環(huán)境電磁輻射現(xiàn)場測量綜合實驗設計與教學實踐

馬秦龍 高鵬 盧永輝

[摘要] 現(xiàn)代通訊技術的飛速發(fā)展使居民環(huán)境電磁輻射暴露日趨復雜，科學、準確測量評估電磁輻射特征及強度是預防醫(yī)學專業(yè)本科生應掌握的基本技能。該研究設計以社區(qū)環(huán)境電磁輻射現(xiàn)場測量為例，目的是引導學生觀察分析測量對象特征，依據(jù)電磁輻射測量的基本原理和方法，討論制訂測評方案，并開展電磁輻射現(xiàn)場測量。本研究發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場實驗教學能加深學生對理論知識的理解，培養(yǎng)學生的組織協(xié)作和實踐能力。

[關鍵詞] 電磁輻射;現(xiàn)場測量;實驗設計;教學實踐

[中圖分類號] G642.423? ? ? ? ? [文獻標識碼] A? ? ? ? ? [文章編號] 1673-7210（2020）03（a）-0059-04

[Abstract] The rapid development of modern communication technology has made residents′ exposure to electromagnetic radiation more and more complicated. Scientific and accurate measurement and assessment of the characteristics and intensity of electromagnetic radiation are basic skills that preventive medical undergraduates should master. This research design takes the community environmental electromagnetic radiation field measurement as an example， the purpose is to guide students to observe and analyze the characteristics of the measurement object， according to the basic principles and methods of electromagnetic radiation measurement， discuss the formulation of the evaluation plan， and carry out the electromagnetic radiation field measurement. This study finds that field experiment teaching can deepen students′ understanding of theoretical knowledge and cultivate students′ ability of organization， cooperation and practice.

[Key words] Electromagnetic radiation; On-site measurement; Experiment design; Teaching practice

電磁輻射作為一種2B類致癌物理因素，是職業(yè)衛(wèi)生與環(huán)境衛(wèi)生學教學研究的重要內(nèi)容之一?，F(xiàn)代社會對電磁輻射技術的依賴程度越來越強，隨著5G通訊及“萬物互聯(lián)”的普及，可以預見在未來3～5年內(nèi)，電磁輻射相關技術的應用將比現(xiàn)在更加廣泛[1-2]，公眾生活及工作空間中的電磁輻射頻譜特征將日趨復雜，與之相伴隨的是公眾對電磁輻射健康危害的關注程度將會越來越高。準確測量評估環(huán)境中電磁輻射的頻段分布特征和強度不僅可以為制訂防護措施提供依據(jù)，而且可以消除公眾對電磁輻射暴露的恐慌。因此，預防醫(yī)學專業(yè)學生應掌握生活及工作環(huán)境中電磁輻射現(xiàn)場測量評估的基本技能，以適應未來的工作需求。

電磁輻射的測量原則及方法比較抽象，且有一定的難度，通過理論課講授效果一般。因此，需要以真實場景為依托開展現(xiàn)場實驗教學，使學生能夠?qū)⒗碚撝R轉(zhuǎn)換為實踐能力。本文根據(jù)近年來開展預防醫(yī)學綜合實驗課及本科生第二課堂的實施情況，以社區(qū)電磁輻射測量的現(xiàn)場實驗為例，就如何在本科生中開展電磁輻射現(xiàn)場測量的綜合實驗設計展開討論。

1 實驗設計背景

日常工作和生活環(huán)境中常見的電磁輻射主要有極低頻電磁場和射頻電磁場。前者主要是指來源于輸電線路、變電站、電氣設備、家用電器等產(chǎn)生的0～300 Hz的電磁場，以50 Hz或60 Hz的工頻電磁場為主;后者指頻率在100 kHz～300 GHz的電磁輻射，包括高頻電磁場和微波。由于電磁輻射看不見、摸不著，需要借助專業(yè)的實驗設備才能測量，在職業(yè)衛(wèi)生或預防醫(yī)學專業(yè)的相關理論教學過程中存在內(nèi)容空洞和不易理解的問題。因此，根據(jù)多年的教學實踐和經(jīng)驗，在該部分教學過程中增加了“環(huán)境電磁輻射現(xiàn)場測量”綜合實驗課程，對學生知識掌握和應用極具現(xiàn)實意義。

2 實驗目的和測量原理

2.1 實驗目的

通過典型社區(qū)環(huán)境開展電磁輻射現(xiàn)場測量，使學生掌握電磁輻射現(xiàn)場測量評估的基本方法，能夠根據(jù)實際情況對不同生活及工作環(huán)境電磁輻射特征進行測量評估，對不同類型輻射源體的電磁輻射特征進行測量評估。

2.2 電磁輻射測量原理

科學準確測量環(huán)境電磁輻射需要依據(jù)相應的測量原則。由于空間中存在的電磁輻射特征往往較為復雜，不同頻段電磁輻射生物效應特點也有區(qū)別，因此，其暴露標準限值也有所不同，需要進行分頻測量;其次，不同源體的輻射劑量在時間及空間上的分布不是完全穩(wěn)定的，因此選擇的測量時間段及測量位點要能代表人在相應空間的主要活動時間和地點;另外，在測量位點的高度選擇時還要考慮人體不同器官及系統(tǒng)對電磁輻射的敏感性差異，其中神經(jīng)系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)及生殖系統(tǒng)是電磁輻射的主要靶器官，心血管系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)的損傷也是需要重點關注的靶點。因此，電磁輻射現(xiàn)場測量的原則主要有以下3點[3]：①分頻段測量;②測量的時間段及空間布點的選擇要有代表性;③按人體等效部位進行測量。根據(jù)站姿和坐姿兩種不同的體位，需要重點測量的頭部（站姿1.6 m，坐姿1.2 m）、胸部（站姿1.3 m，坐姿1.0 m）及下腹部（站姿1.0 m，坐姿0.8 m）等高度的電磁輻射強度。

3 測量場地的選擇及實驗儀器準備

3.1 測量場地的選擇

為達到較好的教學效果，選擇的社區(qū)環(huán)境應具備代表性，包括生活中常見的典型電磁輻射源體如變電站、高壓電線、手機發(fā)射基站等。進行室內(nèi)測量時，應選擇具備典型代表的家庭環(huán)境，主要是居室內(nèi)應包括各種常見的家用電器、無線路由器和藍牙設備等，測量時應將家用電器處于工作狀態(tài)。

3.2 實驗儀器

針對電磁輻射頻率分布特征的測量采用德國Narda公司SRM3006型電磁輻射分析儀，頻率測量采用6 kHz～9 GHz的系列電磁傳感器，包括：①一軸電場探頭（1-axis E-field antenna，9 kHz～300 MHz）;②磁場感應探頭（Active magnetic loop，9 kHz～300 MHz）;③三軸探頭（Three-axis probe，9 kHz～250 MHz）;④三軸探頭（Three-Axis Antenna，27 MHz～3 GHz）;⑤三軸探頭（Three-axis Antenna，420 MHz～6 GHz）。

針對工頻段電磁場測量采用德國Narda公司NBM550型電磁輻射測量儀，配套使用EHP50D型電磁傳感器（5 Hz～100KHz）。

針對射頻段電磁場測量，采用德國Narda公司NBM550型電磁輻射測量儀，配套使用100 kHz～60 GHz系列電磁傳感器，包括：①EF 0391型電場探頭（100 kHz～3 GHz）;②EF 0691型電場探頭（100 kHz～6 GHz）;③EF 1891型電場探頭（3 MHz～18 GHz）;④EF 6091型電場探頭（3 MHz～60 GHz）;⑤HF 3061型磁場探頭（300 kHz～30 MHz）;⑥HF 0191型磁場探頭（27 MHz～1 GHz）。

距離測量采用德國Hilit公司的MEROLAB PD42激光測距儀。

4 實驗內(nèi)容設計及具體實施方法

4.1 測量環(huán)境要求

電磁輻射的測量環(huán)境條件最好選擇晴天，濕度<75%，風力<3級，以避免環(huán)境因素對測量結(jié)果的干擾。

4.2 社區(qū)環(huán)境電磁輻射測量

首先，進行頻譜掃描分析，摸清社區(qū)環(huán)境電磁輻射主要頻率分布特征。一般來講，若無特殊輻射源體，小區(qū)電磁輻射主要集中的頻段為極低頻（0～50 Hz）及射頻（800～2400 MHz）。對極低頻電磁場的測量，需分別選擇磁場及電場探頭進行測量，而射頻電磁場的測量只需選擇相應范圍包含所測主要輻射頻段的探頭即可。環(huán)境測量的高度一般選擇站姿的頭部高度（1.6 m）。社區(qū)環(huán)境測量點可根據(jù)地理位置及小區(qū)建筑物的分布，采用網(wǎng)格布點法[4-6]，將社區(qū)劃分為20 m×20 m（格子大小應根據(jù)所測量社區(qū)的面積來設置）的方格，選擇格子中心點進行測量。盡量避開附近的高層建筑物、高壓線、金屬結(jié)構(gòu)物等。同時，對社區(qū)居民樓各樓層應根據(jù)需要，于陽臺和樓道等處設置合適的測量點[7]。此外，在測量時間的選擇上，由于不同時間段用電情況及輻射源體的負荷情況可能有所不同，因此，應分不同時間段（早上9：00～11：00，下午2：30～4：30，晚上18：30～20：30）進行測量，每個測量點每次測量時間>15 s，并記錄最大值、最小值和平均值，若測量讀數(shù)起伏較大時，適當延長測量時間。

4.3 主要電磁輻射源體的輻射特征測量

社區(qū)內(nèi)公眾比較關注的電磁輻射源體主要是高壓線與手機通訊基站。高壓線屬線狀輻射源，測量時可選擇與高壓線垂直的方向，在不同距離布點，如12.5、25、50、100、200、400 m，不僅可測評不同距離電磁輻射的強度，還可以摸清其衰減的規(guī)律，測量高度一般采用站姿的頭部高度（1.6 m），由于高壓線所產(chǎn)生的輻射屬于極低頻范圍內(nèi)，因此電場強度和磁場強度要分開進行測量[8-10]。

手機通訊基站屬于點狀輻射源，測量時應以輻射源體為中心，以45°為間隔，在0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°等8個方位作測量線，每條測量線可按12.5、25、50、100、200、400 m布置測量點[11-13]，如因地形限制無法測量時，可根據(jù)具體情況合理選點，在測量地圖上標出具體位置，若測量時發(fā)現(xiàn)電磁輻射強度隨距離增加衰減較大，逐漸接近背景強度時，可根據(jù)情況適當減少測量點，測量高度可選擇站姿的頭部高度（1.6 m）。

4.4 典型室內(nèi)環(huán)境電磁輻射特征測量

居室內(nèi)電磁輻射的測量可根據(jù)房間的布局及功能屬性進行布點[14-16]，一般分別在廚房、臥室及客廳布置測量點，測量點應盡量布置在人員活動較多的地方，每個房間布置一個測量點，根據(jù)實際情況可增加一個測量點;測量時應按人體等效部位進行測量，如客廳站姿及坐姿測量位點可不一樣，站姿一般選擇在客廳中央人員活動較多的地方，而坐姿一般選擇在沙發(fā)位置，廚房一般只需測量站姿，臥室可根據(jù)床的高度來確定測量點。測量時，所有家用電器應處于工作狀態(tài)。此外，還可根據(jù)實際情況對家用電器（如微波爐等）的漏能進行檢測。見圖1。

4.5 實驗具體實施方法

電磁輻射測量評估是一個綜合性和實踐性較強的實驗，學生單獨完成難度較大，具體實施時可將學生分成若干小組進行，一般4～5人一組。在實驗前，應先讓學生了解相應測量社區(qū)的具體情況，可借助網(wǎng)絡衛(wèi)星地圖繪制測量圖紙，在圖紙上標出需要測量的位點，并制訂測評方案，組織學生對方案進行討論修改。此外，還需讓學生熟悉測量儀器的不同工作模式，如點測量模式、時間段累積測量模式、峰值保留模式、平均值模式等，并對測量儀器進行校準。實驗實施過程中以小組為單位分別進行，交叉測量不同地點電磁輻射強度，小組內(nèi)組員應有分工，分別由專人負責測量距離及位點確定、數(shù)據(jù)及測量條件記錄、測量儀器操作等，測量過程中需做好詳細的數(shù)據(jù)收集，包括測量的位點、電磁輻射頻譜分布特征、具體測量所用的探頭、所測的最大值、最小值、平均值等。測量完成后要對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，制作數(shù)據(jù)圖表，并與標準比對，撰寫實驗總結(jié)報告進行交流。見圖2。

5 實驗教學效果

5.1 教學效果顯著

分別在預防醫(yī)學綜合實驗課及本科生第二課堂活動中開展了環(huán)境電磁輻射現(xiàn)場測量評估的綜合實驗設計教學，取得了較好的教學效果，學生自主學習能力得到加強。通過對近兩百余名預防醫(yī)學專業(yè)本科生進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)相對于傳統(tǒng)教學模式，參加現(xiàn)場實驗教學的學生對電磁輻射現(xiàn)場測評基本知識的掌握程度大大提高，并且大部分學生對授課較為滿意。通過現(xiàn)場實驗課教學，學生對生活環(huán)境中電磁輻射標準及防護措施的掌握程度也大大提高。與綜合實驗比較，第二課堂活動的教學效果較好，主要原因是參加第二課堂的學生們時間安排相對自由，能夠根據(jù)實際情況靈活選擇測量時間，更加詳細的收集數(shù)據(jù);另外，在第二課堂活動中，學生將電磁輻射的測評與電磁輻射科普教育相結(jié)合，根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果在所測量社區(qū)開展電磁輻射的科普教育工作，使知識的輸入與輸出結(jié)合，大大提高了學生的積極性和學習效果，鍛煉了學生的實踐能力。

5.2 預防醫(yī)學專業(yè)認同感得到提升

專業(yè)認同度的高低很大程度上影響著學生的學習熱情與學習效果，甚至影響其以后的職業(yè)發(fā)展[17]。在長期教學中發(fā)現(xiàn)許多預防醫(yī)學專業(yè)的學生學習熱情不高，缺乏動力，對本專業(yè)認同感較低[18-20]，許多該專業(yè)的本科生通過考取臨床專業(yè)研究生進而從事臨床工作。針對這一現(xiàn)象，我們在預防醫(yī)學本科教學中特別注重理論知識的實踐應用。通過開展電磁輻射現(xiàn)場測量綜合實驗設計，使理論知識的“虛”落到實踐應用的“實”，通過解決實際問題，提升專業(yè)能力素質(zhì)，使學生感到自己所學的專業(yè)知識能夠應用于社會實踐，解決和回答公眾疑惑，增強學生的專業(yè)認同感。

6 小結(jié)

電磁輻射污染日趨嚴重，公眾對電磁輻射健康危害的擔憂與日俱增，在預防醫(yī)學專業(yè)中開設環(huán)境電磁輻射現(xiàn)場測量的綜合實驗教學實踐非常符合社會需求，使學生能夠較好地掌握社會急需的專業(yè)知識及技能。我們通過不同形式的教學實踐，發(fā)現(xiàn)通過科學設計及合理組織，能夠極大調(diào)動學生的積極性，不僅能夠提高教學效果，而且能夠有效鍛煉學生綜合實踐能力。

[參考文獻]

[1]? 李清華.5G技術的研究現(xiàn)狀及前景[J].通信電源技術，2019， 36（2）：219-223.

[2]? 陳麗琴，符蘭.新時代背景下基站電磁輻射防護重要性及對策研究[J].電子測試，2019，411（6）：34-36.

[3]? 舒為群，鐘敏，朱俊東.軍隊衛(wèi)生學實驗教程[M].西安：第四軍醫(yī)大學出版社，2006：41-42.

[4]? Fernández-García R，Gil I. Measurement of the environmental broadband electromagnetic waves in a mid-size European city [J]. Environ Res，2017，158：768-772.

[5]? 蔣憲玲，劉海生.環(huán)境電磁輻射頻譜與電磁輻射污染的測量方法[J].環(huán)境研究與監(jiān)測，1990，3（4）：48-50.

[6]? 李娣娜，劉生春，劉麗麗.延安市區(qū)公眾暴露環(huán)境電磁輻射測量及其分析[J].現(xiàn)代電子技術，2007，30（21）：171-174.

[7]? 丁莉，陳于，韓令力.重慶市住宅小區(qū)環(huán)境電磁輻射測量分析[J].中國公共衛(wèi)生，2010，26（4）：478-480.

[8]? Bürgi A，Sagar S， Struchen B，et al. Exposure modelling of extremely low-frequency magnetic fields from overhead power lines and its validation by measurements [J]. Int J Environ Res Public Health，2017，14（9）：1-19.

[9]? 秦啟忠，陳于，丁莉，等.重慶市區(qū)110kV高壓線電磁輻射監(jiān)測分析[J].中國公共衛(wèi)生，2010，26（8）：1043-1045.

[10]? 徐建忠，周偉.架設高壓線經(jīng)過居民住宅的安全距離研究[J].中國高新技術企業(yè)，2016（21）：15-16.

[11]? Buckus R， Strukinskien? B， Raistenskis J，et al. A technical approach to the evaluation of radiofrequency radiation emissions from mobile telephony base stations [J]. Int J Environ Res Public Health，2017，14（3）：1-18.

[12]? 肖聲.移動通信基站的電磁輻射水平及其對人體健康的影響[J].環(huán)境與發(fā)展，2018，139（1）：240-244.

[13]? 陸煒，姚穎，武攀峰.樓頂式移動基站電磁輻射污染調(diào)查[J].環(huán)境監(jiān)控與預警，2016，8（4）：50-53.

[14]? 劉楊，李凱，譚康伯.典型室內(nèi)電磁環(huán)境防護控制分析研究[J].電子科技，2018，31（4）：81-83.

[15]? 戴銀所，葉立，閆鳳國.室內(nèi)電磁輻射污染分析與評價[J].職業(yè)與健康，2016，32（6）：851-857.

[16]? Aertsa S，Calderonb C，Valic B，et al. Measurements of intermediate-frequency electric and magnetic fields in households [J]. Environ Res，2017（154）：160-170.

[17]? 羅小芳，胡麗媛.大學生專業(yè)認同感影響因素分析[J].教育教學論壇，2016（51）：62-65.

[18]? 何旻蒂，盧永輝，陳純海，等.加強預防醫(yī)學專業(yè)認同培養(yǎng)的思考[J].人民軍醫(yī)，2015，58（3）：347-348.

[19]? 劉璐，丁葉，仝娜，等.提升預防醫(yī)學專業(yè)本科生專業(yè)認同感的策略探索[J].醫(yī)學教育研究與實踐，2019，27（2）：206-208.

[20]? 鄒茂生，劉江浩，冉露露，等.醫(yī)學本科生專業(yè)認同感與社交焦慮相關性研究[J].中國高等醫(yī)學教育，2019（7）：9-10.

（收稿日期：2019-10-22? 本文編輯：劉永巧）