化学过程安全是化学工程的基础，它保护了人类生命，并使复杂的工业系统能够可靠运行（Dee, Cox, and Ogle 2015; Sofri, Reddy Prasad, et al. 2023; Motalifu et al. 2022）。尽管技术和法规有所进步，但高压高温、易燃物质以及紧密耦合的操作仍然会导致严重事故，这突显了在教育和实践中持续保持警惕和创新的必要性（Bai et al., 2023, Zonda et al., 2025）。
全球范围内，认证框架（如ABET; IChemE）强调将危险识别、风险分析和安全仪表系统的应用作为核心学习成果（Vaughen, 2012, Amaya-Gómez et al., 2019）。为了实现这一目标，中国石油大学（华东）于2018年推出了化学安全工程本科课程，旨在培养具有扎实理论基础和实践能力的工程师（Motalifu et al., 2022, Yang et al., 2024）。要实现这一使命，需要不断创新，将课堂知识与高风险环境中的有效行动相结合。
传统的教学方法——讲座、文本案例研究和有限的实验室练习——难以传达过程安全事件的动态性和时间敏感性（Skjold, 2025, Mkpat et al., 2018）。从教学法的角度来看，这些方法主要支持陈述性知识的获取，而很少为学生提供参与潜在危险识别、因果关系的时间耦合以及在不确定性下进行决策的机会（Toyoda et al., 2022, Seo et al., 2021）。在真实的工业事故中，不安全状态通常是通过相互作用的过程变量逐渐出现的，而不是由孤立故障引起的。因此，静态表示方法有可能简化复杂的因果链，限制学生预测异常操作条件下事件升级路径的能力（Fogler and Hirshfield 2021）。
基于模拟的学习被提出作为一种解决这些教学局限性的方法，它使学习者能够与不断变化的过程状态互动并观察其行为的后果（Kouwenhoven, 2021, Gajek et al., 2022）。早期的二维模块和虚拟实验室提高了互动性，但环境真实性有限。随着数字技术的发展，三维（3D）和沉浸式模拟使学习者能够导航虚拟工厂、观察事件发展并演练应急措施，并获得即时反馈（Sofri, M, et al. 2023; Lin, Son, and Rojas 2011; Hassim, Zakaria, and Mahmud 2024）。工程教育领域的证据表明，3D模拟提高了参与度、情境意识、决策能力和团队合作能力——这些都是过程安全所必需的技能（Koh et al., 2010, Magana and de Jong, 2018, Ka et al., 2025）。然而，大多数文献强调的是常规操作和程序化培训，相对较少关注以高风险故障（如阀门泄漏、火灾升级、紧急停机）为中心的事故驱动场景。必须区分主要用于程序化培训的模拟（其中预定义的步骤被重复执行）和以事故驱动的学习（其中学习者必须实时诊断故障、评估风险并调整响应）（Udeozor et al., 2021, Fracaro et al., 2021）。同样，围绕常规操作设计的模拟与针对异常或紧急情况的模拟在认知要求上存在根本差异。
此外，当前的大部分文献强调学习者的参与度、模拟环境的感知真实性和可用性，但在证明学习成果方面提供的实证证据有限，特别是在故障诊断和应急决策方面。虽然积极的学习者反馈很有价值，但并不一定能在动态条件下转化为表现的提高。这突显了在教学证据方面的一个持续存在的差距，即沉浸式模拟是否真的能提高与过程安全相关的高阶认知技能，而不仅仅是增加动机或兴趣。
在本研究中，我们设计、实施并评估了一个针对石油精炼中高后果场景的3D模拟培训模块：催化裂化单元中的进料阀泄漏及其引发的火灾。该场景捕捉了过程动态、工程防护措施和人类表现之间的关键互动，这些因素决定了应急结果，为培养故障诊断和风险缓解技能提供了真实的背景。除了三维模拟环境的技术开发外，本研究的核心贡献在于将其作为化学安全教育中的结构化教学实践进行教学。教学设计有意基于事故驱动的学习，要求学生解释不断变化的过程信息，在不同操作角色之间协调行动，并在不确定性下做出时间敏感的决策。通过将模拟嵌入正式的课程结构中，本研究探讨了如何将沉浸式技术与明确定义的学习目标对齐，而不仅仅是将其作为独立的演示工具使用。
该研究嵌入中国石油大学（华东）的化学安全工程课程中，并通过学生和教育工作者的控制实验评估了其教育影响。结果表明，在故障诊断、风险缓解和应急响应方面取得了显著的学习成果；特别是，完成模拟的学生平均得分为8.6分（满分10分），明显高于对照组的6.2分。我们提出了将模拟模块整合到课程中的建议，并概述了基于模拟的过程安全教育的未来研究方向。
