“新工科”視域下STEM教育融入“實驗室安全”課程建設(shè)的探索和實踐

陶濤

南京信息工程大學化學與材料學院，南京 210044

2016年中國正式加入國際工程教育《華盛頓協(xié)議》，目前已建成世界最大規(guī)模的工程教育體系，正在由工程教育大國邁向強國[1]。隨著工程教育的發(fā)展，“新工科”這一概念成為高校專業(yè)改革的新方向，“新工科”專業(yè)建設(shè)關(guān)鍵在“新”，需要建設(shè)新課程、新教材等以迎接和應對產(chǎn)業(yè)發(fā)展新階段對工程人才培養(yǎng)提出的新需求。在人才培養(yǎng)方案總學分調(diào)減的情況下，打造“金課”、淘汰“水課”，是深化課堂教學改革的必由之路。實驗室安全、安全工程等安全教育類課程內(nèi)容偏重說教，教學形式陳舊，針對性、前瞻性、交叉性和趣味性不足，學生學習興趣低，教學效果不明顯，是否應納入“水課”范疇予以調(diào)整呢？

一方面高校實驗室安全工作任重道遠，直接關(guān)系到學校和學院的人才培養(yǎng)、學科建設(shè)等工作的推進，同時實驗室安全事故時有發(fā)生，包括爆炸事故、火災事故、?；肥鹿实?，安全形勢不容樂觀。另一方面《教育部關(guān)于加強高校實驗室安全工作的意見》(教技函〔2019〕36號)明確指出：對涉及有毒有害化學品等各種危險源的專業(yè)，逐步將安全教育有關(guān)課程納入人才培養(yǎng)方案。在《高校教學實驗室安全工作檢查要點》中，涉及化學、生物、輻射等專業(yè)開設(shè)相應的必修或選修課成為安全教育的重要組成部分。

培養(yǎng)目標和實現(xiàn)困境促使實驗室安全類課程改革勢在必行。近五年，本教研組在一流專業(yè)建設(shè)和工程認證專業(yè)建設(shè)下，對實驗室安全課堂內(nèi)容與形式進行了全方位改革，探索了“新工科”視域下STEM教育融入“實驗室安全”課程建設(shè)的各種舉措，為化學材料類專業(yè)實驗室安全教育提供了經(jīng)驗借鑒。

1 新工科與STEM教育

1.1 關(guān)于新工科

為應對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革以及促進服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動的發(fā)展，“新工科”這一概念應運而生。2017年2月18日以來，教育部積極推進新工科建設(shè)，先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，并發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》《關(guān)于推薦新工科研究與實踐項目的通知》，全力探索形成領(lǐng)跑全球工程教育的中國模式、中國經(jīng)驗，助力高等教育強國建設(shè)。不僅在中國高校，麻省理工學院提出新工程教育轉(zhuǎn)型計劃(NEET,2017)，佐治亞理工學院開創(chuàng)未來教育行動(CNE,2018)，倫敦大學學院提出綜合工程項目(IEP,2018)，面對新一輪科技革命，全球工程教育正處在積極應變、求變之中[2,3]。

新工科專業(yè)建設(shè)至少包含兩個維度：一方面是對傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級再造，另一方面是根據(jù)經(jīng)濟發(fā)展需求設(shè)置相應的新專業(yè)。不論是“翻新”還是“建新”，新工科專業(yè)建設(shè)的核心是培養(yǎng)國家發(fā)展亟需的工程科技人才，關(guān)鍵在于創(chuàng)新工程教育實踐的新理念以及新標準。2021年7月27日，教育部副部長、高教司原司長吳巖在中國校企協(xié)同創(chuàng)新大會上發(fā)表題為《建好現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學院，提供高質(zhì)量人才支撐》主旨演講，明確將現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學院建設(shè)作為新工科建設(shè)的一項戰(zhàn)略布局，并將課程建設(shè)作為重要抓手。按照新理念和新標準建設(shè)的課程、教材以及探索課程資源建設(shè)新形態(tài)，服務(wù)于傳統(tǒng)工科專業(yè)和新專業(yè)，均極大地促進了新工科建設(shè)；反之，按照傳統(tǒng)單一規(guī)格、填鴨式思路所建設(shè)的課程即使服務(wù)于新工科專業(yè)，也是制約了新工科專業(yè)的發(fā)展，未來必須要進行優(yōu)化和調(diào)整。

1.2 關(guān)于STEM教育

STEM是科學(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)和數(shù)學(Mathematic)四門學科的簡稱，STEM教育并非四門學科的簡單相加，而是高度融合科學、技術(shù)、工程和數(shù)學等多學科交叉知識的完整有機體。STEM教育強調(diào)多學科的交叉融合，培養(yǎng)學生交叉的學科背景、創(chuàng)新精神和綜合實踐能力。因為未來職業(yè)所面臨的諸多復雜工程問題，并不只是單純的工程問題，有的問題也不限于科技問題，可能涉及歷史、文化、管理等方面。STEM教育作為一種跨學科教育整合的典范備受各國教育界的關(guān)注，已經(jīng)成為很多發(fā)達國家保持競爭力的戰(zhàn)略選擇，美國在全球STEM教育發(fā)展中起到引領(lǐng)作用，并將STEM教育提升到國家戰(zhàn)略的高度。中國也愈加重視STEM教育，并于2017年6月20日，發(fā)布了《中國STEM教育白皮書》，提出了“中國STEM教育2029計劃”[4]。

STEM教育和新工科在理念和目標層面高度契合。新工科不再停留在傳統(tǒng)單一工科內(nèi)部，主要是通過重新定義傳統(tǒng)工程教育的理念以及解決時代發(fā)展中產(chǎn)生的新需求，來應對新一輪的科學技術(shù)革命與產(chǎn)業(yè)變革以及促進服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動的發(fā)展。余勝泉等[5]提出STEM教育應強調(diào)跨學科理念的課程整合，注重多方參與的培養(yǎng)機制，并確保課程統(tǒng)一的標準化建設(shè)。STEM教育不再停留在單一學科內(nèi)部，主要是通過加強科學、技術(shù)、工程、數(shù)學等學科之間的聯(lián)系，打通學科之間的壁壘，幫助學習者綜合運用多學科領(lǐng)域知識解決現(xiàn)實情境中的復雜問題，提高學習者知識整合與應用的能力。

1.3 實驗安全課堂改革

目前實驗室安全類課程存在如下問題：(1)教學內(nèi)容的針對性、前瞻性、交叉性和趣味性不足，多數(shù)知識停留在“要什么”和“不要什么”，而沒有深入到“為什么”，以致于學生進入實驗室實操還是會犯低級錯誤；(2)教學形式過于陳舊，考試內(nèi)容或評價方式偏重記識性，主觀題或非標考試等新方式在此類課程中研究和探索得較少；(3)學生學習興趣低落，學習投入不足，往往“低頭族”較多，課堂的參與度和互動率較低；(4)課程師資都為專任教師，但是既懂化學類專業(yè)又懂安全實操業(yè)務(wù)的專家偏少。

實驗室安全課堂改革關(guān)鍵在于確立以學為中心、以生為本的理念，在畢業(yè)總學分調(diào)減，為學生實踐提供空間的大背景下，改變傳統(tǒng)教學設(shè)計的目標定位，辯證做好課程內(nèi)容設(shè)置的“加減法”，砍掉空洞的理論說教，用案例、推理、演示等手段讓學生由感性到理性的認知，強化課程的系統(tǒng)性和對培養(yǎng)目標的支撐度，把從事實驗室工作、化工生產(chǎn)中的安全意識、安全技能和人格價值塑造、科學原理探究、工程技術(shù)運用有機融合，滲透于教學過程。特別是針對涉及有毒有害化學品、動物及病原微生物、放射源及射線裝置、危險性機械加工裝置、高壓容器等各種危險源的不同專業(yè)，開發(fā)不同學時、不同側(cè)重點的專業(yè)課程群，逐步將安全教育有關(guān)課程納入人才培養(yǎng)方案。

2 優(yōu)化實驗室安全知識體系

2.1 科學發(fā)現(xiàn)知識融入

實驗室安全作為專業(yè)課必須體現(xiàn)科學性。以氧氣的發(fā)現(xiàn)為例，在空氣中有氧氣、氮氣和其他稀有氣體，氧氣作為助燃劑是燃燒的必要條件之一，二氧化碳滅火器為什么能阻止燃燒，這些科學內(nèi)容都與實驗室安全息息相關(guān)。以微生物的發(fā)現(xiàn)為例，在兩個圓瓶里分別灌進酵母湯，一個敞口，一個密封，同時煮沸幾分鐘后擱置適當時間，敞口瓶里有微生物生長，而密封瓶里沒有。使用曲頸瓶重復以上實驗，瓶里也沒有微生物生長。通過實驗驗證使培養(yǎng)液變質(zhì)的細菌不是自生的，而是來自空氣，從而進一步加深學生對空氣的理解，即空氣中不僅含有氣體，還存在微生物和氣溶膠等。

2.2 檢測技術(shù)知識融入

實驗室安全作為專業(yè)課必須體現(xiàn)技術(shù)性。揮發(fā)性有機物(VOCs)不僅存在于實驗室中，生活中燃料的燃燒、烹調(diào)油煙和裝飾材料、家具等都會釋放VOCs，對人體健康潛在威脅大。把揮發(fā)性有機物檢測技術(shù)作為教學內(nèi)容，包括測定空氣中甲醛常用的方法，如酚試劑分光光度法、乙酰丙酮分光光度法、氣相色譜法和離子色譜法等。在掌握氣體污染物、水中污染物檢測技術(shù)的原理與應用之后再問學生，實驗室中為什么試劑瓶不能敞口放置，為什么做實驗的時候需要戴護目鏡、穿實驗服、帶手套。通過基礎(chǔ)物理、化學分析、儀器分析等知識的融入，提高了實驗室安全課堂的科技含量，學生的主觀能動性被調(diào)動起來，開始認真嚴謹?shù)厮伎己吞接懓踩芾碇械囊恍┚唧w的安全技術(shù)問題。

2.3 工程實踐知識融入

實驗室安全作為專業(yè)課必須體現(xiàn)實操性。課程主要對象是理工科大一、大二的學生，結(jié)合學生所學高等數(shù)學、工程制圖以及程序設(shè)計等基礎(chǔ)知識，創(chuàng)設(shè)工程實踐教學情境旨在增強學生對實驗室安全環(huán)境的認知，并結(jié)合項目式教學同步開展。在教學實踐中，結(jié)合學生專業(yè)情況，進行設(shè)計類和調(diào)查類工程知識的融入。設(shè)計類題目：如何設(shè)計一個中學化學實驗室/無機與分析化學實驗室？學生需要利用計算機輔助設(shè)計(CDA)進行制圖，根據(jù)結(jié)構(gòu)與設(shè)計、采光與通風、安全通道與安全出口、配電和電氣設(shè)備、監(jiān)控和報警系統(tǒng)、實驗家具與給排水等方面給予作業(yè)評價。對于非化學材料類專業(yè)學生，考慮適當降低難度，如何設(shè)計一個“當心紫外線傷害”或“切勿醉酒做實驗”的實驗室安全標識？調(diào)查類題目：城市地鐵內(nèi)VOCs調(diào)查；學校內(nèi)超凈間的分布與使用調(diào)查；某石油化工廠安全生產(chǎn)管理調(diào)查等。通過實驗室安全實操性的探索與嘗試，將安全教育融入到實習實訓中。

2.4 數(shù)學原理知識融入

實驗室安全作為專業(yè)課必須體現(xiàn)基礎(chǔ)性。海恩法則和墨菲定律在安全管理中被反復提及，其本身不復雜，但是在課程中對無管理經(jīng)驗、無實操經(jīng)驗的學生講解，學生很難理解，這就需要做一下數(shù)學上的解釋，創(chuàng)設(shè)特定的情境，讓學生真正理解并掌握。假設(shè)學生所在的實驗室每次發(fā)生安全事故的概率P=5×10-7，即兩百萬分之一，那么實驗室正常運行的概率為1 -P=0.9999995。經(jīng)過數(shù)學計算，在1萬次實驗中，全部安全的概率為PN=99.5%，不安全的概率為1 -PN=0.5%；在10萬次實驗中，全部安全的概率為PN=95%，不安全的概率為1 -PN=5%；在100萬次實驗中，全部安全的概率為PN=61%，不安全的概率為1 -PN=39%；在1000萬次實驗中，全部安全的概率為PN=0.67%，不安全的概率為1 -PN=99.33%。這就預示著只要樣本足夠大，存在發(fā)生事故的概率，事故就一定會發(fā)生。全國約有2000所高校，假設(shè)每所高校有100間實驗室，一年365天，即相當于樣本有7300萬，所以發(fā)生事故是必然。

只要存在發(fā)生事故的概率，事故就一定會發(fā)生，而且不管其可能性多么小，它總會發(fā)生，并造成最大可能的損失，這就是墨菲定律。海恩法則指出：每一起嚴重事故的背后，必然有29次輕微事故和300起未遂先兆以及1000起事故隱患。也就是說，嚴重事故發(fā)生的概率是事故隱患存在概率的千分之一。假設(shè)事故隱患的概率是萬分之一，那么嚴重事故的概率是千萬分之一，按照上述數(shù)學推理，全部安全和不安全的概率分別又是多少？通過上述方式，學生能夠?qū)６鞣▌t和墨菲定律有理性認識，從而建立科學嚴謹?shù)膶嶒炇野踩^，不僅明白“千里之堤，潰于蟻穴”的道理，而且也明白“任何不安全事故都是可以預防的”。

2.5 前沿交叉知識融入

實驗室安全作為專業(yè)課必須體現(xiàn)前瞻性。冠狀病毒的直徑約為0.125 μm，口罩的孔徑約為10 μm，為什么說戴口罩能預防新冠病毒？把口罩作為教學內(nèi)容引進入實驗室安全課程，有助于將個人防護裝備(Personal Protective Equipment，PPE)與生活實際結(jié)合起來。天然產(chǎn)生的飛沫大小不等，打噴嚏可能會產(chǎn)生多達4萬個直徑在0.5–12 μm之間的飛沫?？谡止ぷ鞯脑聿粌H是像過篩子一樣，還有靜電吸附作用，可以過濾比熔噴布纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更細的顆粒物。此外，化學品進入人體內(nèi)一般有三種途徑：(1)食入(吞咽)；(2)吸入(呼吸)；(3)皮膚接觸。以多環(huán)芳烴(Polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)為例，是在煤炭、石油、汽油、垃圾、煙草以及木材燃燒過程中釋放出來的化學污染物，此外，高溫烹飪過程，肉類和其他食物燒烤中也會生成多環(huán)芳烴。在燒烤中，經(jīng)皮膚接觸的芴、菲、芘攝入比分別為0.11、0.036、0.043，整體低于食入攝入比0.38、0.14、0.060，但是要高于吸入攝入比0.097、0.016、0.025[6]。炭火燒烤產(chǎn)生的煙霧，會附著在我們的衣物上，人體通過皮膚吸收致癌物，并且通過皮膚吸收的量會比通過呼吸道吸入的更多。同理在實驗室做實驗，實驗服、長褲、合適的鞋、護目鏡等必不可少，拖鞋、涼鞋，以及短褲和短袖上衣均增加了皮膚的暴露風險。通過有理有據(jù)有趣的教學內(nèi)容(表1)，讓學生知其然，更知其所以然。

表1 STEM教育融入實驗室安全課程教學設(shè)計

3 變革實驗室安全教學范式

3.1 浸潤式教學

在虛實結(jié)合的浸潤式教學方面，教育界的同行已經(jīng)開展了很多卓有成效的嘗試。如常州大學化工虛擬仿真實驗教學中心入選首批國家級虛擬仿真實驗教學示范中心，南京信息工程大學智慧工廠虛擬實訓項目入選國家級虛擬仿真實驗教學項目。在校內(nèi)建有綜合觀測基地，以及毗鄰化工園區(qū)的優(yōu)勢，使用真實生產(chǎn)線等環(huán)境開展浸潤式實景、實操、實地教學，推進學生浸潤式工程體驗。

與此同時，結(jié)合計算機圖形學、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和多傳感器技術(shù)等先進科技，以“走進化學實驗室”虛擬現(xiàn)實技術(shù)為藍本，將知識與情境結(jié)合起來，讓學生身臨其中，在情境中學習，嘗試一種全景式的實驗學習模式，改變傳統(tǒng)學習方式(圖1)。采用三維情境式設(shè)計，身臨其境；以真實、規(guī)范的化學實驗室為仿真對象，包括無機化學、分析化學、有機化學、物理化學實驗室等常見儀器設(shè)備(表2)，內(nèi)容豐富，真實感強；在虛擬實驗室可自由走動，自主操作，自主學習，隨心所欲；在這里，你可以在實驗室中漫游、駐足，觀察；你不但看得到儀器設(shè)備，學習有關(guān)知識，還可作為安全手冊、使用手冊、數(shù)據(jù)手冊使用；可以學習儀器設(shè)備的操作使用，了解安全注意事項。獲得多方面的感受，讓學習不再枯燥，在虛實結(jié)合的浸潤式體驗中完成學習目標，讓學習變得有趣、生動。

圖1 實驗室安全情境式、互動式、浸潤式教學

表2 實驗室安全虛擬現(xiàn)實(VR)體驗系統(tǒng)項目一覽表

3.2 案例式教學

實驗室安全的案例資源較多，但是單純的宣讀式、灌輸式的實驗安全教育收效甚微。阮俊等[7]認為安全案例教育存在事故不大不重視、規(guī)避責任瞞事故、趨好名譽不正視等問題，應該從改變方式、杜絕瞞報、客觀分析、加強宣傳等方面讓安全案例發(fā)揮其最大的警示價值。

在教學實踐中，我們選取高校實驗室安全事故的典型案例不在多，而在精。2016年9月21日，上海某大學化學化工與生物工程學院實驗室在制作納米材料氧化石墨烯實驗中使用高錳酸鉀和濃硫酸(750 mL)做實驗室時發(fā)生爆炸。2017年10月15日，南京某高校生物與制藥工程學院的一棟大樓突然起火，大火持續(xù)燒了一個多小時，最終被消防隊員奮力撲滅。2018年12月26日，北京交通大學發(fā)生實驗室爆炸事故。我們從事故緣起、經(jīng)過、原因、事后處置，以及相關(guān)事故報告等形式對學生進行細致講解，讓學生有身臨其境的直觀感受，同時也結(jié)合授課教師親身經(jīng)歷，現(xiàn)身說法地講解一些細微安全隱患的案例。

3.3 項目式教學

如前所述，將工程實踐知識引入課堂，采用基于項目式教學(Project-Based Learning，PBL)方法，教師擬定5–6個研究主題，學生自主形成研究小組針對研究問題開展合作學習、自主學習，并在教師的指導下形成研究結(jié)論與報告，提升學生自主探究能力。其中如何設(shè)計一個中學化學實驗室/無機與分析化學實驗室、城市地鐵內(nèi)VOCs調(diào)查等都是課程的典型項目，特別是CAD制圖版的實驗室設(shè)計內(nèi)容，得到學生的廣泛歡迎。通過近五年對這個項目的跟蹤調(diào)查，該組學生設(shè)計作品的完成質(zhì)量整體得到提升。項目式學習激發(fā)了學生對課程內(nèi)容的學習興趣，教學設(shè)計的目標定位從知識型、了解型轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰π?、掌握型，強化了實驗室安全課程的系統(tǒng)性和對培養(yǎng)目標的支撐度。

4 結(jié)語

實驗室安全工作任重道遠，其重要性再怎么強調(diào)也不為過。對于實驗室安全教育，特別是課堂教學，單純的宣讀式、灌輸式的實驗安全教育不僅收效甚微，而且有時候會妨礙日常性、常規(guī)性、后續(xù)性的安全教育，會給學生一種錯覺，安全問題是枯燥的。實則不然，通過STEM教育的融入，最直觀的改變，就是教學內(nèi)容不再是干癟的，而是內(nèi)涵深刻而豐富的。STEM教育提出的初衷就是使傳統(tǒng)的理工科教育采取更加靈活的學習方式，讓學習者在真實情境下開展深度學習，有利于創(chuàng)新人才和高水平技能人才的培養(yǎng)，這與新工科建設(shè)的理念不謀而合。我國STEM教育雖然還在發(fā)展期間，但是已經(jīng)得到國家及各方的重視，并且在積極建設(shè)當中。新工科的出現(xiàn)毫無疑問帶來了嶄新的氣象，使得STEM教育在我國的發(fā)展更加制度化和標準化。真正的STEM教育應該增加學生對事物如何工作的理解，并提高他們對技術(shù)的使用。STEM教育不是針對某個學科或某個學段的具體改革，它更像是一個切入點，很可能會對教育領(lǐng)域的綜合改革起到牽一發(fā)而動全身的作用，撬動課程從內(nèi)容到形式的全面改革，并在中小學教育、職業(yè)技術(shù)教育、高等教育、繼續(xù)教育等多個領(lǐng)域都會產(chǎn)生系統(tǒng)性影響。從這個意義上說，即使不在實驗室安全類課程中體現(xiàn)STEM教育，也應該在大學本科教育其他課程中更多地引入STEM教育。STEM教育亦是任重道遠，但是只要遵循教育規(guī)律并勇于做出改變，持續(xù)改進，就一定會產(chǎn)生更多的人才培養(yǎng)成效。