“新工科”視域下STEM教育融入“實驗室安全”課程建設的探索和實踐

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《華盛頓協議》，目前已建成世界最大規模的工程教育體系，正在由工程教育大國邁向強國[1]。隨著工程教育的發展，“新工科”這一概念成為高校專業改革的新方向，“新工科”專業建設關鍵在“新”，需要建設新課程、新教材等以迎接和應對產業發展新階段對工程人才培養提出的新需求。在人才培養方案總學分調減的情況下，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”范疇予以調整呢？

一方面高校實驗室安全工作任重道遠，直接關系到學校和學院的人才培養、學科建設等工作的推進，同時實驗室安全事故時有發生，包括爆炸事故、火災事故、危化品事故等，安全形勢不容樂觀。另一方面《教育部關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，逐步將安全教育有關課程納入人才培養方案。在《高校教學實驗室安全工作檢查要點》中，涉及化學、生物、輻射等專業開設相應的必修或選修課成為安全教育的重要組成部分。

培養目標和實現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建設和工程認證專業建設下，對實驗室安全課堂內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”課程建設的各種舉措，為化學材料類專業實驗室安全教育提供了經驗借鑒。

1 新工科與STEM教育

1.1 關于新工科

為應對新一輪科技革命與產業變革以及促進服務創新驅動的發展，“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，先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，并發布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》《關于推薦新工科研究與實踐項目的通知》，全力探索形成領跑全球工程教育的中國模式、中國經驗，助力高等教育強國建設。不僅在中國高校，麻省理工學院提出新工程教育轉型計劃(NEET,2017)，佐治亞理工學院開創未來教育行動(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]。

新工科專業建設至少包含兩個維度：一方面是對傳統工科專業的升級再造，另一方面是根據經濟發展需求設置相應的新專業。不論是“翻新”還是“建新”，新工科專業建設的核心是培養國家發展亟需的工程科技人才，關鍵在于創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同創新大會上發表題為《建好現代產業學院，提供高質量人才支撐》主旨演講，明確將現代產業學院建設作為新工科建設的一項戰略布局，并將課程建設作為重要抓手。按照新理念和新標準建設的課程、教材以及探索課程資源建設新形態，服務于傳統工科專業和新專業，均極大地促進了新工科建設；反之，按照傳統單一規格、填鴨式思路所建設的課程即使服務于新工科專業，也是制約了新工科專業的發展，未來必須要進行優化和調整。

1.2 關于STEM教育

STEM是科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)和數學(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、工程和數學等多學科交叉知識的完整有機體。STEM教育強調多學科的交叉融合，培養學生交叉的學科背景、創新精神和綜合實踐能力。因為未來職業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注，已經成為很多發達國家保持競爭力的戰略選擇，美國在全球STEM教育發展中起到引領作用，并將STEM教育提升到國家戰略的高度。中國也愈加重視STEM教育，并于2017年6月20日，發布了《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單一工科內部，主要是通過重新定義傳統工程教育的理念以及解決時代發展中產生的新需求，來應對新一輪的科學技術革命與產業變革以及促進服務創新驅動的發展。余勝泉等[5]提出STEM教育應強調跨學科理念的課程整合，注重多方參與的培養機制，并確保課程統一的標準化建設。STEM教育不再停留在單一學科內部，主要是通過加強科學、技術、工程、數學等學科之間的聯系，打通學科之間的壁壘，幫助學習者綜合運用多學科領域知識解決現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)教學內容的針對性、前瞻性、交叉性和趣味性不足，多數知識停留在“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又懂安全實操業務的專家偏少。

實驗室安全課堂改革關鍵在于確立以學為中心、以生為本的理念，在畢業總學分調減，為學生實踐提供空間的大背景下，改變傳統教學設計的目標定位，辯證做好課程內容設置的“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，強化課程的系統性和對培養目標的支撐度，把從事實驗室工作、化工生產中的安全意識、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，開發不同學時、不同側重點的專業課程群，逐步將安全教育有關課程納入人才培養方案。

2 優化實驗室安全知識體系

2.1 科學發現知識融入

實驗室安全作為專業課必須體現科學性。以氧氣的發現為例，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，這些科學內容都與實驗室安全息息相關。以微生物的發現為例，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液變質的細菌不是自生的，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 檢測技術知識融入

實驗室安全作為專業課必須體現技術性。揮發性有機物(VOCs)不僅存在于實驗室中，生活中燃料的燃燒、烹調油煙和裝飾材料、家具等都會釋放VOCs，對人體健康潛在威脅大。把揮發性有機物檢測技術作為教學內容，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動起來，開始認真嚴謹地思考和探討安全管理中的一些具體的安全技術問題。

2.3 工程實踐知識融入

實驗室安全作為專業課必須體現實操性。課程主要對象是理工科大一、大二的學生，結合學生所學高等數學、工程制圖以及程序設計等基礎知識，創設工程實踐教學情境旨在增強學生對實驗室安全環境的認知，并結合項目式教學同步開展。在教學實踐中，結合學生專業情況，進行設計類和調查類工程知識的融入。設計類題目：如何設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計(CDA)進行制圖，根據結構與設計、采光與通風、安全通道與安全出口、配電和電氣設備、監控和報警系統、實驗家具與給排水等方面給予作業評價。對于非化學材料類專業學生，考慮適當降低難度，如何設計一個“當心紫外線傷害”或“切勿醉酒做實驗”的實驗室安全標識？調查類題目：城市地鐵內VOCs調查；學校內超凈間的分布與使用調查；某石油化工廠安全生產管理調查等。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 數學原理知識融入

實驗室安全作為專業課必須體現基礎性。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驗、無實操經驗的學生講解，學生很難理解，這就需要做一下數學上的解釋，創設特定的情境，讓學生真正理解并掌握。假設學生所在的實驗室每次發生安全事故的概率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。經過數學計算，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，存在發生事故的概率，事故就一定會發生。全國約有2000所高校，假設每所高校有100間實驗室，一年365天，即相當于樣本有7300萬，所以發生事故是必然。

只要存在發生事故的概率，事故就一定會發生，而且不管其可能性多么小，它總會發生，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，嚴重事故發生的概率是事故隱患存在概率的千分之一。假設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，學生能夠對海恩法則和墨菲定律有理性認識，從而建立科學嚴謹的實驗室安全觀，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課必須體現前瞻性。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)與生活實際結合起來。天然產生的飛沫大小不等，打噴嚏可能會產生多達4萬個直徑在0.5–12 μm之間的飛沫。口罩工作的原理不僅是像過篩子一樣，還有靜電吸附作用，可以過濾比熔噴布纖維網絡結構更細的顆粒物。此外，化學品進入人體內一般有三種途徑：(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芳烴。在燒烤中，經皮膚接觸的芴、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。通過有理有據有趣的教學內容(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計

3 變革實驗室安全教學范式

3.1 浸潤式教學

在虛實結合的浸潤式教學方面，教育界的同行已經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。在校內建有綜合觀測基地，以及毗鄰化工園區的優勢，使用真實生產線等環境開展浸潤式實景、實操、實地教學，推進學生浸潤式工程體驗。

與此同時，結合計算機圖形學、仿真技術、多媒體技術、人工智能技術、計算機網絡技術、并行處理技術和多傳感器技術等先進科技，以“走進化學實驗室”虛擬現實技術為藍本，將知識與情境結合起來，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，改變傳統學習方式(圖1)。采用三維情境式設計，身臨其境；以真實、規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備(表2)，內容豐富，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備，學習有關知識，還可作為安全手冊、使用手冊、數據手冊使用；可以學習儀器設備的操作使用，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 實驗室安全虛擬現實(VR)體驗系統項目一覽表

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，北京交通大學發生實驗室爆炸事故。我們從事故緣起、經過、原因、事后處置，以及相關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，同時也結合授課教師親身經歷，現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論與報告，提升學生自主探究能力。其中如何設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VOCs調查等都是課程的典型項目，特別是CAD制圖版的實驗室設計內容，得到學生的廣泛歡迎。通過近五年對這個項目的跟蹤調查，該組學生設計作品的完成質量整體得到提升。項目式學習激發了學生對課程內容的學習興趣，教學設計的目標定位從知識型、了解型轉變為能力型、掌握型，強化了實驗室安全課程的系統性和對培養目標的支撐度。

4 結語

實驗室安全工作任重道遠，其重要性再怎么強調也不為過。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、常規性、后續性的安全教育，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，就是教學內容不再是干癟的，而是內涵深刻而豐富的。STEM教育提出的初衷就是使傳統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，有利于創新人才和高水平技能人才的培養，這與新工科建設的理念不謀而合。我國STEM教育雖然還在發展期間，但是已經得到國家及各方的重視，并且在積極建設當中。新工科的出現毫無疑問帶來了嶄新的氣象，使得STEM教育在我國的發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，很可能會對教育領域的綜合改革起到牽一發而動全身的作用，撬動課程從內容到形式的全面改革，并在中小學教育、職業技術教育、高等教育、繼續教育等多個領域都會產生系統性影響。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律并勇于做出改變，持續改進，就一定會產生更多的人才培養成效。