實驗室安全虛擬仿真項目開發(fā)及應(yīng)用

袁桃花，吳遵秋，孫見飛，鐘 曦，許志玲，吳 寧

(貴州醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心， 貴陽 550025； △通訊作者)

實驗室安全是高校開展科教工作的基礎(chǔ)。近年來，安全事故高頻發(fā)生，使許多年輕鮮活的生命憾然離世，同時也造成了國家財產(chǎn)的重大損失，引發(fā)社會高度關(guān)注[1，2]。在高校如此重視實驗室安全的情況下，事故仍然頻發(fā)，我們究其緣由：首先，管理層面大多流于形式，執(zhí)行力度不夠；其次，教學(xué)方式單一，基本上屬于教師上課，學(xué)生聽講的“填鴨式”教學(xué)，從而導(dǎo)致了學(xué)生學(xué)習(xí)被動、學(xué)習(xí)效率低下；此外，師生實驗室安全意識薄弱，責(zé)任意識不強(qiáng)，導(dǎo)致學(xué)習(xí)內(nèi)在動力不足。因此，實驗安全教育成為教學(xué)的重中之重，提高師生安全意識成為當(dāng)務(wù)之急，拓寬學(xué)生主動掌握實驗室安全知識途徑迫在眉睫。虛擬仿真技術(shù)被公認(rèn)為是21世紀(jì)影響社會發(fā)展的重要技術(shù)之一，在“互聯(lián)網(wǎng)+”推動下，虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高校實驗教學(xué)[3，4]。本項目組充分利用虛擬仿真實驗可重復(fù)操作、再現(xiàn)難以復(fù)制的實驗安全事故事件等優(yōu)勢，結(jié)合實驗室安全教育，研發(fā)實驗室安全虛擬仿真項目，旨在拓寬學(xué)生學(xué)習(xí)途徑，為實驗室安全、管理與教育提供指導(dǎo)意義。

1 實驗室安全教學(xué)與管理現(xiàn)狀研究

高校實驗室是安全事故發(fā)生較為集中的場所，大量來自不同學(xué)科方向、實驗技術(shù)水平的學(xué)生在此從事科研、實踐活動，提高他們安全責(zé)任意識是保障實驗室安全的前提條件之一[5，6]。針對實驗室安全教育，多數(shù)高校進(jìn)行了不同形式與程度的建設(shè)工作。首先，實驗室開設(shè)安全教學(xué)課程，進(jìn)行集中講座、專題培訓(xùn)、橫幅宣傳、安全準(zhǔn)則學(xué)習(xí)等，但教學(xué)內(nèi)容多停留在實驗室安全基礎(chǔ)知識、實驗室化學(xué)品、實驗室廢棄物、實驗室常用儀器設(shè)備操作等安全通識教育層面，專業(yè)針對性不強(qiáng)，且教學(xué)方式單一，基本上屬于教師上課，學(xué)生聽講的“填鴨式”教學(xué)，從而導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)被動、學(xué)習(xí)效率低下。部分高校引入防化裝備穿戴、火災(zāi)逃生演習(xí)、滅火器及噴淋裝置使用等實戰(zhàn)演練環(huán)節(jié)[6-8]，但實訓(xùn)內(nèi)容相對單一。而針對實驗室安全事故的操作演練對場地、設(shè)備、器材和現(xiàn)場組織要求極高、代價較大，因此，無法提供大面積學(xué)生反復(fù)練習(xí)的條件[9-13]。所以實驗室安全教育仍然輕實踐實訓(xùn)，多屬于“一過性教學(xué)”。學(xué)生實驗室安全意識朦朧，正確識別實驗室安全問題、熟練掌握實驗室安全問題預(yù)防、控制、處理的能力不足[11]。其次，師生實驗室安全意識薄弱，認(rèn)為實驗室安全事故是偶然事件，是別人的事情，與自己關(guān)系不大，責(zé)任意識不強(qiáng)導(dǎo)致學(xué)習(xí)內(nèi)在動力不足[7-10]。第三，雖然各大高校對實驗室安全重視度提高，相繼完善并細(xì)化針對師生及管理者的各項實驗室條例和規(guī)定，但大多流于形式，管理執(zhí)行力度不夠；而多數(shù)高校設(shè)立基于實驗室安全考試合格后簽訂實驗室安全承諾書的嚴(yán)格準(zhǔn)入制度對學(xué)生進(jìn)行評估及管理，但實驗室安全考核多采取“強(qiáng)制考”形式，學(xué)生存在反抗心理，厭惡學(xué)習(xí)；且考核形式及內(nèi)容單一，多為試題考核，而事故的具體處理措施相對薄弱，培訓(xùn)上踐行和演習(xí)偏少，大部分內(nèi)容停留在理論階段[14-16]。最后，高校對實驗室儀器管理及培訓(xùn)多針對高端大型儀器，小型儀器操作簡單，但使用頻繁，故障率高，而管理及培訓(xùn)容易被忽視，存在盲區(qū)，導(dǎo)致安全事故發(fā)生[16，17]。因此，將現(xiàn)代信息技術(shù)智能化管理方式引入輔助管理及進(jìn)行安全教學(xué)、培訓(xùn)尤為重要[16，17]。

2 我校實驗室安全虛擬仿真項目開發(fā)

2.1 實驗室安全虛擬仿真教學(xué)共享平臺建設(shè)思路

高校實驗室安全事故頻發(fā)，如何更好地實現(xiàn)實驗室安全培訓(xùn)時效性與提高管理效率成為各大高校教師及管理者甚至整個社會思考的重要問題。我?；诨A(chǔ)醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)中心整體層面，以虛擬仿真實驗教學(xué)中心為平臺，以我?；瘜W(xué)與生物化學(xué)實驗室、機(jī)能學(xué)實驗室、感染與免疫學(xué)實驗室、多媒體形態(tài)學(xué)實驗室、人體解剖學(xué)實驗室共5個實體實驗室安全問題為載體，與上海夢之路公司合作構(gòu)建了基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實驗室安全虛擬項目。

2.2 實驗室安全虛擬仿真項目的內(nèi)容

我校實驗室安全虛擬仿真教學(xué)項目有四個模塊：賬號登入模塊、教學(xué)及練習(xí)模塊、考核模塊和后臺管理模塊。項目開發(fā)旨在通過虛擬仿真實驗操作培養(yǎng)學(xué)生實驗室安全意識，訓(xùn)練學(xué)生掌握實驗室安全基本操作，搭建各實驗室安全考核評價體系。

2.2.1 賬號登入模塊 賬號登入模塊中，管理人員負(fù)責(zé)錄入學(xué)員信息，是實驗室安全虛擬仿真平臺進(jìn)入的前端。學(xué)員獲得使用認(rèn)證許可后，可進(jìn)入平臺學(xué)習(xí)，并實現(xiàn)實時檢測及查看學(xué)習(xí)情況。

2.2.2 教學(xué)及練習(xí)模塊 教學(xué)及練習(xí)模塊具有較強(qiáng)覆蓋面，實驗室安全教育包含實驗室通識模塊、專業(yè)模塊。學(xué)生可針對性選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容，逐一擊破，提升技能。①案例庫：展示歷年來各大高校發(fā)生的安全事故案例，可供學(xué)生進(jìn)行分析和討論，以便從中吸取經(jīng)驗教訓(xùn)，讓學(xué)生意識到安全問題不容忽視，時刻保持警鐘長鳴；②實驗室安全基本常識(通識模塊)：包括防火、防電、防爆、動物倫理等通識實驗室安全問題；③各實驗室安全問題(專業(yè)模塊)：以我校中心五個實驗室(化學(xué)與生物化學(xué)實驗室、機(jī)能學(xué)實驗室、感染與免疫學(xué)實驗室、多媒體形態(tài)學(xué)實驗室、人體解剖學(xué)實驗室)的安全問題為載體，構(gòu)建本模塊。每個實驗室安全問題都包括三個方面：實驗室儀器、實驗室試劑和實驗室廢物處理。虛擬項目學(xué)習(xí)以化學(xué)與生物化學(xué)實驗室儀器使用說明為例，點擊“化學(xué)與生物化學(xué)實驗室”進(jìn)入界面，再點擊“實驗室儀器”，可以看到離心機(jī)、超凈工作臺、恒溫水浴鍋等實驗室常規(guī)儀器設(shè)備的模塊。如點擊離心機(jī)，包括三個部分：離心機(jī)的正確操作流程、易出現(xiàn)的錯誤操作和操作錯誤的應(yīng)急處理。每個模塊采取以虛代實、以虛補(bǔ)實、以虛驗實的虛實結(jié)合方式，將不能或難以實現(xiàn)的場景虛擬化、枯燥的知識和技能學(xué)習(xí)趣味化，使學(xué)生在高度仿真的實景中自主學(xué)習(xí)、操作、檢測、訓(xùn)練，不僅提高學(xué)習(xí)興趣，還極大提升學(xué)習(xí)的主動性；模塊分區(qū)明確，使學(xué)生可以選擇性學(xué)習(xí)，專業(yè)針對性強(qiáng)；模塊內(nèi)容全面，可以彌補(bǔ)培訓(xùn)、管理中容易被忽視的盲區(qū)；同時每個模塊設(shè)置相應(yīng)測試題，提示匹配內(nèi)容，項目具有較強(qiáng)的智能化，能做到“教、學(xué)、練、考”同步化，提高學(xué)生學(xué)習(xí)及教師教學(xué)、培訓(xùn)、管理的效率。

2.2.3 考核模塊 考核模塊即評價體系，包含虛擬操作考核評分、實驗室安全小助手、試題庫以及實驗室逃亡。虛擬操作考核評分，是在虛擬操作過程中設(shè)置了安全問題，可以對學(xué)生單個項目的掌握情況進(jìn)行考核。實驗室安全小助手，即視頻上的小機(jī)器人可以隨時檢測出學(xué)生對整個項目的學(xué)習(xí)情況，等級越高，說明學(xué)生學(xué)習(xí)的知識點越多。試題庫包含各實驗室安全問題，教師可以隨機(jī)抽取試卷對學(xué)生進(jìn)行考試。實驗室逃亡是游戲化實驗考核，具有較強(qiáng)體驗感及可操性。學(xué)生在玩游戲體驗的同時又可以學(xué)習(xí)到知識，極大增強(qiáng)學(xué)習(xí)及探究的興趣。教師通過以上評價體系全面綜合地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，評價合格者即可獲得實驗室準(zhǔn)入資格。

2.2.4 管理模塊 平臺使用人員包括系統(tǒng)管理員、實驗教師、學(xué)生。其中系統(tǒng)管理員權(quán)限最大，系統(tǒng)管理員可實現(xiàn)師生管理。教師可實現(xiàn)學(xué)生管理、系統(tǒng)設(shè)置、實驗庫維護(hù)、資源管理數(shù)字化等功能，同時匹配相應(yīng)的實驗室使用準(zhǔn)入認(rèn)證平臺，以提高管理效率，實現(xiàn)平臺管理的智能化、數(shù)字化、有序化、規(guī)范化、一體化。

3 我校實驗室安全虛擬仿真項目的實踐運(yùn)用

3.1 項目實踐運(yùn)用

我校實驗室安全教學(xué)分課前、中、后3個階段，采用學(xué)生自主學(xué)習(xí)與教師引導(dǎo)相結(jié)合、虛擬操作與實體實踐相結(jié)合的線上線下混合式教學(xué)方式。課前教師借助雨課堂、學(xué)習(xí)通等發(fā)布教學(xué)任務(wù)，學(xué)生進(jìn)行線上自主學(xué)習(xí)，提出反饋，教師批閱收集典型問題。課中教師進(jìn)行線下課程講授及線上實驗室安全虛擬仿真項目虛擬操作。虛擬學(xué)習(xí)采取學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主的方式，學(xué)生主動學(xué)習(xí)實驗室安全知識，完成實驗室安全考核，并在線下實體演練，以師生互動形式，分析討論線上學(xué)習(xí)內(nèi)容，并應(yīng)用于實踐教學(xué)中。課后教師發(fā)布學(xué)習(xí)內(nèi)容，答疑解惑，同時鼓勵學(xué)生參與虛擬項目研發(fā)。線上線下混合式教學(xué)方式+虛實結(jié)合學(xué)習(xí)方式配合使用，有利于實驗室安全教育貫穿整個實驗教學(xué)活動中。而目前我校實驗室安全虛擬仿真項目使用專業(yè)廣，面向全校27個專業(yè)開放，與多所高校實現(xiàn)資源共享，取得良好教學(xué)效果，使用量高達(dá)160 000余人次，學(xué)生反饋良好。

3.2 項目運(yùn)用優(yōu)勢

我校實驗室安全虛擬仿真項目自研發(fā)成功，就投入實驗室安全教學(xué)與管理中使用，具有以下優(yōu)勢。

3.2.1 “學(xué)生-教師-企業(yè)”共同研發(fā)模式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動性 項目采用“學(xué)生-教師-企業(yè)”共同研發(fā)模式。學(xué)生既是項目的服務(wù)對象，又是項目研發(fā)的主體，情景重現(xiàn)、腳本撰寫、案例庫建設(shè)等工作都是以學(xué)生為主體來完成的。這樣的研發(fā)模式極大提高學(xué)生的主動性，增強(qiáng)其學(xué)習(xí)內(nèi)在驅(qū)動力。

3.2.2 設(shè)計形式多樣化，豐富教學(xué)手段 項目基于實驗室安全基本內(nèi)容，恰當(dāng)結(jié)合真實情景再現(xiàn)、虛擬操作、游戲闖關(guān)等環(huán)節(jié)，知識點依托載體形式多樣化，拓寬學(xué)習(xí)途徑，增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率，同時豐富教師教學(xué)方式與手段。

3.2.3 考評體系多元化，實現(xiàn)全面靈活測評 考評體系包含虛擬操作考核評分、實驗室安全小助手、試題庫以及實驗室逃亡。項目集線上操作與線下討論相結(jié)合、虛擬操作與游戲過關(guān)相結(jié)合、線上學(xué)習(xí)與線下實踐相結(jié)合等方面，形式多元化?？荚u方式靈活，知識點涵蓋豐富，可以實現(xiàn)對學(xué)生整個學(xué)習(xí)過程進(jìn)行分析評價，以形成性成績與最終成績相結(jié)合來展現(xiàn)學(xué)習(xí)效果，體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性、參與性、創(chuàng)新性，較全面地評價學(xué)生學(xué)習(xí)情況。

3.2.4 教學(xué)內(nèi)容虛擬化，彌補(bǔ)傳統(tǒng)安全教育實踐教學(xué)不足的短板 虛擬仿真技術(shù)將實驗室事故進(jìn)行場景模擬，教學(xué)從“案例庫”進(jìn)入，引發(fā)學(xué)生思考，進(jìn)一步進(jìn)入虛擬場景中學(xué)習(xí)安全知識，使學(xué)生在學(xué)習(xí)中直面危險，尋找消除事故發(fā)生的方式方法，從而達(dá)到鍛煉技能的目的，改變了以教師為主、學(xué)生為輔的傳統(tǒng)“填鴨式”教學(xué)模式，采用以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主、教師引導(dǎo)為輔的開放式教學(xué)模式，充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)在驅(qū)動力。

3.2.5 突破時域、空域、地域限制，使安全教育與管理更為開放 只要有網(wǎng)絡(luò)、電腦等設(shè)備，學(xué)生可以隨時、隨地根據(jù)需要進(jìn)行學(xué)習(xí)，反復(fù)演練、鞏固，循序漸進(jìn)，掌握實驗室安全知識。教師可以在線分析學(xué)生學(xué)情，及時調(diào)整教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)模式，多角度、多層次地開展教學(xué)。同時，實驗室管理應(yīng)用智能化技術(shù)，管理人可以打破時空限制，實現(xiàn)線上智能化管理與培訓(xùn)，簡化管理的同時提高管理質(zhì)量與效率。

虛擬仿真實驗室安全課程做到虛實有效結(jié)合，在線下教學(xué)與線上線下開放式網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相結(jié)合的混合模式下，有利于充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)實驗室安全知識的積極性，最大限度地激發(fā)學(xué)生的好奇心與探究興趣，提高教與學(xué)的效率，同時簡化實驗室管理的繁瑣細(xì)節(jié)[18-21]。我校實驗室安全虛擬仿真項目在實驗室安全教學(xué)中取得良好的教學(xué)效果，學(xué)生反饋良好，同時多元化考核評價體系對實驗室管理起到重要輔助作用。目前，本項目已經(jīng)完成生物化學(xué)實驗室安全虛擬仿真項目，其他學(xué)科實驗室安全虛擬仿真項目正在策劃建設(shè)中，并不斷深入挖掘完善虛擬仿真實驗室評價體系，破除壁壘，豐富功能，完善平臺，爭取在更多高校中推廣實施，成為實驗室安全教學(xué)與準(zhǔn)入工作中高效的管理和組織手段。