化學實驗室安全教育虛擬仿真實驗教學設計與探索

柳蔭，陸慧麗，張瑋瑋，柴成文，袁文霞，常璐璐，郭麗芳

北京科技大學自然科學基礎實驗中心，北京 100083

實驗室安全是教育事業不斷發展、學生成長成才的基本保障[1,2]。2019年教育部印發的《關于加強高校實驗室安全工作的意見》(教技函〔2019〕36號)指出，高校實驗室是開展科研和教學的重要場所，體量大、類型繁多、安全隱患分布廣，包括危險化學品、易制毒易制爆材料、生物污染、輻射、機械、電器、特種設備等。其次，實驗室中重大危險源相對集中，教育教學內容和項目變化快，接觸和操作人員不固定，這使得安全風險具有累加效應[3]。近年來，高校實驗室安全事故時有發生，因此，進一步加強學生實驗室安全教育、規范學生實驗操作迫在眉睫，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 課程建設目的及目標

我校設有專門的實驗基地，承擔化學、物理、電工電子、力學、數學等多個學科的實驗教學工作，其中化學因其學科特性可能會引起多種事故，包括火災爆炸、觸電、機傷、腐蝕、輻射、中毒、感染等，向來是安全教育的重中之重。

《教育部辦公廳關于開展加強高校實驗室安全專項行動的通知》(教技函〔2021〕38號)要求，高校要建設實驗室安全教育體系，把實驗室安全教育納入學生的培養環節中，明確涉及實驗風險的各級各類學生的培養要求，建立實驗人員安全準入制度，要求進入實驗室的師生必須先進行實驗室安全知識、安全技能和操作規范培訓的必修課課程或培訓并進行考核，未取得相應學分或未通過考核的人員不得進入實驗室進行實驗操作[9]。

為提高師生安全意識、加強安全操作技能及應急處理方法培訓，落實實驗室安全準入制度，規范實驗室管理，我校在現有安全教育理論課程的基礎之上，借助虛擬仿真技術手段，開展實驗室安全教育虛擬仿真實驗教學課程建設[10–12]，建設一個融合實驗室安全教育與考核于一體的，具有“基礎性、綜合性、引導性和開放性”的虛擬仿真實驗教學綜合管理系統，做到從實驗學生、任課教師、實驗室負責人多方面抓取實驗室安全工作，進一步完善實驗室安全教育教學工作。師生通過該安全教育虛擬仿真系統學習安全知識、掌握必備實驗技能后必須通過實驗室安全考試才能進入實驗室學習，有效地提升師生實驗室安全意識、培養師生實驗安全素養，落實實驗室安全準入制度。

2 化學實驗室安全虛擬仿真實驗教學系統構建關鍵技術

基于動態過程仿真平臺(Dynamic Process Simulation Platform，DPSP)開發的化學實驗室安全教育虛擬仿真培訓系統是一款集資源瀏覽、仿真操作、在線學習、考核于一體的信息化網絡仿真培訓學習管理平臺，利用三維可視化、網絡通信、多媒體、人機交互等技術，把化學實驗室涉及到的“典型事故案例”“隱患排查”“事故急救與逃生”等內容制作成可體驗或可交互的虛擬仿真實驗，并放到虛擬仿真平臺上，以實現典型事故案例學習形象化、仿真考核網絡化、隱患排查和事故處置三維可視化，從而使實驗室安全教學工作網絡化、信息化。軟件為Web端版本程序，教學系統軟件不需在電腦端安裝，軟件的維護、更新和升級均在服務器。系統整體結構采用B/S架構，服務器采用多層結構方式開發，實現虛擬仿真場景培訓。3D虛擬仿真場景采用unity3D引擎和c#語言開發，使用PBR次時代流程進行三維建模、真實1:1還原設備的尺寸，準確度在90%以上，基于機理模型可實現巡檢管理、隱患排查、設備管理、事故進展推演、應急處理(圖1)。

圖1 虛擬仿真教學系統架構圖

3 虛擬仿真實驗內容設計

我校為本科生開設四門化學實驗課程：無機化學、有機化學、分析化學、物理化學，均有相對應的實驗室。以現有的實驗室為模型，利用虛擬仿真技術一一還原，使師生盡可能地熟悉實驗室環境，避免進入真實的實驗室時產生陌生感。實驗室安全教育虛擬仿真教學系統包括四大部分：理論知識學習、仿真訓練(包含5個模塊，即樓宇環境模塊、無機化學實驗室模塊、有機化學實驗室模塊、分析化學實驗室模塊、物理化學實驗室模塊)、考試系統和教師管理系統(圖2)。

圖2 虛擬仿真教學系統設計流程圖

3.1 理論知識學習模塊

系統提供了豐富的知識點資源，包括視頻學習、習題練習、拓展學習三部分內容。該系統提供了35個可在線安全知識播放動畫，內容涵蓋：

(1)人身防護及應急處理(包含實驗室安全、緊急噴淋洗眼器、AED使用方法等9個flash，每個flash視頻展示時長不少于1 min)；

(2)消防安全(包含滅火器分類及使用、火災分類、預防火災的措施、消防栓分類及使用等8個flash)；

(3)實驗室應急傷害處理(包含化學燒傷及處理、割傷的緊急處理、鹽酸傾灑處理等5個flash)等安全知識的使用培訓。

系統中設有題庫(超過2000個題目)，教師可隨時上傳知識點視頻資源和關聯習題，并對知識點進行更新，為學生提供更全面的安全教育。學生在線上觀看視頻資源，進行題庫練習，能有效地提高學習效率，加深對安全知識的理解。

3.2 仿真訓練模塊

仿真訓練設有樓宇環境模塊、無機化學實驗室模塊、有機化學實驗室模塊、分析化學實驗室模塊、物理化學實驗室模塊5個模塊。其中，樓宇環境模塊詳細介紹了樓宇安全裝置設施的位置及逃生路線，是其余所有模塊的安全前置內容。其他4個模塊根據四大化學的特點詳細列舉了各類實驗室常見的安全隱患，包括人身防護及應急處理、消防安全、法規及制度、試劑安全、用電安全、化學實驗室基本安全操作、壓力容器安全、輻射安全與防護等40多個典型事故案例，并演示必要的安全技能操作和逃生技能。學生在學習安全知識的同時要實際進行規范的安全技能操作，使學生學以致用，避免紙上談兵。

3.2.1 樓宇環境模塊

該模塊旨在使學生了解樓內安全設施的位置，包括樓梯、電梯位置，滅火器、消火栓、消防設備箱、急救箱，緊急噴淋、洗眼器等的位置，以及緊急逃生路線等。在熟悉樓內環境后，學生需要完成安全設施位置對應思考題，確保掌握后才能進入無機化學、有機化學、分析化學、物理化學實驗室模塊進行學習(圖3)。

圖3 樓宇安全設施位置圖和思考題

3.2.2 無機化學實驗室模塊

無機化學實驗室藥品種類較多，實驗時會使用酒精燈、電熱板等小型儀器。該模塊列舉了無機化學實驗室常見的安全隱患，如實驗室內吃喝、不穿實驗服、加熱后取樣不戴線手套、加熱溶解樣品時不開通風等。學生需要在實驗室內找到設置的安全隱患，找到后系統會講解相對應的處理方案，若學生未找到隱患，則系統會呈現隱患可能造成的安全事故，使學生全方位地了解不良的實驗操作帶來的嚴重后果(圖4)。

圖4 無機化學實驗室安全隱患、危化品分類和危廢分類

該模塊還講授了危險化學品的分類與存放，設置約30種常用危險化學品，含易燃、易制爆、腐蝕、易制毒、氧化劑、活潑金屬等(圖4)。系統模擬了化學品安全技術說明書(Material Safety Data Sheet,MSDS)的查閱方法，學生需查找MSDS，確認分類。學生完成危險化學品的分類后，系統會根據學生的作答情況提供講解并演示分類錯誤可能造成的事故。危險廢棄物分類與回收處理也是學生的必備技能。系統設置了常見的危險廢棄物分類，如無機廢液、有機廢液、實驗垃圾、玻璃廢棄物、普通垃圾等，學生需完成危險廢棄物分類并學習理論知識(圖4)。

3.2.3 有機化學實驗室模塊

有機化學實驗室分類存放了大量有機物，易燃易爆，學生在實驗室內進行多種有機合成實驗，設置的安全隱患主要包括有機合成裝置的錯誤安裝、水銀溫度計摔碎后的處理、有機試劑的存儲、有機物的加熱方法等。該模塊重點展示了不同規模化學火災的處理方法及火勢失控后的逃生方法。學生需掌握3種中小型火災的救火方式，如酒精燈著火、試劑柜著火等，根據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需使用消防沙，但當試劑柜著火時火勢較大需使用滅火器(圖5)。系統設置了兩種火勢失控后逃生現場：實驗室有大量濃煙時通過逃生通道逃生(圖6)；在逃生通道被火焰、濃煙封閉時，操作緩降逃生繩索脫離危險。學生需在系統指引下完成火災急救和逃生，并學習相關理論知識掌握實驗室火災滅火的方法和注意事項。

圖5 不同火勢現場的滅火方法

圖6 火勢失控后逃生方法

3.2.4 分析化學實驗室模塊

分析化學實驗室主要進行滴定實驗，涉及大量強酸強堿。該模塊設置了多處安全隱患，如錯誤操作滴定管、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。學生還將在分析化學實驗室學習如何處理酸堿灼傷后的傷口，系統重現了鹽酸、硫酸和氫氧化鈉傾灑的過程及對人體造成的傷口情況，并帶領學生逐步處理傷口及事故現場。此外，分析化學實驗常使用馬弗爐，系統講述了馬弗爐的使用方法，并模擬了錯誤使用馬弗爐后樣品冒煙導致煙感報警的事故現場，指導學生快速處理，減少損失(圖7)。

圖7 分析化學實驗室安全隱患、酸堿灼傷處理和馬弗爐使用方法

3.2.5 物理化學實驗室模塊

物理化學實驗室設備和氣瓶多，常發生電氣類事故，安全隱患主要設置在插線板、管式爐、高壓氣瓶等處。該模塊要求學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觸電事故后的緊急處理及如何實施急救心肺復蘇。學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 物理化學實驗室安全隱患、氣瓶分類和心肺復蘇

3.3 考試系統

學生完成上述5個模塊的學習后需在平臺上參與在線考試。考試系統包含理論知識點考試和仿真考試兩部分。理論知識點考試分值為40分，從系統設有的題庫中隨機抽取，學生可以在考試前在線查看題庫集和題目詳情，進行在線題庫練習，做好考前準備。仿真考試分值為60分，教師從虛擬場景中抽取2–3個場景進行在線仿真考試。

考試結束后，系統自動評判給出成績，兩部分成績的總和為最終考試成績，80分及以上為合格，系統自動生成化學安全準入證書表示完成實驗室安全教育課程，學生憑借此證書可進入校內線下化學實驗室學習(圖9)。安全教育虛擬仿真教學系統以本校現有的化學實驗室為模型，涉及的安全教育知識只針對化學實驗室，學生獲得的安全準入證書也只可進入化學實驗室。

圖9 安全準入證書

4 虛擬仿真平臺教學實踐成效

化學實驗室安全教育虛擬仿真實驗教學系統已作為我校材料、化學、能源、冶金等專業的學生進行化學實驗課程學習之前的安全準入課程開放使用。平臺已完整開設4學期，取得了積極的教學效果。

安全教育虛擬仿真的建設，突破了傳統安全教育方法的局限性，解決了現場演練危險系數大、成本高、見效差的問題，能顯著提高教學效果。在教學過程中，學生通過自行操作安全教育軟件，學習了相關安全知識點、實驗室常見的安全隱患、綠色化學理念以及火災、觸電、氣瓶泄漏等事故的急救和逃生手段。目前，在實驗室出現小型事故(如玻璃碎片割傷、酸堿傾灑、酒精燈傾灑等)時，學生都能有條不紊地處理，并未出現慌張情緒導致事故范圍擴散。課程完成后對超過500名學生做了問卷調查，超過80%的學生表示課程內容設置全面合理，難度適中，通過認真學習能有效掌握安全知識；超過70%的學生認為學習過程體驗較好，實驗場景真實，彌補了知識盲區。借助此虛擬仿真平臺的建設和設計經驗，未來將繼續構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 結語

本文設計并建設了化學實驗室安全教育虛擬仿真教學系統，采用具有引導性和開放性的教學方式，將線上虛擬仿真實驗與線下理論課程結合，以三維交互技術為核心，通過逼真的三維實驗操作結合二維動畫、視頻、圖片、文字等多媒體學習資源達到實訓的效果，并以科學完善的考試系統評價學習效果，是一種全新的教學方式。該教學系統的推廣和使用為學生提供了安全、高效、形象的學習環境，不僅降低了安全教育的成本與風險，還極大地提高了以化學為基礎學科的相關專業學生的學習興趣，增強了學生對于安全知識的理解，提高了學習效率，豐富了教學模式，達到教學計劃要求的授課效果。

該系統已獲得計算機軟件著作權登記證書，提供單機版和網頁版兩種使用方式。目前，已有超過1500名本科學生通過該系統完成了化學實驗室安全教育課程，獲得實驗室準入證書。化學實驗室安全教育虛擬化滿足當代本科生教育教學方式改革，落實了高校教學實驗室安全工作，對提高國民安全意識、強化安全技能具有重要意義。