化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全教育虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與探索

柳蔭，陸慧麗，張瑋瑋，柴成文，袁文霞，常璐璐，郭麗芳

北京科技大學(xué)自然科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心，北京 100083

實(shí)驗(yàn)室安全是教育事業(yè)不斷發(fā)展、學(xué)生成長成才的基本保障[1,2]。2019年教育部印發(fā)的《關(guān)于加強(qiáng)高校實(shí)驗(yàn)室安全工作的意見》(教技函〔2019〕36號)指出，高校實(shí)驗(yàn)室是開展科研和教學(xué)的重要場所，體量大、類型繁多、安全隱患分布廣，包括危險(xiǎn)化學(xué)品、易制毒易制爆材料、生物污染、輻射、機(jī)械、電器、特種設(shè)備等。其次，實(shí)驗(yàn)室中重大危險(xiǎn)源相對集中，教育教學(xué)內(nèi)容和項(xiàng)目變化快，接觸和操作人員不固定，這使得安全風(fēng)險(xiǎn)具有累加效應(yīng)[3]。近年來，高校實(shí)驗(yàn)室安全事故時(shí)有發(fā)生，因此，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)室安全教育、規(guī)范學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作迫在眉睫，是立德樹人的基本要求，也是“三全育人”教育體系的重要組成部分[4–8]。

1 課程建設(shè)目的及目標(biāo)

我校設(shè)有專門的實(shí)驗(yàn)基地，承擔(dān)化學(xué)、物理、電工電子、力學(xué)、數(shù)學(xué)等多個(gè)學(xué)科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，其中化學(xué)因其學(xué)科特性可能會引起多種事故，包括火災(zāi)爆炸、觸電、機(jī)傷、腐蝕、輻射、中毒、感染等，向來是安全教育的重中之重。

《教育部辦公廳關(guān)于開展加強(qiáng)高校實(shí)驗(yàn)室安全專項(xiàng)行動(dòng)的通知》(教技函〔2021〕38號)要求，高校要建設(shè)實(shí)驗(yàn)室安全教育體系，把實(shí)驗(yàn)室安全教育納入學(xué)生的培養(yǎng)環(huán)節(jié)中，明確涉及實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)的各級各類學(xué)生的培養(yǎng)要求，建立實(shí)驗(yàn)人員安全準(zhǔn)入制度，要求進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的師生必須先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室安全知識、安全技能和操作規(guī)范培訓(xùn)的必修課課程或培訓(xùn)并進(jìn)行考核，未取得相應(yīng)學(xué)分或未通過考核的人員不得進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作[9]。

為提高師生安全意識、加強(qiáng)安全操作技能及應(yīng)急處理方法培訓(xùn)，落實(shí)實(shí)驗(yàn)室安全準(zhǔn)入制度，規(guī)范實(shí)驗(yàn)室管理，我校在現(xiàn)有安全教育理論課程的基礎(chǔ)之上，借助虛擬仿真技術(shù)手段，開展實(shí)驗(yàn)室安全教育虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程建設(shè)[10–12]，建設(shè)一個(gè)融合實(shí)驗(yàn)室安全教育與考核于一體的，具有“基礎(chǔ)性、綜合性、引導(dǎo)性和開放性”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)綜合管理系統(tǒng)，做到從實(shí)驗(yàn)學(xué)生、任課教師、實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人多方面抓取實(shí)驗(yàn)室安全工作，進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)室安全教育教學(xué)工作。師生通過該安全教育虛擬仿真系統(tǒng)學(xué)習(xí)安全知識、掌握必備實(shí)驗(yàn)技能后必須通過實(shí)驗(yàn)室安全考試才能進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)，有效地提升師生實(shí)驗(yàn)室安全意識、培養(yǎng)師生實(shí)驗(yàn)安全素養(yǎng)，落實(shí)實(shí)驗(yàn)室安全準(zhǔn)入制度。

2 化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)

基于動(dòng)態(tài)過程仿真平臺(Dynamic Process Simulation Platform，DPSP)開發(fā)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全教育虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是一款集資源瀏覽、仿真操作、在線學(xué)習(xí)、考核于一體的信息化網(wǎng)絡(luò)仿真培訓(xùn)學(xué)習(xí)管理平臺，利用三維可視化、網(wǎng)絡(luò)通信、多媒體、人機(jī)交互等技術(shù)，把化學(xué)實(shí)驗(yàn)室涉及到的“典型事故案例”“隱患排查”“事故急救與逃生”等內(nèi)容制作成可體驗(yàn)或可交互的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，并放到虛擬仿真平臺上，以實(shí)現(xiàn)典型事故案例學(xué)習(xí)形象化、仿真考核網(wǎng)絡(luò)化、隱患排查和事故處置三維可視化，從而使實(shí)驗(yàn)室安全教學(xué)工作網(wǎng)絡(luò)化、信息化。軟件為Web端版本程序，教學(xué)系統(tǒng)軟件不需在電腦端安裝，軟件的維護(hù)、更新和升級均在服務(wù)器。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)采用B/S架構(gòu)，服務(wù)器采用多層結(jié)構(gòu)方式開發(fā)，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真場景培訓(xùn)。3D虛擬仿真場景采用unity3D引擎和c#語言開發(fā)，使用PBR次時(shí)代流程進(jìn)行三維建模、真實(shí)1:1還原設(shè)備的尺寸，準(zhǔn)確度在90%以上，基于機(jī)理模型可實(shí)現(xiàn)巡檢管理、隱患排查、設(shè)備管理、事故進(jìn)展推演、應(yīng)急處理(圖1)。

圖1 虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

我校為本科生開設(shè)四門化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程：無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)，均有相對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室。以現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室為模型，利用虛擬仿真技術(shù)一一還原，使師生盡可能地熟悉實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，避免進(jìn)入真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室時(shí)產(chǎn)生陌生感。實(shí)驗(yàn)室安全教育虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)包括四大部分：理論知識學(xué)習(xí)、仿真訓(xùn)練(包含5個(gè)模塊，即樓宇環(huán)境模塊、無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室模塊、有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室模塊、分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)室模塊、物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室模塊)、考試系統(tǒng)和教師管理系統(tǒng)(圖2)。

圖2 虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

3.1 理論知識學(xué)習(xí)模塊

系統(tǒng)提供了豐富的知識點(diǎn)資源，包括視頻學(xué)習(xí)、習(xí)題練習(xí)、拓展學(xué)習(xí)三部分內(nèi)容。該系統(tǒng)提供了35個(gè)可在線安全知識播放動(dòng)畫，內(nèi)容涵蓋：

(1)人身防護(hù)及應(yīng)急處理(包含實(shí)驗(yàn)室安全、緊急噴淋洗眼器、AED使用方法等9個(gè)flash，每個(gè)flash視頻展示時(shí)長不少于1 min)；

(2)消防安全(包含滅火器分類及使用、火災(zāi)分類、預(yù)防火災(zāi)的措施、消防栓分類及使用等8個(gè)flash)；

(3)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)急傷害處理(包含化學(xué)燒傷及處理、割傷的緊急處理、鹽酸傾灑處理等5個(gè)flash)等安全知識的使用培訓(xùn)。

系統(tǒng)中設(shè)有題庫(超過2000個(gè)題目)，教師可隨時(shí)上傳知識點(diǎn)視頻資源和關(guān)聯(lián)習(xí)題，并對知識點(diǎn)進(jìn)行更新，為學(xué)生提供更全面的安全教育。學(xué)生在線上觀看視頻資源，進(jìn)行題庫練習(xí)，能有效地提高學(xué)習(xí)效率，加深對安全知識的理解。

3.2 仿真訓(xùn)練模塊

仿真訓(xùn)練設(shè)有樓宇環(huán)境模塊、無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室模塊、有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室模塊、分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)室模塊、物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室模塊5個(gè)模塊。其中，樓宇環(huán)境模塊詳細(xì)介紹了樓宇安全裝置設(shè)施的位置及逃生路線，是其余所有模塊的安全前置內(nèi)容。其他4個(gè)模塊根據(jù)四大化學(xué)的特點(diǎn)詳細(xì)列舉了各類實(shí)驗(yàn)室常見的安全隱患，包括人身防護(hù)及應(yīng)急處理、消防安全、法規(guī)及制度、試劑安全、用電安全、化學(xué)實(shí)驗(yàn)室基本安全操作、壓力容器安全、輻射安全與防護(hù)等40多個(gè)典型事故案例，并演示必要的安全技能操作和逃生技能。學(xué)生在學(xué)習(xí)安全知識的同時(shí)要實(shí)際進(jìn)行規(guī)范的安全技能操作，使學(xué)生學(xué)以致用，避免紙上談兵。

3.2.1 樓宇環(huán)境模塊

該模塊旨在使學(xué)生了解樓內(nèi)安全設(shè)施的位置，包括樓梯、電梯位置，滅火器、消火栓、消防設(shè)備箱、急救箱，緊急噴淋、洗眼器等的位置，以及緊急逃生路線等。在熟悉樓內(nèi)環(huán)境后，學(xué)生需要完成安全設(shè)施位置對應(yīng)思考題，確保掌握后才能進(jìn)入無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室模塊進(jìn)行學(xué)習(xí)(圖3)。

圖3 樓宇安全設(shè)施位置圖和思考題

3.2.2 無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室模塊

無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室藥品種類較多，實(shí)驗(yàn)時(shí)會使用酒精燈、電熱板等小型儀器。該模塊列舉了無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室常見的安全隱患，如實(shí)驗(yàn)室內(nèi)吃喝、不穿實(shí)驗(yàn)服、加熱后取樣不戴線手套、加熱溶解樣品時(shí)不開通風(fēng)等。學(xué)生需要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)找到設(shè)置的安全隱患，找到后系統(tǒng)會講解相對應(yīng)的處理方案，若學(xué)生未找到隱患，則系統(tǒng)會呈現(xiàn)隱患可能造成的安全事故，使學(xué)生全方位地了解不良的實(shí)驗(yàn)操作帶來的嚴(yán)重后果(圖4)。

圖4 無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全隱患、危化品分類和危廢分類

該模塊還講授了危險(xiǎn)化學(xué)品的分類與存放，設(shè)置約30種常用危險(xiǎn)化學(xué)品，含易燃、易制爆、腐蝕、易制毒、氧化劑、活潑金屬等(圖4)。系統(tǒng)模擬了化學(xué)品安全技術(shù)說明書(Material Safety Data Sheet,MSDS)的查閱方法，學(xué)生需查找MSDS，確認(rèn)分類。學(xué)生完成危險(xiǎn)化學(xué)品的分類后，系統(tǒng)會根據(jù)學(xué)生的作答情況提供講解并演示分類錯(cuò)誤可能造成的事故。危險(xiǎn)廢棄物分類與回收處理也是學(xué)生的必備技能。系統(tǒng)設(shè)置了常見的危險(xiǎn)廢棄物分類，如無機(jī)廢液、有機(jī)廢液、實(shí)驗(yàn)垃圾、玻璃廢棄物、普通垃圾等，學(xué)生需完成危險(xiǎn)廢棄物分類并學(xué)習(xí)理論知識(圖4)。

3.2.3 有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室模塊

有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室分類存放了大量有機(jī)物，易燃易爆，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行多種有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)，設(shè)置的安全隱患主要包括有機(jī)合成裝置的錯(cuò)誤安裝、水銀溫度計(jì)摔碎后的處理、有機(jī)試劑的存儲、有機(jī)物的加熱方法等。該模塊重點(diǎn)展示了不同規(guī)?；瘜W(xué)火災(zāi)的處理方法及火勢失控后的逃生方法。學(xué)生需掌握3種中小型火災(zāi)的救火方式，如酒精燈著火、試劑柜著火等，根據(jù)火勢的大小選擇不同的滅火方法：酒精燈著火只需使用滅火毯，燃燒的試劑量較大時(shí)需使用消防沙，但當(dāng)試劑柜著火時(shí)火勢較大需使用滅火器(圖5)。系統(tǒng)設(shè)置了兩種火勢失控后逃生現(xiàn)場：實(shí)驗(yàn)室有大量濃煙時(shí)通過逃生通道逃生(圖6)；在逃生通道被火焰、濃煙封閉時(shí)，操作緩降逃生繩索脫離危險(xiǎn)。學(xué)生需在系統(tǒng)指引下完成火災(zāi)急救和逃生，并學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識掌握實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)滅火的方法和注意事項(xiàng)。

圖5 不同火勢現(xiàn)場的滅火方法

圖6 火勢失控后逃生方法

3.2.4 分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)室模塊

分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)室主要進(jìn)行滴定實(shí)驗(yàn)，涉及大量強(qiáng)酸強(qiáng)堿。該模塊設(shè)置了多處安全隱患，如錯(cuò)誤操作滴定管、用明火電爐加熱丁二酮肟酒精溶液、砂輪磨樣品不戴手套等。學(xué)生還將在分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)如何處理酸堿灼傷后的傷口，系統(tǒng)重現(xiàn)了鹽酸、硫酸和氫氧化鈉傾灑的過程及對人體造成的傷口情況，并帶領(lǐng)學(xué)生逐步處理傷口及事故現(xiàn)場。此外，分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)常使用馬弗爐，系統(tǒng)講述了馬弗爐的使用方法，并模擬了錯(cuò)誤使用馬弗爐后樣品冒煙導(dǎo)致煙感報(bào)警的事故現(xiàn)場，指導(dǎo)學(xué)生快速處理，減少損失(圖7)。

圖7 分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全隱患、酸堿灼傷處理和馬弗爐使用方法

3.2.5 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室模塊

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和氣瓶多，常發(fā)生電氣類事故，安全隱患主要設(shè)置在插線板、管式爐、高壓氣瓶等處。該模塊要求學(xué)生掌握高壓氣瓶的分類及正確使用方法，以及對氣瓶泄漏后窒息人員的救助。該模塊還演示了出現(xiàn)觸電事故后的緊急處理及如何實(shí)施急救心肺復(fù)蘇。學(xué)生需在操作指引下掌握觸電事故和氣瓶泄漏后的處理方法(圖8)。

圖8 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全隱患、氣瓶分類和心肺復(fù)蘇

3.3 考試系統(tǒng)

學(xué)生完成上述5個(gè)模塊的學(xué)習(xí)后需在平臺上參與在線考試?？荚囅到y(tǒng)包含理論知識點(diǎn)考試和仿真考試兩部分。理論知識點(diǎn)考試分值為40分，從系統(tǒng)設(shè)有的題庫中隨機(jī)抽取，學(xué)生可以在考試前在線查看題庫集和題目詳情，進(jìn)行在線題庫練習(xí)，做好考前準(zhǔn)備。仿真考試分值為60分，教師從虛擬場景中抽取2–3個(gè)場景進(jìn)行在線仿真考試。

考試結(jié)束后，系統(tǒng)自動(dòng)評判給出成績，兩部分成績的總和為最終考試成績，80分及以上為合格，系統(tǒng)自動(dòng)生成化學(xué)安全準(zhǔn)入證書表示完成實(shí)驗(yàn)室安全教育課程，學(xué)生憑借此證書可進(jìn)入校內(nèi)線下化學(xué)實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)(圖9)。安全教育虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)以本?，F(xiàn)有的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室為模型，涉及的安全教育知識只針對化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生獲得的安全準(zhǔn)入證書也只可進(jìn)入化學(xué)實(shí)驗(yàn)室。

圖9 安全準(zhǔn)入證書

4 虛擬仿真平臺教學(xué)實(shí)踐成效

化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全教育虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)已作為我校材料、化學(xué)、能源、冶金等專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)之前的安全準(zhǔn)入課程開放使用。平臺已完整開設(shè)4學(xué)期，取得了積極的教學(xué)效果。

安全教育虛擬仿真的建設(shè)，突破了傳統(tǒng)安全教育方法的局限性，解決了現(xiàn)場演練危險(xiǎn)系數(shù)大、成本高、見效差的問題，能顯著提高教學(xué)效果。在教學(xué)過程中，學(xué)生通過自行操作安全教育軟件，學(xué)習(xí)了相關(guān)安全知識點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)室常見的安全隱患、綠色化學(xué)理念以及火災(zāi)、觸電、氣瓶泄漏等事故的急救和逃生手段。目前，在實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)小型事故(如玻璃碎片割傷、酸堿傾灑、酒精燈傾灑等)時(shí)，學(xué)生都能有條不紊地處理，并未出現(xiàn)慌張情緒導(dǎo)致事故范圍擴(kuò)散。課程完成后對超過500名學(xué)生做了問卷調(diào)查，超過80%的學(xué)生表示課程內(nèi)容設(shè)置全面合理，難度適中，通過認(rèn)真學(xué)習(xí)能有效掌握安全知識；超過70%的學(xué)生認(rèn)為學(xué)習(xí)過程體驗(yàn)較好，實(shí)驗(yàn)場景真實(shí)，彌補(bǔ)了知識盲區(qū)。借助此虛擬仿真平臺的建設(shè)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，未來將繼續(xù)構(gòu)建更全面的安全教育課程，并在其他高校和科研院所推廣。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)并建設(shè)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全教育虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，采用具有引導(dǎo)性和開放性的教學(xué)方式，將線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與線下理論課程結(jié)合，以三維交互技術(shù)為核心，通過逼真的三維實(shí)驗(yàn)操作結(jié)合二維動(dòng)畫、視頻、圖片、文字等多媒體學(xué)習(xí)資源達(dá)到實(shí)訓(xùn)的效果，并以科學(xué)完善的考試系統(tǒng)評價(jià)學(xué)習(xí)效果，是一種全新的教學(xué)方式。該教學(xué)系統(tǒng)的推廣和使用為學(xué)生提供了安全、高效、形象的學(xué)習(xí)環(huán)境，不僅降低了安全教育的成本與風(fēng)險(xiǎn)，還極大地提高了以化學(xué)為基礎(chǔ)學(xué)科的相關(guān)專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了學(xué)生對于安全知識的理解，提高了學(xué)習(xí)效率，豐富了教學(xué)模式，達(dá)到教學(xué)計(jì)劃要求的授課效果。

該系統(tǒng)已獲得計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)登記證書，提供單機(jī)版和網(wǎng)頁版兩種使用方式。目前，已有超過1500名本科學(xué)生通過該系統(tǒng)完成了化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全教育課程，獲得實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)入證書?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室安全教育虛擬化滿足當(dāng)代本科生教育教學(xué)方式改革，落實(shí)了高校教學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全工作，對提高國民安全意識、強(qiáng)化安全技能具有重要意義。