安全教学需求，构建碎片化、常态化的安全教育机制。实验中心主要为电子信息类实验室，因而在安全教育上本系统主要针对学生的实验室用电安全、消防逃生等方面进行安全教育。

（一）系统功能设计

利用移动增强现实应用智能移动终端的对象识别技术，可以对学习对象进行识别，并激活相应的学习内容。通过对学习对象进行加工处理，让学习者能够参与相关的知识内容学习，以呈现更加形象生动的知识内容。在功能设计上，本系统采用基于移动增强现实的技术方法，应用增强现实技术中的对象识别技术，对于实验室自然环境中的学习对象，通过学习者主动学习寻找的过程，传递给学习者相关的学习内容。

在教学目的的驱动下，通过增强现实技术中对自然环境与多媒体元素构建的虚拟环境的叠加，以及有目的的教学架构，有效传递给学习者多样化、深交互的教学内容。具体的教学交互设计原型见图2。

（二）教学组织设计

为保障学习者在真实、开放的实验室环境下移动增强现实安全学习活动的有效性，以学习者自主探索化的学习活动为组织形式，通过学习任务驱动和约束的方法，并结合多个学习者、多个学习对象在共同的学习环境中的协同关系，发挥实际应用场景以及移动增强现实在教学活动中的优势，同时避免开放性学习环境中多学习对象和多学习者对学习活动产生的影响。

1.学习任务机制设计。在学习组织方面，需要借助学习任务的形式，对离散的学习内容以及学习者的学习进行约束。在学习任务的设计上，一方面，要明确学习者的学习任务，并提供对学习者学习进程的反馈，以避免学习者在学习过程中遗漏学习内容，确保学习内容的完整性和条理性；另一方面，以任务驱动的形式明晰学习者在学习活动中的行为规范，避免学习者与学习无关的行为对其他学习者的学习活动产生影响。

2.教学考核设计。为检验学习者的学习效果，进一步保障实验室的安全运行，要将实验室安全教育与实验室安全准入机制有效整合，在教学组织设计中需要对安全教育过程中的学习者交互数据进行综合、全面的应用，建立一个相对较为全面、具体的安全教育考核制度，保障安全知识学习的有效性。本系统基于学习者对自然对象的知识学习过程、虚拟学习对象的交互，以及文本的考核等相关交互对象的时间、空间等学习信息，建立了一个多维度的考核准入机制。

结语

在实验场所实地构建的以移动增强现实为交互手段的自主化学习过程，通过实际的安全教育对象以及经过有目的的教学加工的知识内容，构建基于增强现实的高校实验室安全教育系统和方法，以多样化的教育教学手段，最终服务实验教学过程，得到良好的教学效果。有效地向学习者提供安全教育知识和教学交互，在富交互软件的支撑下，通过教学交互数据采集以及安全教育测试系统，构建教学实验室的安全准入机制，通过学习感知、沉浸式交互以及综合性的准入制考核，建立更加科学、有效的安全教育手段，能够进一步保障实验室的正常运行。

参考文献

［1］李剑平，杨咏东.省级高校重点实验室可持续发展的现状及对策［J］.实验技术与管理，2015，32（8）：216-222.

［2］金仁东，马庆，柯红岩.分级分层次实验室安全教育体系建设研究［J］.实验技术与管理，2018，35（12）：4-8.

［3］陈颖博，张文兰，陈思睿.基于增强现实的场馆学习效果分析：以“AR盒子”虚拟仿真学习环境为例［J］.现代远程教育研究，2020，32（5）：104-112.