虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室安全課程中的應(yīng)用與探索*

閆旭宇，李 玲，李國偉

(1 延安大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西 延安 716000；2 沁縣郭村中學(xué),山西 長治 046400)

當(dāng)前，高校圍繞實(shí)驗(yàn)室的安全工作，尤其在如何提高實(shí)驗(yàn)室人員的安全意識、安全素養(yǎng)等方面，開展了許多建設(shè)性和探索性的工作[1]。近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)、虛擬互聯(lián)技術(shù)大發(fā)展的背景下，虛擬仿真技術(shù)也廣泛應(yīng)用于高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。虛擬仿真最大的優(yōu)勢就是可以把前期畫面設(shè)計(jì)和后期制作強(qiáng)有力的結(jié)合起來，從視角上的多樣性和隨時(shí)轉(zhuǎn)換，使得體驗(yàn)者有強(qiáng)烈的視覺感受和沖擊，極大地促進(jìn)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，且達(dá)到了良好的教學(xué)效果[2]。新時(shí)期創(chuàng)新性開展虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室安全教學(xué)方面的建設(shè)，是貫徹執(zhí)行國家法律法規(guī)的要求，是高校提高學(xué)生安全素質(zhì)的內(nèi)在要求，也是構(gòu)建平安校園的前提[3]。

1 構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室安全虛擬仿真課程的背景及意義

絕大部分文獻(xiàn)報(bào)道都指出實(shí)驗(yàn)室安全工作中存在安全意識普遍淡薄、安全教育缺失的問題，長期以來，由于高校的快速擴(kuò)張與發(fā)展，都把教學(xué)和科研作為學(xué)校發(fā)展的中心工作，對于實(shí)驗(yàn)安全工作的重視程度不夠[4]。近年來，高校實(shí)驗(yàn)室屢有爆炸、火災(zāi)等重大安全事故發(fā)生，給人身安全和國有財(cái)產(chǎn)造成了重大損失，引起了全社會(huì)的廣泛關(guān)注。因此，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室安全教育，努力提高安全防范意識，拓寬學(xué)生主動(dòng)掌握實(shí)驗(yàn)室安全知識的途徑是當(dāng)務(wù)之急。

目前，虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展及信息化建設(shè)得到了國家有關(guān)部門的高度重視，教育部和地方教育主管部門都啟動(dòng)了示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目申報(bào)工作。通過網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境開展此類實(shí)驗(yàn)已逐漸納入實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，并進(jìn)行合理規(guī)劃，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和思維方式，培養(yǎng)和提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作中的安全技能和處置突發(fā)事件能力[5]。可以說，虛擬仿真技術(shù)的推廣和虛擬實(shí)驗(yàn)的發(fā)展，是推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度改革，也是我國高等教育改革尤其是實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新發(fā)展的重要內(nèi)容和必然趨勢[6]。

2 實(shí)驗(yàn)室安全虛擬仿真課程設(shè)置情況

北京大學(xué)在上世紀(jì)90年代初率先在國內(nèi)高校中開設(shè)了安全教育課程，經(jīng)過多年的實(shí)踐和總結(jié)，已形成一套較為全面的教學(xué)內(nèi)容。主要包括消防安全、實(shí)驗(yàn)樓安全硬件設(shè)施、危險(xiǎn)化學(xué)品、用電安全、壓力容器安全、化學(xué)實(shí)驗(yàn)一般安全操作、實(shí)驗(yàn)事故防范與應(yīng)急處理、危險(xiǎn)化學(xué)廢棄物處理等部分，基本涵蓋了化學(xué)實(shí)驗(yàn)室常見安全隱患所涉及領(lǐng)域的安全知識和技能[7-8]。清華大學(xué)2004年開始開設(shè)實(shí)驗(yàn)室安全學(xué)課程，教學(xué)大綱設(shè)置16學(xué)時(shí)分8次課講授，經(jīng)過近15年的討論和總結(jié)，不僅形成了具有鮮明特色的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式，而且顯著提高了學(xué)生的安全意識和安全技能，促進(jìn)了平安校園的建設(shè)[2]。福州大學(xué)化學(xué)學(xué)院自2015 年開始從大一新生一入校就開設(shè)了實(shí)驗(yàn)室安全與環(huán)保必修課程，共16個(gè)學(xué)時(shí)，9次課。在教學(xué)方法上也積極進(jìn)行探索，充分運(yùn)用現(xiàn)代多媒體技術(shù)，采用案例教學(xué)、游戲等方式，結(jié)合現(xiàn)場消防演習(xí)、逃生演練、外出參觀學(xué)習(xí)等實(shí)踐環(huán)節(jié)組織教學(xué)，取得了良好的效果[9]。

我校在教學(xué)內(nèi)容安排和課程設(shè)置上，主要參考了國內(nèi)高校開設(shè)的實(shí)驗(yàn)室安全課程的教學(xué)內(nèi)容，以及高校實(shí)驗(yàn)室安全工作重點(diǎn)，并結(jié)合生物類實(shí)驗(yàn)室經(jīng)常遇到的安全隱患，自2017 年以來，聯(lián)合北京歐貝爾公司開發(fā)了生物類實(shí)驗(yàn)室安全防護(hù)虛擬仿真課程，對全院師生開放，共16 個(gè)學(xué)時(shí)，9 次課。主要內(nèi)容包括：實(shí)驗(yàn)室安全基礎(chǔ)(消防安全、用電安全、用水安全、電離輻射安全等)；實(shí)驗(yàn)室化學(xué)品安全(普通化學(xué)試劑安全、危險(xiǎn)化學(xué)品安全)；實(shí)驗(yàn)室廢棄物安全(危險(xiǎn)廢棄物處理及安全防范措施、常見廢棄物處理辦法)；實(shí)驗(yàn)室常用儀器設(shè)備操作規(guī)范及安全注意事項(xiàng)(高壓滅菌鍋、氣瓶、酒精燈、培養(yǎng)箱、離心機(jī)、生物安全柜、干燥箱、超低溫冰箱、液氮罐、洗板機(jī)、紫外分光光度計(jì)、超凈工作臺、 超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)等儀器設(shè)備安全操作流程及隱患處理辦法)。

3 生物類實(shí)驗(yàn)室安全虛擬仿真共享平臺介紹

延安大學(xué)生物類實(shí)驗(yàn)室安全防護(hù)虛擬仿真共享平臺(http://119.163.195.34:8088/yausmkxy/index.do)，以生物類實(shí)驗(yàn)室中涉及到的安全知識構(gòu)建。共享平臺由賬號登入模塊、教學(xué)模塊、練習(xí)模塊、考核模塊和后臺管理模塊構(gòu)成。

3.1 賬號登入模塊

賬號登入模塊負(fù)責(zé)學(xué)員信息錄入和認(rèn)證功能，是實(shí)驗(yàn)室安全虛擬仿真平臺進(jìn)入的前端。用戶填寫相關(guān)的人員信息，上傳照片，提交注冊申請后,由平臺管理員進(jìn)行信息審核。用戶在線根據(jù)不同角色輸入用戶信息,交由平臺管理員備案,平臺管理員對申請用戶建立賬戶。系統(tǒng)要求學(xué)員以學(xué)號或教工號、密碼進(jìn)行登入，即刻在后臺生成學(xué)籍檔案。仿真學(xué)習(xí)平臺登陸界面見圖1。

圖1 仿真學(xué)習(xí)平臺登陸界面Fig.1 Simulation learning platform landing interface

3.2 教學(xué)模塊和練習(xí)模塊

首先學(xué)生需進(jìn)行防護(hù)安全與環(huán)境確認(rèn)，待防護(hù)安全與環(huán)境確認(rèn)處理合格后，方可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。旨在通過安全事故模擬，掌握其相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室安全知識和技能，喚起實(shí)驗(yàn)室人員的安全意識和責(zé)任感，培養(yǎng)形成科學(xué)、安全的實(shí)驗(yàn)室行為習(xí)慣，達(dá)到具備消除日常工作中的安全隱患的能力，減少意外或事故的發(fā)生。生物類實(shí)驗(yàn)安全防護(hù)虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)，包括教學(xué)模式、練習(xí)模式。安全操作虛擬仿真界面見圖2。

圖2 虛擬仿真教學(xué)模式界面Fig.2 Interface of virtual simulation teaching mode

3.3 考試模塊

考試模塊首先要完成三個(gè)基本步驟，考試人員機(jī)構(gòu)的創(chuàng)建以及人員賬號的導(dǎo)入，機(jī)構(gòu)教師的分配，考試軟件的分配，完成三個(gè)最基本的步驟后就可以登錄教師賬戶進(jìn)行試卷的創(chuàng)建了。我們完成了上述基本步驟后學(xué)生就可以進(jìn)行平常的軟件練習(xí)了，學(xué)生通過登陸賬號，在考試模式下，可以查看自己考試成績，并結(jié)合評分來進(jìn)行相關(guān)的練習(xí)。虛擬仿真考試模塊界面見圖3。

圖3 虛擬仿真考試模塊界面Fig.3 Virtual simulation test module interface

3.4 后臺管理模塊

圖4 后臺管理模塊界面Fig.4 Background management module interface

后臺管理模塊是延安大學(xué)生物類實(shí)驗(yàn)室安全防護(hù)虛擬仿真共享平臺的總指揮，統(tǒng)籌其他模塊的工作，由用戶管理、資源管理、試題管理等3大板塊構(gòu)成。后臺管理模塊界面見圖4。

3.4.1 賬號及機(jī)構(gòu)管理

網(wǎng)絡(luò)共享平臺共分為3種賬號，分別為管理員賬號，教師賬號以及學(xué)生賬號。管理員賬號為網(wǎng)站的最高權(quán)限賬號，網(wǎng)絡(luò)平臺的軟件上傳，軟件分配，賬號建立，機(jī)構(gòu)建立，理論題庫的建立等相關(guān)功能都是在管理員賬號登錄后才能夠?qū)崿F(xiàn)的；教師賬號為一個(gè)機(jī)構(gòu)的最高管理者，通過教師賬號可以實(shí)現(xiàn)，對班級人員的管理、班級軟件的分配，仿真考試的創(chuàng)建等相關(guān)功能；學(xué)生賬號可以登錄到網(wǎng)絡(luò)平臺，完成軟件的練習(xí)，軟件的下載安裝，以及仿真考試等功能。

3.4.2 資源管理及試題管理

通過建立學(xué)員學(xué)籍信息管理，動(dòng)態(tài)調(diào)整學(xué)員的備案信息，上傳學(xué)習(xí)資源，分配學(xué)習(xí)資料，組成考試試卷，實(shí)現(xiàn)全程化化管理[10]。試題管理由仿真試卷創(chuàng)建、試卷題庫管理、試卷分配、成績檔案管理以及信用檔案管理等組成。

4 結(jié) 語

近年來，實(shí)驗(yàn)室安全形勢日益嚴(yán)峻，為更好地發(fā)揮安全教育的實(shí)效性，一直是所有高校管理者甚至整個(gè)社會(huì)應(yīng)該思考的問題。結(jié)合目前高校實(shí)驗(yàn)室安全課程建設(shè)的現(xiàn)狀，構(gòu)建了以虛擬仿真體驗(yàn)為特色，集虛擬仿真教學(xué)學(xué)習(xí)、考試考核、安全準(zhǔn)入認(rèn)證的實(shí)驗(yàn)室虛擬仿真共享平臺。不僅解決了因傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課開展而出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)安全問題，還大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，下一步希望通過平臺的推廣和實(shí)施，不斷提升實(shí)驗(yàn)室安全培訓(xùn)實(shí)效性，并逐步建立和探索多元化、系統(tǒng)化的安全教育長效體系[10]。