安全技术与管理专业二年级《城市燃气管道泄漏应急抢险虚拟仿真综合实训》教案

  安全技术与管理专业二年级《城市燃气管道泄漏应急抢险虚拟仿真综合实训》教案

一、课程基本信息

本次教学属于《燃气安全工程》课程中的核心技能模块，是针对高职层次安全技术与管理专业二年级学生开设的综合性、实战化实训课程。学生已先行完成《燃气输配》、《安全管理学》、《危险源辨识与风险评价》、《消防工程》等前导课程的学习，具备了燃气系统基础、安全风险评估及消防应急的初步理论知识。本教学单元旨在通过高度仿真的虚拟仿真环境，整合并应用前期所学，聚焦城市地下燃气管网中压管道泄漏这一典型、高危场景，系统训练学生从接警研判、现场处置到事后恢复的全流程、标准化应急抢险能力。教学采用“理论-虚拟-实操-复盘”的闭环模式，强调基于真实数据的科学决策、团队协作与安全规范操作的深度融合，着力培养学生作为未来现场安全工程师或应急指挥员所必需的岗位核心素养。

二、教学理念与设计思路

本设计秉承“学生中心、能力本位、虚实结合、岗课赛证融通”的先进教学理念。设计思路上，打破传统先理论后实操的线性模式，构建了“问题牵引、任务驱动、虚拟先行、实境验证”的螺旋上升式学习路径。

1.基于真实工作过程重构内容：教学内容完全对标国家《城镇燃气设施运行、维护和抢修安全技术规程》（CJJ51）、《生产安全事故应急预案管理办法》等行业核心规范，以及燃气企业实际应急抢修标准化作业程序（SOP）。将泄漏处置分解为“信息接报与研判”、“现场初期管控与侦检”、“抢险作业实施与风险控制”、“事后恢复与评估”四个典型工作阶段。

2.沉浸式虚拟仿真技术深度赋能：引入自主研发的“城市燃气管道泄漏应急抢险虚拟仿真平台”（V1.5版）。该平台以三维数字孪生技术构建了包含复杂地下管线、多种地面建筑、交通、气象条件的虚拟城市街区场景。学生可在无任何物理风险的前提下，进行无限次数的“试错式”训练，操作虚拟的激光甲烷遥测仪、四合一气体检测仪、防爆风机、管道夹堵器等数十种专业设备，模拟包括开挖、止气、换管、焊接（虚拟）等全部抢险工序。

3.PBL项目式与协作学习：以一次完整的管道泄漏事件为项目主线，学生以4-5人小组形式，分别扮演“现场指挥员”、“安全员”、“操作员”、“侦检员”、“联络员”等角色，在虚拟和后续的实操环节中协同作业。教学过程即是项目推进过程，培养学生系统性思维和团队协作能力。

4.多维动态评价体系：建立过程性评价与终结性评价相结合、机器智能评分与教师专家评分相补充的评价机制。虚拟仿真平台自动记录学生每一个操作步骤的顺序、规范性、时效性，并生成数据分析报告。结合小组方案答辩、实操演练评估、理论知识考核，形成对学生知识、技能、素养的全面画像。

三、教学目标

（一）知识与技能目标

1.能准确复述城市燃气管道（尤指PE管/钢管）泄漏的常见原因、泄漏形态（穿孔、断裂、接口失效等）及其对应的风险特征。

2.能熟练运用SCADA系统数据、用户报警信息、地理信息系统（GIS）进行泄漏点的初步研判与定位，并制定初步的应急响应级别。

3.能独立、规范地操作激光甲烷遥测仪、地面钻孔取样器、四合一气体检测仪等设备，完成泄漏点的精确查找与浓度监测，绘制现场气体扩散云图。

4.能依据风险评估结果，正确设立多级警戒区域（热区、温区、冷区），并部署相应的交通管制、人员疏散、静电消除、消防戒备等初期管控措施。

5.能依据管道参数、泄漏情况、土壤环境等，科学制定并阐述至少两种可行的抢险技术方案（如夹具堵漏、B型套筒修复、停气换管等），并说明其适用条件与风险点。

6.能在虚拟及实物模拟环境下，安全、规范地执行（或指挥执行）抢修作业坑开挖与支护、管道泄压、切割、清洁、组对、焊接（或机械连接）等核心工序。

7.能规范完成抢修后的强度试验、严密性试验及氮气置换作业，并组织安全的复产供气。

（二）过程与方法目标

1.通过虚拟仿真平台的反复演练，掌握“评估-决策-行动-再评估”的应急处突闭环工作方法。

2.通过小组角色扮演与协作，体验并学习多岗位协同指挥与沟通的有效方法，包括任务分派、信息上报、指令传达与确认。

3.通过案例复盘与方案对比，提升基于证据、权衡利弊的决策能力，以及应对突发险情（如作业坑塌方、检测仪器故障、浓度突然升高）的应变能力。

（三）情感、态度与价值观目标

1.深刻理解燃气安全“红线意识”和“底线思维”，养成严谨细致、敬畏规程的职业操守。

2.强化“时间就是生命，泄漏就是命令”的应急响应责任感，培养临危不乱、科学施救的心理素质。

3.树立团队协作、资源共享的集体主义精神，以及对新工艺、新技术（如无人机巡检、智能封堵机器人）保持开放学习的态度。

四、教学重点与难点

1.教学重点：

1.2.泄漏现场初期安全管控体系的建立：这是保障抢险人员及公众安全的前提。重点在于如何根据实时侦检数据，动态调整警戒范围，并部署相匹配的安全措施。

2.3.基于风险分析的抢险技术方案决策：重点在于引导学生综合考量技术可行性、作业时间、安全风险、社会影响及成本，做出最优或次优决策。

3.4.抢修作业核心工序的标准化操作流程：特别是有限空间作业（抢修坑）的安全防护、气体环境连续监测、管道切割与连接的关键技术要点。

5.教学难点：

1.6.多源信息融合与泄漏点精确定位：如何将模糊的报警信息、波动的SCADA压力流量数据、复杂的管网拓扑关系与现场实地侦检结果相结合，快速锁定泄漏点，对学生的系统思维和信息处理能力要求极高。

2.7.动态风险评估与应急决策调整：现场情况瞬息万变（如天气变化引发气体聚集、第三方施工导致次生风险）。难点在于培养学生持续进行动态风险评估，并及时、果断调整处置策略的能力。

3.8.虚拟与实景的技能迁移：如何确保学生在虚拟环境中养成的规范意识和决策能力，能够有效地迁移到存在物理反馈、环境干扰的真实实操场景中。

五、教学资源与工具

1.主教学平台：“城市燃气管道泄漏应急抢险虚拟仿真平台”（配备60台高性能学生终端及1台教师总控终端）。平台内置10个以上不同难度、不同泄漏类型的预设场景库。

2.实物教具与模拟设备：

1.3.激光甲烷遥测仪、泵吸式四合一气体检测仪（教学用）、地面钻孔取样设备。

2.4.PE管/钢管切割器、热熔对接机（教学模拟机）、电熔焊机（教学模拟机）、多种管道夹具与B型套筒。

3.5.个人防护装备（PPE）套装：防静电服、安全帽、防护眼镜、防砸防刺穿劳保鞋、正压式空气呼吸器（训练用）。

4.6.模拟抢修作业坑（1:1比例，带有可调节支护结构）、警戒线、防爆风机、防爆照明系统、灭火器。

7.信息化资源：

1.8.三维管网GIS系统演示端、企业真实SCADA报警记录（脱敏后）案例库。

2.9.国内外典型燃气泄漏爆炸事故案例分析视频（含技术复盘）。

3.10.行业标准规范电子文档集、应急处置预案模板库。

4.11.“课堂派”互动教学系统，用于随机分组、任务推送、实时测验与反馈。

六、教学实施过程（总计12学时）

第一阶段：课前准备与理论激活（1学时，线上异步）

1.教师活动：在“课堂派”平台发布预习任务包。任务包包含：①一则经过简化的燃气泄漏事件新闻报道；②一道引导性问题：“如果你是首批到场的负责人，你的前三个动作是什么？为什么？”；③关键规范条文节选（CJJ51关于警戒区设置的部分）；④虚拟仿真平台客户端安装指南及初级操作教程视频。

2.学生活动：阅读材料，在平台讨论区以小组为单位提交初步的“行动优先级清单”。观看教程视频，熟悉虚拟仿真平台的基本界面和行走、操作交互方式。尝试完成平台“训练模式”下的单一设备操作任务（如使用虚拟检测仪找到一处预设的泄漏点）。

3.设计意图：制造认知冲突，激发学习兴趣。让学生带着问题和初步思考进入课堂，为深度研讨做准备。初步的虚拟操作降低课堂入门门槛。

第二阶段：课中实施——虚实融合的深度探究与技能锤炼（10学时，理实一体教室）

第1-2学时：情境导入与核心理论精讲

1.环节一：真实案例震撼导入（0.5学时）

教师播放一段经过精心剪辑的、包含事故后果与抢险过程的纪实短片（如某市因第三方施工破坏中压管道的抢险实录）。播放后，提出核心问题：“本次抢险成功的关键与不足分别是什么？”引导学生从“信息、人、机、料、法、环”多角度进行初步讨论。随后，教师引出本课核心任务：在虚拟世界中，我们将面临类似但更复杂的挑战，目标是完成一次“教科书式”的完美抢险。

2.环节二：泄漏处置知识体系结构化精讲（1.5学时）

教师并非平铺直叙知识，而是以“构建一张应急决策思维导图”为主线展开。内容聚焦三大板块：

1.3.“知”泄漏：深入剖析管道泄漏的流体力学与扩散模型（简化）。结合动画，讲解不同压力、孔径下气体喷射、渗漏的形态，及其对检测方法选择的影响。强调“看不见的风险”往往最大。

2.4.“控”现场：精讲“同心圆”警戒模型。结合虚拟场景截图，动态演示随着下风向浓度监测值的变化，热区、温区范围应如何动态调整。重点解读安全距离计算公式的应用前提，以及交通管制、消除明火、疏散人群、设置监测点的具体战术位置选择。

3.5.“断”气源与“修”管道：系统对比不同止气方法（阀门控制、夹堵、封堵）的适用条件、耗时与风险。以流程图形式，清晰展示从开挖前气体检测确认到焊后检测合格的完整作业流程链条，突出每一环节的质量控制点（QCP）与安全停工待检点（HOLDPoint）。

1.6.设计意图：将碎片化知识整合到“决策”框架下，使学生明白每个知识点在决策链中的位置和作用。为后续虚拟实训提供坚实的理论“脚手架”。

第3-7学时：虚拟仿真综合实训（核心环节）

1.环节一：任务发布与角色分工（0.5学时）

教师通过总控台，向各小组发布本次综合实训的“事故剧本”：例如，“某历史文化街区，中压A级PE管因地基沉降导致接口拉脱，泄漏已持续约30分钟，周边有居民区、小学，天气晴，微风。”小组成员协商确定角色分工，并领取各自的“角色任务卡”，卡上明确了该角色的核心职责与权限。

2.环节二：第一阶段演练——接警响应与初期管控（2学时）

各小组进入虚拟场景。从接到调度中心指令开始，需完成：调阅GIS和SCADA历史数据；规划赴现场路线；抵达虚拟现场后，依据角色开展行动：指挥员下达初步指令；安全员评估环境，开始设立初始警戒；侦检员选用合适的设备，从下风向开始进行泄漏源搜寻和浓度测绘。教师巡回指导，重点关注：侦检员的设备选择逻辑、行进路线是否安全；安全员设立的警戒范围是否保守；指挥员的信息收集与初步指令是否清晰。过程中，教师可通过总控台插入“突发状况”，如“风向突然改变”、“现场有市民闯入拍摄”，考验小组应变。

3.环节三：第二阶段演练——抢险方案制定与作业实施（3学时）

在确认泄漏点并完成初期管控后，小组需暂停操作，进行线下方案研讨。他们必须根据虚拟场景提供的管道埋深、土质、周边管线信息、可供作业空间等条件，制定详细的书面抢险方案，包括：作业坑开挖支护方案、具体的止气与修复方法选择、所需设备材料清单、作业步骤、安全预案。方案需经教师审核签字后，方可返回虚拟环境继续执行。

在虚拟作业实施中，学生操作虚拟设备完成：作业坑开挖（需选择正确的支护方式）、管道暴露与清洁、夹具安装或管道切割、新管段组对、电熔焊接（虚拟过程模拟参数设置）等。教师重点关注：操作员动作的规范性（如切割前是否再次进行可燃气体检测）；安全员是否持续监测坑内气体和支护结构稳定性；指挥员各工序衔接是否流畅。

4.环节四：第三阶段演练——恢复供气与撤离（1.5学时）

完成修复后，小组需执行强度试验和严密性试验（虚拟平台模拟压力曲线变化）。试验合格后，进行氮气置换与恢复供气操作。最后，清理现场，撤除警戒，向虚拟的调度中心报告抢险完成。平台自动生成本小组的“演练评估报告”，包含时间线、操作正误、决策效率等数据。

5.设计意图：通过长达5学时的沉浸式、分阶段虚拟演练，将理论知识转化为肌肉记忆和条件反射。角色扮演强化责任意识，方案审核环节模拟真实工作流程，插入突发状况培养应变力。机器生成的报告为客观评价提供依据。

第8-9学时：实操模拟与技能迁移

1.环节一：虚实对照与难点释疑（0.5学时）

教师选取虚拟实训中出现的共性问题和精彩操作，进行集中点评。随后，带领学生来到实物模拟作业坑前，指着真实的PE管、夹具、焊机，对比讲解虚拟操作与真实操作在感官反馈、力量控制、环境干扰等方面的差异。重点强调真实环境中“再确认”文化的重要性。

2.环节二：关键工序实物模拟演练（1.5学时）

学生小组在教师和助教的密切监护下，在模拟作业坑进行“PE管损坏段切除与电熔套筒安装”的实物操作。操作重点不在于完成速度，而在于严格执行每一步的安全规程：作业许可、气体检测、工具检查、工艺参数核对、冷却时间遵守等。每位成员需在自己角色岗位上，完成至少一次关键操作。

3.设计意图：填补虚拟与真实之间的“体验鸿沟”。通过实物操作，巩固技能，并深刻体会真实作业中的安全细节，完成从“知道”到“做到”的关键一跃。

第10学时：复盘、答辩与提升

1.环节一：小组复盘与报告撰写（课内1学时，课后延伸）

各小组基于虚拟平台生成的报告和实物演练体会，进行内部深度复盘。围绕“我们做对了什么？”“哪里可以做得更好？”“如果再来一次，策略会如何调整？”三个问题，撰写一份结构化的《抢险行动复盘报告》。

2.环节二：专家答辩会（1学时）

模拟企业项目评审会。每个小组选派代表，在10分钟内汇报其抢险决策过程、方案亮点及复盘反思。由教师扮演的“公司技术总工”和“安全总监”，以及其他小组代表扮演的“同行专家”进行质询提问。问题尖锐，直指方案缺陷和决策逻辑漏洞。

3.设计意图：复盘是能力提升的加速器。通过结构化反思和高压答辩，促使学生进行元认知，将经验内化为真正的专业能力。同时锻炼其总结表达和抗压能力。

第三阶段：课后拓展与综合评价（1学时，线上线下一体）

1.教师活动：发布拓展任务：分析一则真实的复杂泄漏事故案例（如涉及高压管线、穿越河流等），撰写一份《风险分析及处置要点建议》。在平台公布最终综合评价的构成：虚拟仿真平台自动评分（30%）、实物操作考核（30%）、理论知识闭卷考试（20%）、复盘报告与答辩表现（20%）。

2.学生活动：完成拓展案例分析。在平台查阅个人及小组的详细成绩分析报告，了解自身优势与短板。

3.设计意图：将学习延伸到更复杂的真实世界问题，保持挑战性。多元化的评价体系全面、公正地衡量学习成果，过程性数据为学生提供个性化改进指导。

七、教学评价与反馈

本教学采用“四维三维”评价体系。“四维”指评价涵盖知识、技能、过程、素养四个维度；“三维”指评价主体包括智能平台、教师、同伴三方。

1.智能平台评价：基于虚拟仿真操作数据，生成量化评分与能力雷达图，客观反映技能熟练度与决策规范性。

2.教师评价：通过观察、答辩、报