論實驗人員的安全防護能力及其復合培養模式

李 伯 平

(南開大學 化學國家級實驗教學示范中心,天津 300071)

0 引 言

安全教育應以提高學員的安全防護能力為目標，但從檢索結果看，現有與安全教育相關的教科書、研究論文幾乎都聚焦于安全基礎知識，沒有就安全防護能力進行過系統的闡述，甚至沒有提出過安全防護能力的概念[1-11]，例如《高校實驗室化學安全與防護》[1]《實驗室安全基礎》[3]《高校實驗室安全基礎》[4]《大學實驗室安全基礎》[5]《Laboratory safety for chemistry students》[6]《School chemistry laboratory safety guide》[7]等教科書均未涉及安全防護能力的概念和系統理論。從鄭春龍等[8]的研究結果也可以看出，中外教科書均缺少“安全防護能力”的關注。王文靜等[9]提出的高校安全水平指標體系也沒有將實驗人員的安全防護能力納入其中。作者在長期的工作中發現，即便是擁有良好安全知識的實驗人員在科研中仍然可能存在應對風險能力不足的問題。究其原因主要有兩個，① 創新研究涉及未知領域，相關的知識、設備、材料、流程往往特殊、陌生而復雜，除了需要基礎安全知識之外，還需要很多特殊、復合的新安全知識，以致實驗人員已有的安全知識不足所需，就像一位只會開摩托車的駕駛員不會駕馭汽車一樣；② 知識與能力之間往往存在鴻溝，針對一個陌生實驗過程的危險因素分析、安全防護方案的設計以及有效實施需要強大的綜合解決問題的能力，而僅靠單純的知識學習很難獲取這樣的能力，就如安全駕馭汽車的能力很難僅憑熟讀駕駛教科書形成一樣。顯然，安全教育需要“調焦”至安全防護能力上。

安全防護能力是一種實踐能力，但調查發現，當下越來越多的高校將有適度危險的實驗從實驗課中剔除，以確保學生和自身的高度安全，使學生徹底失去了安全防護能力的實訓機會，以致他們可能沒有足夠的能力應對未來實驗的危險。因此，探索可行的能力培養模式是安全教育的使命。

本文將定義“安全防護能力”的相關概念，并系統論述安全防護能力的構成要素，并探討培養安全防護能力的有效模式及介紹新模式的實際應用情況。

1 實驗人員安全防護能力的定義

廣義的“安全防護能力(Safety Protection Capability, SPC)”是指個體、機構乃至社會所具有的防范、應對各種安全風險的能力。對于不同主體，SPC有不同的狹義內涵，本文探討參與理工科學實驗的人員在實驗中防范與應對安全風險的能力，是特指實驗人員的SPC，優良SPC的內涵是：在足夠的安全意識驅動下，運用安全理論與經驗，全面分析實驗可能存在的危害因素，研究規避方法，通過對設備、流程與參數、材料、監測系統、環境條件、人員等單元的合理配置，構建有冗余的安全防護方案，并在該方案的指引下對實驗中的危險因素進行有效監測與控制，能在意外發生時合理、有效地應對。

2 構成實驗人員SPC的要素

假如把實驗人員的SPC看成一幅“拼圖”，那么它由以下不可或缺的5部分構成。

2.1 安全意識

實驗人員應該具備“足夠”的安全意識。不同人對“足夠”的理解可能存在很大的偏差，為了避免這樣的問題，賦予了“足夠的安全意識”深刻、完整、明確的內涵——實驗人員對有關安全意識的以下8個方面都能有深刻理解并形成長期意識：① 事故往往在不經意中或心懷僥幸時發生；② 風險失控的結局可能是災難性的；③ 重大安全事故的責任單位、責任人會被追究刑事責任；④ 預防風險的投入往往是最劃算；⑤ 沒有進行過危險性評估的實驗是可能存在危險；⑥ 任何有風險的實驗必須有安全防護方案；⑦ 實驗在安全性上必須有足夠的安全冗余；⑧ 安全防護方案必須在實驗中有效實施。

“安全冗余”一詞原本是工業、工程技術以及IT領域常用安全設計術語[12]，是指通過潛在危險性分析，制定雙重或多重安全防護措施來預防事故發生的安全理念。在有冗余度的多重安全設計系統中，即使有一兩道防線失效，還有冗余的防線可阻止事故發生。

對于有危險的項目，沒有安全冗余的實施方案是令人擔憂甚至恐懼的。1986年1月28日，美國“挑戰者”號航天飛機在起飛73 s之后爆炸墜毀，起因只是所用的O形橡膠密封圈因氣溫較低失去了彈性，導致高溫氣體外泄，進而引起外掛燃料箱內液氫泄漏，引發了大爆炸，7名宇航員全部罹難，經濟損失達55億美元，成為世界航天史上最大的災難。從調查結果看，NASA相關人員違規讓航天飛機在安全氣溫以下強行起飛，以及機體密封設計缺乏足夠的安全冗余是釀成災難的根本原因[13]。

盡管國內高校都設有較完整的安全教育課程，但近年來高校實驗室依然發生了很多安全事故，自2011年以來的7年里驚動全國的爆炸事故有9次[13]，清華、復旦、南開、川大、華東理工等高校都出現過，平均每年超過1次。這些事故相關的責任者均接受過安全教育，也知道實驗存在危險，但悲劇還是發生了，問題的根源在于他們的安全意識并沒有達到上述8個要求。2016年9月21日，上海某大學一實驗室發生爆炸，2名學生眼、面部受重傷，從多方媒體[14-17]透露的情況看，是3位研究生在制備氧化石墨烯過程中反應失控發生爆炸，當事者在爆炸發生前還未忘記告誡學弟注意實驗的爆炸危險，顯然不能說他沒有一點安全意識。

2.2 安全知識體系

安全知識劃分為基礎安全知識和特殊安全知識兩類。基礎安全知識是指傳統安全教育課程傳授的安全知識，其他的、特定研究過程必需的安全知識則通稱為特殊安全知識。

常規安全教育課程所涉及的安全知識很難全面、深入。許多特殊場景中的特殊安全知識需要通過針對性學習獲取。例如，美國化學文摘記載有多達1.37億種化學物質[18]，可導致危險、危害的物質何止百萬種，安全教科書所能涉及的危險性物質只是滄海一粟。因此，通過檢索MSDS(材料安全性數據說明書)數據庫獲得化學實驗項目所涉及化學物質，包括原料、產物、中間產物的詳盡安全數據是十分必要的。

一項創新研究可能會關聯多個學科領域，涉及專用儀器設備和材料以及復雜的工藝過程，會遭遇各式各樣的安全問題，因此所需的安全知識會具有多樣性特征，完全有可能超出研究者的專業范疇。因此，參與科研的實驗人員應該通過大量查詢、補充學習使其安全知識具備足夠的系統性和完整性。

2.3 實驗危險性分析的能力

歐美國家在工程、工業領域廣泛采用工作危險性分析(Job Hazard Analysis，JHA)評估工作風險[19]。實驗研究會面臨陌生、復雜、暗藏危險的過程，因此美國化學會將危險性分析技術引入實驗室的風險評估中[20]。針對實驗的危險性分析應力求全面無疏漏。即使是同一個實驗項目，假如選擇的設備、藥劑用量或其它參數不同，有可能導致潛在危險的類型與程度不同，因此需要做出相應的危險性分析。

實驗人員應該學會從以下4個層面評估一項具體、特定的創新實驗的風險：① 分析相關儀器、設備、藥劑、材料帶來的危險性;② 從運行機理上分析各單元(反應)過程存在的危險因素;③ 分析人員以及環境條件是否對實驗項目的安全性的影響;④ 針對擬定的實驗方案，綜合分析存在的危險因素和危害程度。

2.4 實驗安全防護方案的設計能力

對于有一定危險性的研究，必須謹慎設計實驗方案；一個好的安全防護方案應該在理論上經得起反復推敲、有足夠的安全冗余。理論上存在疏漏、無安全冗余或冗余不足的技術方案，在實施過程出事故的概率就會很高。安全防護方案的變更應依據變更管理制度進行評估、審核、驗證與備案。

安全防護方案的設計通常涉及以下5個方面。

(1) 設備選型與設計。為實驗選擇有高安全冗余設計的設備非常重要。如某款壓力鍋采用了罕見的六重安全防線設計：防線1，鍋身材料的可耐受壓力遠高于使用壓力；防線2，利用限壓閥來限制內壓超限；防線3，在限壓閥入口設置了防堵罩，防止排氣孔的意外堵塞；防線4，假如限壓閥遭遇極小堵塞，鍋內壓力會上升，啟動警示器用戶馬上關閉熱源；防線5，如果熱源沒關閉，鍋內壓會繼續上升，則安全閥將發揮泄壓作用；防線6，如果安全閥意外失靈，鍋壓繼續上升，則泄壓安全窗將被打開，實現泄壓。要讓這種具有6重安全設計的壓力鍋發生爆炸是非常困難的。

當現有設備無法滿足安全防護要求時，可以設計、定制適用的、高安全性的設備。例如在石墨烯制備實驗中，為了防止反應體系的噴濺(爆)危險，設計制作了一種安全反應箱，它采用了防爆、防噴濺、防溢流的安全設計，使反應過程有了很高的安全冗余。

(2) 藥劑或材料的優選。在保證實驗效果的前提下選用安全性較好的藥劑與材料。找出殊途同歸的替代方案本身創新。

(3) 運行參數的確定。讓實驗盡可能在遠離安全閾值下。例如將石墨烯制備反應體系的總劑量控制在較低范圍內時，危險的噴爆就不容易發生，事實上很多時候我們沒有必要用那么大的反應劑量；采取降低反應溫度、延長反應時間往往也能提高該反應的安全性。

(4) 設計過程監測與控制方案。任何事故在發生前都有蛛絲馬跡，為實驗制定實時監測、預警與控制方案是必要的。

(5) 確定操作人員的防護方案。根據有“安全冗余”的原則設計人體防護方案。例如，我們為石墨烯制備實驗設計了“過度”的人體全覆蓋式防護方案，該方案采用了防化學藥品的阻燃罩衣(袖端收口、無紐扣設計)、抗沖擊透明面罩、安全帽等防護裝備，讓我們可以非常安心地讓學生做有適度“危險性”的實驗。

(6) 設計應急預案。有完備的預案，才最有可能在救險黃金時間內展開有效救護。

2.5 安全防護方案的驗證與實施能力

一方面，基于理論或假設的推論是否確切需要實驗驗證；另一方面，初擬的安全防護方案可能存在瑕疵，也有必要通過實驗來驗證。在驗證性實驗過程中連續監測重要參數的變化，以分析、確定現有安全防護邏輯的合理性。假如出現意外情況，則需重做危險性分析，并依據新分析結果對安全方案作出修正。

當實驗方案更改時，也需要重做危險性分析，安全防護方案隨之作必要的更改與驗證。

已通過驗證的安全防護方案必須被完整執行。盡管它有可能會增加實驗的難度、實驗的成本，還可能會降低實驗的效率，但實驗人員不能隨意改變既定方案。

實驗人員應具有實驗操作、控制能力，以及意外事故的應急處理能力，以保障安全方案的完整可實現性。

3 SPC的復合培養模式

3.1 注重系統化培養

為了構建實驗人員完整的SPC“拼圖”，安全教育應該有系統化的理念。

學生獲得系統化的SPC的兩個優選步驟是：① 形成足夠的安全意識，學好基礎安全知識；② 參與設計有適度風險的研究性實驗，通過紙上推演以及應用實戰，獲得專用安全防護知識、經驗和各項技能。

所說的“紙上推演”類同于軍事上的“兵棋推演”[21]。紙上推演與常規的知識學習有很大的不同，它強調創造性地運用各種知識，為實驗設計個性化、周全的安全防護方案，然后通過虛擬演練，檢驗安全方案的可行性與可靠性，找出方案的缺陷并加以完善。

3.2 與研究性實驗融合

將基礎安全知識的教學與安全意識的培養安排在本科一、二年級階段；在三年級階段，將SPC的培養過程融合在以鍛煉學生科研能力為主的研究性實驗中，讓學生完整經歷危險因素分析、安全防護方案的制定、安全防護方案的驗證與實施、突發事故應急處理的綜合訓練，使學生的SPC達到可以應對較復雜、有一定危險性的研究課題的要求，這樣的培養模式可以起到一石二鳥的作用。

4 創新培養模式的實踐與成效

化學院要求大一學生都必須完成基礎安全知識的學習與考評，通過考評者才能獲得實驗室準入資格。4年前刻意將有一定風險的“石墨烯相關系列研究性實驗”引入三年級的實驗課中，其目的在于培養學生的創新研究能力和安全防護能力。在該課程中，要求學生分析相關化學品的MSDS、解析危險發生的內在機理、挖掘各種潛在的危險因素，設計并推演“有安全冗”的實驗方案。針對學生方案中存在的安全問題，老師會進行深入分析并給出優化意見。隨后，學生還需參加一項專門針對該實驗的安全防護能力測評，通過測評后便獲得實驗資格。實驗結束后學生在實驗報告中應作出相關總結。

4年多的教學實踐證明，化學法制備石墨烯過程中的危險完全可以通過采用多重安全防護措施得到完美控制，學生在實驗中表現出色，4年來從未出現任何安全問題；從學生的反饋看，他們一致認為這樣的實驗讓他們有機會深刻理解SPC的內涵，這種強化實訓讓他們的安全防護意識和能力得到了顯著提升。

5 結 語

傳統安全教育亟由知識傳授向能力培養轉變。為此，很有必要提出安全防護能力(SPC)的相關概念，并系統闡述其形成要素，以及探討其培養模式。

實驗人員的SPC是指實驗者防范、應對自然科學實驗中的安全風險的能力，它由5個方面的要素構成，包括安全意識(包含8個方面)、安全知識、危險因素的綜合分析能力、防護方案的設計能力、安全防護方案的驗證與實施能力。

培養實驗人員的SPC應該兼顧上述五要素。首先要讓實驗人員形成足夠的安全意識、掌握必要的基礎安全知識，然后讓他們通過紙上推演以及在有適度、可控風險的研究性實驗中的強化學習，獲得專用安全防護知識、經驗和各項實戰技能。該理念已被應用于“石墨烯相關系列研究性實驗”中，發揮了創新研究能力和SPC培養的雙重作用，歷經4年的實踐證明該復合培養模式可行，成效顯著。