综述：关于虚拟现实技术在实验室安全培训和教育中的有效性的系统评价和荟萃分析

《International Journal of Industrial Ergonomics》：A systematic review and meta-analysis on the effectiveness of virtual reality technology in laboratory safety training and education

虚拟现实（VR）技术在实验室安全培训（LSTE）中的应用效果显著优于传统方法（d=0.495；95%CI:0.367-0.623；p<0.001），尤其在经验提升（d=0.615）、心理态度改善（d=0.533）、知识掌握（d=0.484）和技能训练（d=0.375）方面表现突出。但存在较高异质性（I2=74.2%），经敏感性分析发现排除异常值后效应仍具中等效果（d=0.585；p=0.060）。研究强调VR的沉浸特性能有效提升培训参与度与安全意识，且培训场景类型是重要调节因素，需针对不同实验风险定制VR内容。

　　

林超辉|王建宏|陈英伟|苏兴民

广东工业大学机电工程学院，中国广州

摘要

虚拟现实（VR）技术在实验室安全培训和教育（LSTE）中受到了越来越多的关注，因为它能够在不使受训者暴露于实际危险的情况下模拟高风险实验室场景。本研究对过去十年中关于VR技术在LSTE中应用的实证研究进行了全面的元分析。该元分析包含了16项研究，共计61个效应量，结果显示VR技术相较于传统方法具有显著的整体效果（d = 0.495；95%置信区间：0.367至0.623；p < 0.001）。然而，研究中也观察到了较大的异质性（I2 = 74.2%），表明结果存在变异性。 subgroup分析显示，VR干预在体验（d = 0.615；95%置信区间：0.276至0.954）、心理（d = 0.533；95%置信区间：0.171至0.895）、知识（d = 0.484；95%置信区间：0.318至0.651）和技能（d = 0.375；95%置信区间：0.182至0.568）方面均具有显著效果。在行为结果方面，排除异常值后的敏感性分析显示效应量为中等水平（d = 0.585；95%置信区间：?0.025至1.195；p = 0.060）。VR技术的沉浸式特性对于提升用户参与度和安全态度特别有利。培训环境是一个重要的调节因素（p < 0.001），这突显了针对特定危险定制的VR内容的价值。因此，建议各机构优先考虑使用VR技术进行体验式和认知培训，同时注意其培养实验室人员安全行为的潜力。

引言

由于危险材料和危险实验程序带来的潜在风险，实验室安全一直是研究机构长期关注的问题（Lin等人，2025年）。例如，2008年加州大学发生的一起科学人员死亡事件是由于不当处理易燃化学品所致，这导致一名教员被起诉，并引发了实验室安全管理的重大改革（Ménard和Trant，2020年）。在中国，2018年北京交通大学发生了一起致命爆炸事故，造成三名学生死亡，引起了全国对实验室安全规范的关注（Mattox等人，2023年）。2021年，南京航空航天大学材料科学与技术实验室在处理镁铝粉末时发生了一起事故，引发了爆炸，导致两人死亡和九人受伤（Lv等人，2023年）。这些实验室事故的根本原因之一是缺乏有效的实验室安全培训和教育（LSTE）（Ansah等人，2024年）。

LSTE的主要目标是向实验室人员提供必要的知识和能力，以识别、评估和减轻实验室环境中的潜在危险（Wang等人，2025年）。传统的LSTE方法通常包括面对面教学、理论学习以及使用安全手册和指南等印刷材料（Zhao等人，2024年）。虽然传统LSTE方法在提供基本安全信息方面是必不可少的，但它们往往存在显著局限性（Viitaharju等人，2021年）。例如，传统LSTE方法可能无法准确再现现实实验室危险中的复杂和多变条件。在传统LSTE方法中，受训者很少有机会练习处理紧急情况或应对复杂的安全场景（Elendu等人，2024年）。此外，传统教学的被动性可能导致受训者对安全规范的参与度和记忆保持能力有限（Minnick等人，2022年）。这些缺点凸显了需要沉浸式、互动性和吸引人的培训解决方案（De Freitas等人，2010年）。虚拟现实（VR）技术已被认为是一种有前景的替代传统LSTE方法的选择。

然而，VR在LSTE中的有效性可能并不统一，可能会受到几个关键因素的影响。例如，沉浸程度（如头戴式显示器与桌面系统）可能会影响学习者的存在感和认知负荷，从而影响信息记忆。同样，培训环境也可能影响效果。化学安全培训严重依赖于对反应的视觉识别，与可能需要触觉反馈的物理安全任务相比，VR模拟可能带来不同的效果。此外，效果可能因所测量的学习成果而异，因为体验式学习通常比单纯的事实回忆更能促进行为改变。因此，研究这些调节因素对于了解VR在何种条件下最有效至关重要。

尽管人们对VR在安全培训中的兴趣日益增加，但对其有效性的系统理解仍然有限。先前的定性综述提供了有价值的见解。例如，Alnagrat等人（2022年）得出结论，VR技术对工程教育中的学生满意度和知识保留有积极影响。同样，Srinivasan等人（2022年）强调了评估基于VR的LSTE效果的系统性方法的必要性。然而，目前还没有全面的元分析来定量综合VR技术在LSTE中的有效性与传统方法相比的情况。此外，影响VR在LSTE中有效性的主要调节因素（如培训环境和测量类型）尚未明确确定。因此，本研究的目标是（1）定量综合VR技术在LSTE中的整体有效性与传统方法相比的情况；（2）确定影响有效性的主要调节因素（如培训环境和测量类型）。

VR在LSTE中的概念和技术优势

VR技术通过将学生沉浸在计算机生成的场景中来实现，通常通过头戴式显示器（HMD）或多显示器设置来呈现，以模拟真实的实验室环境（Al-Jundi和Tanbour，2022年）。基于HMD的沉浸式VR技术提供了独特的技术优势，即沉浸感、存在感和身体感知（Uddin等人，2024年）。沉浸感指的是系统提供的感官真实度，包括宽视野显示器和头部追踪功能。

相关文献的识别与选择

为了确定本系统评价和元分析的相关研究，使用了四个主要的数字数据库进行全面的文献搜索：Google Scholar、ScienceDirect、Scopus和Web of Science。仅考虑了经过同行评审并已发表的研究文章，排除了会议论文（Man等人，2025c）。仅考虑了2015年至2024年间发表的英文研究，以突出VR技术在LSTE应用方面的最新进展。

效应量汇总

从16项符合条件的研究中收集了61个数据点，以评估基于VR的干预措施与传统方法在LSTE中的有效性（附录A）。VR技术对LSTE影响的整体效应量为0.554，95%置信区间为0.409至0.699（p < 0.01；I2 = 80.08%）。按测量类型分类的VR技术与传统方法的比较效率如下：2.874

讨论

本研究证明了VR技术在LSTE中优于传统方法，为现有的LSTE研究提供了三个关键贡献。首先，本研究量化了传统方法与VR技术在LSTE中的结果差异的程度和方向。其次，本研究发现了所包含研究之间的显著异质性，表明VR技术在LSTE中的有效性存在变异性。

结论

本研究全面定量总结了VR技术在LSTE中的有效性。除了证实VR技术在体验、心理、知识和技能领域中的统计优势外，还强调了沉浸式技术在现代安全课程中的关键作用。研究结果表明，将VR技术整合到实验室安全设置中超越了技术本身的局限。

CRediT作者贡献声明

林超辉：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、监督、方法论、资金获取、正式分析、概念化。王建宏：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、调查、正式分析、数据管理、概念化。陈英伟：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿。苏兴民：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、方法论、资金获取、正式分析、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（72301110）、广东省哲学与社会科学规划项目（GD25YYS35）、教育部校企合作教育项目（231003893070347）、广州市哲学与社会科学规划青年学者项目（2025GZQN07）、广东工业大学“本科教学工程”项目（[2024] 75）以及基础研究的支持。