混合式教學(xué)模式在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全課程中的探索與應(yīng)用

王薇，呂東煜，董立軍，袁呈山，沈永雯，蘭景鳳，陸廣農(nóng)，徐向陽

蘭州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，蘭州 730000

化學(xué)實(shí)驗(yàn)室是化學(xué)人才培養(yǎng)和科學(xué)研究的重要基地，實(shí)驗(yàn)中會用到多種化學(xué)品以及和壓力、電氣相關(guān)的設(shè)備，并產(chǎn)生成分復(fù)雜的化學(xué)廢棄物，因此實(shí)驗(yàn)室安全教育受到越來越多高校的重視[1-3]。2015年教育部化學(xué)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會制定的《化學(xué)類專業(yè)本科教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》，明確要求學(xué)生掌握化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本技能的同時還要具有安全意識、環(huán)保意識和可持續(xù)發(fā)展理念[4]。

當(dāng)前高校的實(shí)驗(yàn)室安全與環(huán)保教學(xué)體系還不夠健全、實(shí)驗(yàn)安全環(huán)境和條件建設(shè)不到位、學(xué)生自我防護(hù)和環(huán)境保護(hù)意識養(yǎng)成不足等問題較為普遍，化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中發(fā)生的火災(zāi)、爆炸等事故常見于報道，造成財產(chǎn)損失的同時甚至造成了人員的傷亡[5,6]。事故產(chǎn)生的原因主要有兩個：一是實(shí)驗(yàn)原料及設(shè)備本身的危險性；二是操作者的專業(yè)知識及安全責(zé)任意識不足[7]。將實(shí)驗(yàn)室安全與環(huán)保教育強(qiáng)制納入實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)入的前置環(huán)節(jié)，喚起學(xué)生的安全責(zé)任意識與環(huán)保意識，養(yǎng)成良好的安全行為習(xí)慣，是化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全的保障，是提高學(xué)生安全素質(zhì)的內(nèi)在要求，是國家法律法規(guī)的要求，也是構(gòu)建平安校園的前提。

1 教學(xué)理念與目標(biāo)

化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全知識體系復(fù)雜，不僅包含消防、用電、壓力容器、輻射等安全知識，還有事故的防范與處理、化學(xué)廢棄物的分類回收等內(nèi)容，還要及時了解不斷更新的安全標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)規(guī)范。在高?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)安全培訓(xùn)中，多針對理論知識的介紹，抽象且難于講解，事故處理的實(shí)際演練也很難進(jìn)行。將互聯(lián)網(wǎng)和信息化技術(shù)運(yùn)用到實(shí)踐教學(xué)的教學(xué)方式，不僅可以充分發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，還可以彌補(bǔ)真實(shí)實(shí)驗(yàn)在安全演練中的局限性[3,8,9]。

依托互聯(lián)網(wǎng)平臺，我們設(shè)置了大型開放式在線課程“化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全”，通過混合式教學(xué)模式，探索出符合時代發(fā)展和實(shí)際要求的教學(xué)體系。本課程面向所有即將進(jìn)入化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的本科生(包括化學(xué)、物理、生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境等專業(yè)的同學(xué))以及化學(xué)化工學(xué)院新入校的研究生，以彌補(bǔ)部分研究生在本科期間未系統(tǒng)進(jìn)行安全培訓(xùn)之缺。

2 課程體系

課程采用多手段聯(lián)合式教學(xué)方法(圖 1)。第一步，對即將開展化學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)生進(jìn)行系列安全培訓(xùn)，建立基本的化學(xué)安全知識體系。第二步，利用網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的便利性與碎片化時間，學(xué)生自主進(jìn)行線上化學(xué)安全理論知識學(xué)習(xí)與安全仿真實(shí)驗(yàn)練習(xí)。將基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中操作點(diǎn)全面、安全知識豐富、涉及?；范嗟膬蓚€經(jīng)典實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為仿真實(shí)驗(yàn)，采用三維建模模擬了事故現(xiàn)場，由學(xué)生進(jìn)行虛擬仿真演習(xí)。第三步，對學(xué)生進(jìn)行線上化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全考核，發(fā)放合格證書，作為學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的準(zhǔn)入資質(zhì)。

圖1 混合式化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全課程體系

2.1 化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全講座

化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全培訓(xùn)是提高學(xué)生安全意識和承擔(dān)安全責(zé)任、預(yù)防安全事故的基礎(chǔ)性工作，面對面的講座形式有助于學(xué)生從思想上強(qiáng)化安全意識[10]。講座4學(xué)時，分別從化學(xué)安全條例與法律法規(guī)以及化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全常識兩個方面進(jìn)行介紹。

化學(xué)安全條例與法律法規(guī)由我院專職安全員講授，介紹國家法律法規(guī)與校級管理?xiàng)l例。國家法律法規(guī)重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)危險化學(xué)品安全管理?xiàng)l例、易制毒化學(xué)品管理?xiàng)l例以及易制爆危險化學(xué)品治安管理辦法等政策性法規(guī)；校級管理?xiàng)l例則針對校級管理辦法，逐個進(jìn)行安全標(biāo)準(zhǔn)化、制度化管理的介紹?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室安全常識采用案例教學(xué)法[11]，介紹化學(xué)實(shí)驗(yàn)室特點(diǎn)以及影響安全的主要因素，分析典型事故的處置方式和應(yīng)急處理程序，常見化學(xué)廢棄物的減害方法等[12,13](圖2)。

圖2 化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全系列講座

2.2 線上化學(xué)安全理論知識學(xué)習(xí)與3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

線上化學(xué)安全學(xué)習(xí)建立在仿真度高、交互性強(qiáng)、信息實(shí)時反饋的培訓(xùn)平臺上。采用遞進(jìn)式的學(xué)習(xí)路線，形成了集知識傳授、能力培養(yǎng)和素質(zhì)提高于一體的三層次教學(xué)模式。具體內(nèi)容如下：

2.2.1 實(shí)驗(yàn)安全知識學(xué)習(xí)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)安全知識學(xué)習(xí)系統(tǒng)包括學(xué)習(xí)資源與題庫練習(xí)，同時支持 PC端和移動端。學(xué)習(xí)資源在蘭州大學(xué)化學(xué)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的網(wǎng)站上(http://chemec.lzu.edu.cn/lzuet/)。學(xué)生自主進(jìn)行安全基本事項(xiàng)、消防安全、?；方榻B、典型事故分析等理論學(xué)習(xí)。題庫練習(xí)則涵蓋了安全常識、防護(hù)自救、危險品安全、輻射安全等九個方面的內(nèi)容。學(xué)生可自由選擇題庫、組建模擬考卷、練習(xí)錯題、分析成績等。

2.2.2 無機(jī)及分析化學(xué)3D虛擬仿真安全實(shí)驗(yàn)

經(jīng)典實(shí)驗(yàn)“氯化亞錫還原法測定全鐵含量——有汞法”[14]是測定鐵礦石中鐵含量的國家標(biāo)準(zhǔn)方法[15]。該方法使用了硫-磷混酸、重鉻酸鉀等強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)氧化性化學(xué)品以及劇毒品HgCl2，安全隱患極大，涉及到的安全管理?xiàng)l例紛繁復(fù)雜，大多數(shù)高校中已取消該實(shí)驗(yàn)。但該實(shí)驗(yàn)操作點(diǎn)多，安全知識豐富，本著虛擬仿真項(xiàng)目“能實(shí)不虛、虛實(shí)結(jié)合、以虛補(bǔ)實(shí)”的原則，我們將其設(shè)計(jì)為無機(jī)及分析化學(xué) 3D虛擬仿真安全實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)習(xí)各項(xiàng)安全知識，引導(dǎo)學(xué)生掌握安全防護(hù)、事故分析與處理、試劑的回收并學(xué)習(xí)相關(guān)安全條例(圖3)。

圖3 無機(jī)及分析化學(xué)3D虛擬仿真安全實(shí)驗(yàn)中的知識點(diǎn)

仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為對學(xué)生極具親和性的游戲闖關(guān)模式。實(shí)驗(yàn)開始前先進(jìn)行個人穿戴小游戲，進(jìn)行規(guī)范的實(shí)驗(yàn)室個人防護(hù)練習(xí)。其次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室安全設(shè)施的確定，學(xué)生要找出安全疏散通道、消防栓、緊急噴淋裝置等安全設(shè)施(圖4)，培育學(xué)生的安全意識。

圖4 個人防護(hù)與安全設(shè)施界面

實(shí)驗(yàn)過程中，我們設(shè)計(jì)了30步互動式虛擬仿真操作，將無機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常涉及到的安全知識設(shè)計(jì)在具體操作中。在實(shí)驗(yàn)中合理引入安全知識、設(shè)計(jì)事故險情，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行事故原因分析與規(guī)范處理。如使用鹽酸時，將無機(jī)腐蝕品以及易制毒原料的管控要求設(shè)計(jì)為互動式問題；加熱時設(shè)計(jì)了燙傷和化學(xué)燒傷的情景，要求學(xué)生對處理方法進(jìn)行選擇；實(shí)驗(yàn)中的HgCl2屬于劇毒品，學(xué)生需回答劇毒品領(lǐng)用、存儲和保管等問題，深度掌握劇毒品管理?xiàng)l例(圖5)。安全環(huán)保教育也是實(shí)驗(yàn)室安全教育的必要環(huán)節(jié)，同學(xué)需選擇化學(xué)廢棄物的回收辦法，培養(yǎng)良好環(huán)保意識和習(xí)慣。系統(tǒng)及時給出評分和錯誤反饋，同學(xué)們可及時了解安全知識與個人防護(hù)等方面的薄弱點(diǎn)。

圖5 劇毒品安全知識界面

2.2.3 有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)3D虛擬仿真安全實(shí)驗(yàn)

4-苯基-丁-2-酮的制備是經(jīng)典的有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)[14]，實(shí)驗(yàn)涉及到的安全知識點(diǎn)全面，基礎(chǔ)操作多，但由于實(shí)驗(yàn)中使用了金屬鈉、易制毒原料乙醚、有機(jī)腐蝕品氯化芐等?；罚试搶?shí)驗(yàn)在高校中的開展十分有限。將其作為有機(jī)化學(xué)安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，能較為全面地覆蓋有機(jī)實(shí)驗(yàn)中涉及到的安全內(nèi)容。

實(shí)驗(yàn)中的互動式操作共38步，真實(shí)還原了4-苯基-丁-2-酮的合成與純化的全過程，并將有機(jī)實(shí)驗(yàn)中的安全知識設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)步驟中(圖6)，如活潑金屬起火時的緊急處理方法、有機(jī)腐蝕品的防護(hù)、緊急噴淋系統(tǒng)的使用、逃生演習(xí)、帶壓實(shí)驗(yàn)的安全防護(hù)及事故處理等。

圖6 有機(jī)化學(xué)3D虛擬仿真安全實(shí)驗(yàn)中的知識點(diǎn)

如電器和油浴起火時，系統(tǒng)引導(dǎo)學(xué)生先關(guān)閉通風(fēng)櫥電源和總電源，穿消防防化服、佩戴正壓式呼吸機(jī)，并根據(jù)火情選擇正確的滅火器，學(xué)習(xí)滅火器的使用等起火事故處理方法。當(dāng)火勢過大時則提醒學(xué)生逃生，由學(xué)生選擇逃生姿勢、尋找逃生路線、演練逃生步驟。如果學(xué)生操作都正確，如何發(fā)生事故呢？為此，我們在實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了由NPC (Non-Player Character，非玩家控制角色)觸發(fā)事故的環(huán)節(jié)，如NPC將鈉倒入垃圾桶引發(fā)火災(zāi)，由學(xué)生選擇合適的滅火方式(圖7)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束，系統(tǒng)及時進(jìn)行評分和錯誤反饋。

圖7 活潑金屬著火處理場景

線上化學(xué)安全理論知識學(xué)習(xí)與3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，采用遞進(jìn)式的學(xué)習(xí)路線和多形式的教學(xué)方式，在教學(xué)內(nèi)容上環(huán)環(huán)相扣，覆蓋了基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中常見的安全操作、典型事故的處理方法，不同試劑管理方法以及相應(yīng)的環(huán)保知識，解決了安全事故演習(xí)無法大規(guī)模開展的問題。通過體驗(yàn)感和交互感強(qiáng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，極大地增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了事故防范和處理技能，拓展了實(shí)驗(yàn)安全知識的廣度和深度。

題庫與兩個虛擬仿真實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的“化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全教育互動式 3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目，作為共享資源，在國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目平臺上(http://www.ilab-x.com/details/v5?id=3827)面向全社會開放。

2.3 化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全考核

課程考核合格是學(xué)生進(jìn)入教學(xué)和科研實(shí)驗(yàn)室的先決條件。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，線上考試系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[16]。本課程考核體系由三部分構(gòu)成，分別是理論知識考核、無機(jī)及分析化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)考核以及有機(jī)化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)考核。理論知識考題包括判斷題、單選題和多選題，系統(tǒng)隨機(jī)生成試卷。兩個虛擬仿真實(shí)驗(yàn)考試均在無操作引導(dǎo)的考試平臺進(jìn)行。每項(xiàng)考核時限均為30分鐘，成績以百分計(jì)，每項(xiàng)考核的合格線均設(shè)定為90分。線上考核的考試時間約持續(xù)2-3周，在此時間范圍內(nèi)，考試次數(shù)不限。當(dāng)三項(xiàng)考核成績均大于90分時，整體考核合格，系統(tǒng)自動計(jì)算總評成績，同時頒發(fā)合格證書。

在線考核實(shí)現(xiàn)了考試過程的動態(tài)管理與過程評分。教師可及時準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)學(xué)生的掌握情況，并通過數(shù)據(jù)分析算法評測學(xué)生的考核結(jié)果，為教師進(jìn)一步改進(jìn)課程設(shè)計(jì)、深入開展教學(xué)改革提供數(shù)據(jù)支持(圖 8)。

圖8 2019級化學(xué)化工學(xué)院學(xué)生安全考核通過率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 課程應(yīng)用與推廣

本課程采取了理論與實(shí)踐結(jié)合、線上與線下融合的教學(xué)方法，內(nèi)容豐富，方式方法多樣，顯著提升了教學(xué)效果，學(xué)生在興趣中主動、快樂地掌握各項(xiàng)安全技能。線下講座能讓學(xué)生直觀地認(rèn)識安全教育的重要性；線上學(xué)習(xí)與考核，有利于學(xué)生自主安排學(xué)習(xí)時間、拓展安全知識的深度與廣度。同學(xué)們對這種教學(xué)方法給予了充分的肯定，并提出了寶貴的意見和建議。通過安全課程的學(xué)習(xí)，我們發(fā)現(xiàn)同學(xué)們在實(shí)驗(yàn)中個人防護(hù)措施更加主動、專業(yè)，對各類試劑的使用更加科學(xué)、謹(jǐn)慎，表現(xiàn)出良好的安全意識和安全素質(zhì)。

本課程自 2018年建成以來，一直應(yīng)用于本校即將進(jìn)入化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的本科生與研究生的安全培訓(xùn)中，歷時兩年的不斷改進(jìn)與完善，界面更友好，操作更簡單，評分更科學(xué)，內(nèi)容更豐富。如在理論學(xué)習(xí)中增加了輻射安全的內(nèi)容，在虛擬實(shí)驗(yàn)中增加了常見化學(xué)燒傷的發(fā)生與處理，MSDS (危險品化學(xué)安全技術(shù)說明書)的應(yīng)用與查閱等內(nèi)容。目前該課程已設(shè)立為18學(xué)時的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全培訓(xùn)課，是學(xué)生進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)的前期必修課程。

依托于國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享平臺上的“化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全教育互動式 3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”，一直面向高校和社會免費(fèi)開放。2018年，該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為第六屆甘肅省化學(xué)競賽實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的考核項(xiàng)目之一，取得了良好的社會反響。

4 結(jié)語

充分利用虛擬仿真技術(shù)開發(fā)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)安全課程，采用講授與自主學(xué)習(xí)相結(jié)合的混合式教學(xué)方式，構(gòu)建并實(shí)現(xiàn)了知識學(xué)習(xí)的客觀評價與模擬演練的主觀評價相結(jié)合的教學(xué)體系。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺開放度高，界面友好，全面提升了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，增強(qiáng)了安全事故防范意識，并深度掌握化學(xué)理論安全知識和事故處理技能，養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)安全與環(huán)保習(xí)慣，對環(huán)保型社會建設(shè)有重要意義。本課程教學(xué)平臺和資源將繼續(xù)向社會開放，以全面發(fā)揮其安全教育教學(xué)效能。