混合式教學模式在化學實驗室安全課程中的探索與應用

王薇，呂東煜，董立軍，袁呈山，沈永雯，蘭景鳳，陸廣農(nóng)，徐向陽

蘭州大學化學化工學院，蘭州 730000

化學實驗室是化學人才培養(yǎng)和科學研究的重要基地，實驗中會用到多種化學品以及和壓力、電氣相關的設備，并產(chǎn)生成分復雜的化學廢棄物，因此實驗室安全教育受到越來越多高校的重視[1-3]。2015年教育部化學類專業(yè)教學指導委員會制定的《化學類專業(yè)本科教學質(zhì)量國家標準》，明確要求學生掌握化學實驗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]。

當前高校的實驗室安全與環(huán)保教學體系還不夠健全、實驗安全環(huán)境和條件建設不到位、學生自我防護和環(huán)境保護意識養(yǎng)成不足等問題較為普遍，化學實驗室中發(fā)生的火災、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：一是實驗原料及設備本身的危險性；二是操作者的專業(yè)知識及安全責任意識不足[7]。將實驗室安全與環(huán)保教育強制納入實驗準入的前置環(huán)節(jié)，喚起學生的安全責任意識與環(huán)保意識，養(yǎng)成良好的安全行為習慣，是化學實驗室安全的保障，是提高學生安全素質(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 教學理念與目標

化學實驗室安全知識體系復雜，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準及行業(yè)規(guī)范。在高?；瘜W實驗安全培訓中，多針對理論知識的介紹，抽象且難于講解，事故處理的實際演練也很難進行。將互聯(lián)網(wǎng)和信息化技術運用到實踐教學的教學方式，不僅可以充分發(fā)揮學生自主學習能力，還可以彌補真實實驗在安全演練中的局限性[3,8,9]。

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

2 課程體系

課程采用多手段聯(lián)合式教學方法(圖 1)。第一步，對即將開展化學實驗的學生進行系列安全培訓，建立基本的化學安全知識體系。第二步，利用網(wǎng)絡學習的便利性與碎片化時間，學生自主進行線上化學安全理論知識學習與安全仿真實驗練習。將基礎實驗中操作點全面、安全知識豐富、涉及?；范嗟膬蓚€經(jīng)典實驗設計為仿真實驗，采用三維建模模擬了事故現(xiàn)場，由學生進行虛擬仿真演習。第三步，對學生進行線上化學實驗室安全考核，發(fā)放合格證書，作為學生進入實驗室的準入資質(zhì)。

圖1 混合式化學實驗室安全課程體系

2.1 化學實驗室安全講座

化學實驗室安全培訓是提高學生安全意識和承擔安全責任、預防安全事故的基礎性工作，面對面的講座形式有助于學生從思想上強化安全意識[10]。講座4學時，分別從化學安全條例與法律法規(guī)以及化學實驗室安全常識兩個方面進行介紹。

化學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)與校級管理條例。國家法律法規(guī)重點強調(diào)危險化學品安全管理條例、易制毒化學品管理條例以及易制爆危險化學品治安管理辦法等政策性法規(guī)；校級管理條例則針對校級管理辦法，逐個進行安全標準化、制度化管理的介紹。化學實驗室安全常識采用案例教學法[11]，介紹化學實驗室特點以及影響安全的主要因素，分析典型事故的處置方式和應急處理程序，常見化學廢棄物的減害方法等[12,13](圖2)。

圖2 化學實驗室安全系列講座

2.2 線上化學安全理論知識學習與3D虛擬仿真實驗

線上化學安全學習建立在仿真度高、交互性強、信息實時反饋的培訓平臺上。采用遞進式的學習路線，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模式。具體內(nèi)容如下：

2.2.1 實驗安全知識學習系統(tǒng)

實驗安全知識學習系統(tǒng)包括學習資源與題庫練習，同時支持 PC端和移動端。學習資源在蘭州大學化學國家級實驗教學示范中心的網(wǎng)站上(http://chemec.lzu.edu.cn/lzuet/)。學生自主進行安全基本事項、消防安全、危化品介紹、典型事故分析等理論學習。題庫練習則涵蓋了安全常識、防護自救、危險品安全、輻射安全等九個方面的內(nèi)容。學生可自由選擇題庫、組建模擬考卷、練習錯題、分析成績等。

2.2.2 無機及分析化學3D虛擬仿真安全實驗

經(jīng)典實驗“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準方法[15]。該方法使用了硫-磷混酸、重鉻酸鉀等強腐蝕、強氧化性化學品以及劇毒品HgCl2，安全隱患極大，涉及到的安全管理條例紛繁復雜，大多數(shù)高校中已取消該實驗。但該實驗操作點多，安全知識豐富，本著虛擬仿真項目“能實不虛、虛實結(jié)合、以虛補實”的原則，我們將其設計為無機及分析化學 3D虛擬仿真安全實驗，在實驗過程中學習各項安全知識，引導學生掌握安全防護、事故分析與處理、試劑的回收并學習相關安全條例(圖3)。

圖3 無機及分析化學3D虛擬仿真安全實驗中的知識點

仿真實驗設計為對學生極具親和性的游戲闖關模式。實驗開始前先進行個人穿戴小游戲，進行規(guī)范的實驗室個人防護練習。其次進行實驗室安全設施的確定，學生要找出安全疏散通道、消防栓、緊急噴淋裝置等安全設施(圖4)，培育學生的安全意識。

圖4 個人防護與安全設施界面

實驗過程中，我們設計了30步互動式虛擬仿真操作，將無機及分析化學實驗中經(jīng)常涉及到的安全知識設計在具體操作中。在實驗中合理引入安全知識、設計事故險情，引導學生進行事故原因分析與規(guī)范處理。如使用鹽酸時，將無機腐蝕品以及易制毒原料的管控要求設計為互動式問題；加熱時設計了燙傷和化學燒傷的情景，要求學生對處理方法進行選擇；實驗中的HgCl2屬于劇毒品，學生需回答劇毒品領用、存儲和保管等問題，深度掌握劇毒品管理條例(圖5)。安全環(huán)保教育也是實驗室安全教育的必要環(huán)節(jié)，同學需選擇化學廢棄物的回收辦法，培養(yǎng)良好環(huán)保意識和習慣。系統(tǒng)及時給出評分和錯誤反饋，同學們可及時了解安全知識與個人防護等方面的薄弱點。

圖5 劇毒品安全知識界面

2.2.3 有機化學實驗3D虛擬仿真安全實驗

4-苯基-丁-2-酮的制備是經(jīng)典的有機合成實驗[14]，實驗涉及到的安全知識點全面，基礎操作多，但由于實驗中使用了金屬鈉、易制毒原料乙醚、有機腐蝕品氯化芐等危化品，故該實驗在高校中的開展十分有限。將其作為有機化學安全虛擬仿真實驗，能較為全面地覆蓋有機實驗中涉及到的安全內(nèi)容。

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

圖6 有機化學3D虛擬仿真安全實驗中的知識點

如電器和油浴起火時，系統(tǒng)引導學生先關閉通風櫥電源和總電源，穿消防防化服、佩戴正壓式呼吸機，并根據(jù)火情選擇正確的滅火器，學習滅火器的使用等起火事故處理方法。當火勢過大時則提醒學生逃生，由學生選擇逃生姿勢、尋找逃生路線、演練逃生步驟。如果學生操作都正確，如何發(fā)生事故呢？為此，我們在實驗中設計了由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，由學生選擇合適的滅火方式(圖7)。實驗結(jié)束，系統(tǒng)及時進行評分和錯誤反饋。

圖7 活潑金屬著火處理場景

線上化學安全理論知識學習與3D虛擬仿真實驗，采用遞進式的學習路線和多形式的教學方式，在教學內(nèi)容上環(huán)環(huán)相扣，覆蓋了基礎化學實驗中常見的安全操作、典型事故的處理方法，不同試劑管理方法以及相應的環(huán)保知識，解決了安全事故演習無法大規(guī)模開展的問題。通過體驗感和交互感強的虛擬仿真實驗，極大地增強了學生的學習興趣，提高了事故防范和處理技能，拓展了實驗安全知識的廣度和深度。

題庫與兩個虛擬仿真實驗構(gòu)建的“化學實驗室安全教育互動式 3D虛擬仿真實驗”項目，作為共享資源，在國家虛擬仿真實驗教學項目平臺上(http://www.ilab-x.com/details/v5?id=3827)面向全社會開放。

2.3 化學實驗室安全考核

課程考核合格是學生進入教學和科研實驗室的先決條件。隨著信息技術的發(fā)展，線上考試系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛的應用[16]。本課程考核體系由三部分構(gòu)成，分別是理論知識考核、無機及分析化學虛擬仿真實驗考核以及有機化學虛擬仿真實驗考核。理論知識考題包括判斷題、單選題和多選題，系統(tǒng)隨機生成試卷。兩個虛擬仿真實驗考試均在無操作引導的考試平臺進行。每項考核時限均為30分鐘，成績以百分計，每項考核的合格線均設定為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。當三項考核成績均大于90分時，整體考核合格，系統(tǒng)自動計算總評成績，同時頒發(fā)合格證書。

在線考核實現(xiàn)了考試過程的動態(tài)管理與過程評分。教師可及時準確地統(tǒng)計學生的掌握情況，并通過數(shù)據(jù)分析算法評測學生的考核結(jié)果，為教師進一步改進課程設計、深入開展教學改革提供數(shù)據(jù)支持(圖 8)。

圖8 2019級化學化工學院學生安全考核通過率統(tǒng)計結(jié)果

3 課程應用與推廣

本課程采取了理論與實踐結(jié)合、線上與線下融合的教學方法，內(nèi)容豐富，方式方法多樣，顯著提升了教學效果，學生在興趣中主動、快樂地掌握各項安全技能。線下講座能讓學生直觀地認識安全教育的重要性；線上學習與考核，有利于學生自主安排學習時間、拓展安全知識的深度與廣度。同學們對這種教學方法給予了充分的肯定，并提出了寶貴的意見和建議。通過安全課程的學習，我們發(fā)現(xiàn)同學們在實驗中個人防護措施更加主動、專業(yè)，對各類試劑的使用更加科學、謹慎，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，一直應用于本校即將進入化學實驗室的本科生與研究生的安全培訓中，歷時兩年的不斷改進與完善，界面更友好，操作更簡單，評分更科學，內(nèi)容更豐富。如在理論學習中增加了輻射安全的內(nèi)容，在虛擬實驗中增加了常見化學燒傷的發(fā)生與處理，MSDS (危險品化學安全技術說明書)的應用與查閱等內(nèi)容。目前該課程已設立為18學時的化學實驗室安全培訓課，是學生進行化學實驗的前期必修課程。

依托于國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺上的“化學實驗室安全教育互動式 3D虛擬仿真實驗”，一直面向高校和社會免費開放。2018年，該虛擬仿真實驗作為第六屆甘肅省化學競賽實驗環(huán)節(jié)的考核項目之一，取得了良好的社會反響。

4 結(jié)語

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