化學實驗安全教育國家級虛擬仿真教學項目建設與實踐

劉敏 陳明麗 孟皓 可迪 孫忠喬

摘? 要：針對高校化學實驗室存在的安全問題，東北大學化學實驗中心開發了化學實驗安全教育情景互動式虛擬仿真教學項目——依據實驗室實際布局搭建模型，構建一個高仿真度的、高交互操作的、全程參與式的、可提供實時信息反饋與操作指導的場景，讓學生在高度仿真的場景中安全高效地開展教、學、練、考，使學生直觀地“看見危險，做到安全”;設計了集理論學習，實訓操作，考核評定三位一體的完整的實驗網絡教學管理體系，旨在培養學生的安全意識和責任感，建立對于安全事故的預判和處理能力，促使其養成科學、健康、安全的行為習慣，消除日常工作中的安全隱患，減少意外的發生。

關鍵詞：化學實驗室安全教育;虛擬仿真實驗;實驗室安全

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）21-0010-04

Abstract： In view of the safety problems existing in chemical laboratories in colleges and universities， an interactive virtual simulation teaching platform for chemical laboratory safety education is established by the Chemical Laboratory Center of Northeast University. Based on the actual layout of the laboratory， the scenes with a high simulation， interaction， full-process participatory， real-time information feedback and operational guidance are established and enable the students and teachers to teach， learn， practice and test safely and efficiently， so that students can intuitively "see danger and do safely". A complete experimental network management system with trinity， including theoretical study， practical operation， assessment and evaluation， is built aiming to cultivate students' safety awareness and sense of responsibility， accident prevention and emergency handling ability， promote students to develop scientific， healthy and safe behavior habits， eliminate safety hazards in daily work， and reduce the occurrence of accidents.

Keywords： chemical laboratory safety; virtual simulation experiment; safety education

引言

近年來，國家顯著增加了對高校實驗室建設資金的投入，使得實驗室建設在數量和質量上都得到了明顯改善，但仍然存在一些共性問題，如實驗室建設發展過程中統籌規劃不足、資源使用效益有待提升、實驗室安全等。尤其是隨著高校生源及實驗室規模的不斷擴大，教育改革的不斷深化，學生自主實驗、創新實驗的激增，實驗室的流動性、開放性的加大使得高校實驗室在安全管理方面的問題日漸凸顯[1]。高校實驗室特別是化學實驗室，本身就具有很強的安全風險。化學實驗室中除了消防及水電安全外，因自身特性而不可避免地使用各種危險化學品以及各類高低壓電器和裝置，且涉及到高溫、高壓、真空及輻射等多種危險因素。上述特點就決定了化學實驗室事故往往具有不可預知性、不確定性，稍有不慎就有可能釀成悲劇[2-3]。近年來對多起典型實驗事故的發生原因的研究表明[4-5]，違反操作規程或操作不當、疏忽大意是導致實驗室安全事故的主要原因，本質原因都是人的安全意識薄弱以及對于安全事故的預判和處理能力不足。通過實驗室安全教育與考試，加強實驗室安全教育來減少實驗室安全管理過程中人為因素的隱患，是預防實驗室安全事故發生的有效手段[6]。

一、國內高校實驗室安全教育研究現狀

國內部分高校初期的實驗室安全教育內容大都停留在通識安全教育上面，教育內容手段單一，教育形式以安全講座，專題培訓，橫幅宣傳為主[7]。一些高校陸續開設全校性實驗室安全公選課程，將實驗室安全教育納入學校教學體系[8]。實驗室安全教育課程以面對面的課堂教學為主，包含通識教育和專項教育[9]，主要講授安全知識，安全準則，事故案列呈現，法規政策及事故的預防和處置等理論知識，輔助錄像播放以及動畫播放。隨著現代信息技術的快速發展，基于internet環境下的網絡培訓及考試系統迅速發展起來[7，10]。高校實驗室安全教育及考試系統是利用校園網絡資源，開發出的符合本校學科特色的實驗室安全教育及考試系統，該類系統突破了傳統的面授形式，不再受場地及人員的限制，學生可以不受時間空間的限制隨時隨地上網，在線學習實驗室安全知識，并在線考試檢驗學習效果。目前，大部分高校在實驗室教育及考試系統的支持下采取嚴格的準入制度[10-11]：針對進入實驗室師生的一種約束機制，學生在參加實驗教學之前要進行的強制性安全教育，并參加實驗室安全考試，成績達標后，簽訂實驗室安全承諾書后方可進入實驗室。

目前實驗室安全教育中一個重要的問題就是重理論輕實踐，安全操作培訓還只是停留在紙上談兵的層面。雖然在專業學習時學生們已了解甚至熟習了事故的處理流程，但由于缺乏實際經驗，能否做到臨危不懼，仍是一個極大的考驗。為了解決這一問題，大多實驗室都引入了實戰演習環節，但限于安全，經費等因素，僅限于火災逃生演習，滅火器使用等[5，12]。實戰演練顯然不能僅僅停留在滅火等消防演練上，更多的要立足于專業實際，開展各實驗室的專業演練。一些高校針對化學實驗室開展了如濃鹽酸泄漏演練，防化裝備穿戴，化學污染后的淋洗等安全事故場景[5-7]，但對于安全環境復雜的化學實驗室是遠遠不夠的，一方面安全演練的次數有限，難以達到預期的教學效果;另一方面一些實驗和實踐環節是在真實環境下實施難度較大，演示成本高，缺少讓學生動手實踐的條件，很難讓學生有親身的體驗和直觀的感受，亟待探索出更多的實驗室人員安全培訓模式。

虛擬仿真實驗室是知感科技憑借多年的技術積累和對教育領域的深層次理解，并經過市場檢驗、驗證打造的符合教育信息化2.0新形勢下進行的教學體驗[13-15]。而將開放式虛擬仿真實驗教學作為一種新的教學資源加以引入更是解決高校實驗室安全中弱化安全技能問題的一種有效方案[16]。東北大學化學實驗中心開發了具有獨立知識產權的化學實驗安全教育情景互動式虛擬仿真教學平臺，將危險和事故“搬進”實驗室——通過沉浸式虛擬仿真學習和實景模擬操作，使學生能夠在安全狀況下了解危險，體驗危險，處理危險，上好化學實驗第一課，從源頭上杜絕安全隱患。

二、化學實驗安全教育情景互動式虛擬仿真教學平臺

（一）建設思路：強調可操性，體現信息化

化學實驗安全教育虛擬仿真教學平臺堅持以學生為中心的實驗教學理念;始終圍繞“服務學生、服務教學”的目標;采取“以虛代實、以虛補實和以虛驗實”的虛實結合方式;將不能或難以實現的場景虛擬化、枯燥的知識和技能學習趣味化;以學生自主學習、在三維實景中學習、操作、考察學習效果。該項目可以貫穿整個學習環境，可學、可練、可測，可自學、可教學、可考評，環環相扣，讓使用者身臨其境、全程參與，既體驗學習正確的操作方式，也真實感受操作失誤造成的嚴重后果，讓學生建立起實驗操作過程中有可能發生的安全事故的感性認知，并通過實訓，培養學生安全防范意識。

（二）教學手段：強調體驗性，體現前瞻性

平臺堅持情景式、闖關式、沉浸式和娛樂式的學習理念，利用三維仿真技術對實驗的環境、設備、材料等進行模型構建，并配合手柄、頭盔、VR眼鏡等人機交互技術手段實現在虛擬場景中進行各種化學實驗操作，為學生打造身臨其境的學習體驗。教學過程中，當學生進入實驗教學模式后，系統就會通過語音和智能標簽來引導學生完成實驗基礎操作。另外，系統會以動畫的形式對實驗步驟進行一一講解，通過具體的畫面進行教學。除了在仿真模擬場景漫游外，學生還可以操控VR手柄控制設備的開關，進行實驗相應步驟的操作等。在實驗操作的同時，系統會記錄學生的操作過程，如果學生操作有誤，系統還會以逼真的災害場景提示，并及時糾正錯誤的操作步驟，如在虛擬仿真的逃生和操作單元中，最嚴重的誤操作后果有“爆炸”和“死亡”等三維實景虛擬情景。

（三）教學內容：強調模塊化，體現系統性

我們以學生為中心，以需求為導向，從真實案例進行取材，并走訪基礎實驗室、科研實驗室，對奮戰在教學一線的專業課老師進行調研，結合課程內容和目標，構建了10個基本教學功能單元，具體內容包括化學品介紹與學習，危險化學品安全隱患查找，化學實驗室三廢處理知識學習，實驗室“三廢”處理安全隱患查找，化學實驗安全設施使用知識學習，化學實驗室安全設施與儀器使用隱患查找，實驗室環境與管理學習，消防和水電安全知識學習，火災逃生實訓及在線考試系統。上述10個基本單元的知識點均匹配隱患查找的仿真考試，應用于學習單元和考評單元。

（四）平臺功能：強調開放性，體現服務性

1. 理論學習：全面覆蓋，各個擊破

學生可登陸虛擬實驗平臺中心網站進行安全教育在線學習。學習教育單元支持危化品使用、儀器設備使用、災難預防、三廢處理、實驗室環境以及事故分析等多個知識點單元的自主學習。

2. 實訓操作：逐一演練，技能提升

實操教育單元，包括三維情景隱患查找仿真單元和三維互動實驗實訓單元，涵蓋了化學藥品、氣鋼瓶安全、“三廢”處置、安全設施、實驗環境與管理、水電安全、儀器設備安全、夜間實驗室安全、火災逃生等單元的安全問題。查找單元以闖關的形式，巧妙地將注意事項及易錯點做成陷阱，每個單元設置了約20項左右的錯誤操作，學生須根據自己學習的理論知識，在實景仿真環境下，逐個房間排查安全隱患，在最短的時間內找到全部的錯誤操作。該單元可設置錯誤點提示或非提示模式（考評單元），支持任意時間的自主學習，也可用于化學安全知識競賽。實訓單元中學生可以在具有真實沉浸感與交互性的虛擬實驗場景中，通過VR眼鏡及手柄和場景里的物件進行交互，體驗實時信息反饋，進行多種實驗操作。如火災逃生、消防器材使用、實驗室滅火及安全自救等參數化虛擬實訓，學生可以自由行走、探索、操作滅火毯、撲滅著火點，全方位掌控多樣化的體驗;演練逃生和自救方法，包括孰悉的環境、一般環境和特殊環境的逃生和自救。在滅火實訓場景中（圖1），實訓單元根據學生在三維情景下的應急反應狀況不同，后果不同：逃生方法不當，或者路線不當，或者超時，會有“犧牲”警示，渲染仿真情景下的實驗效果。

3. 考核評定：考練結合，分層次測驗

平臺提供多層次、有針對性、動態化的評價體系，在線考試系統支持2000道考題以上的自主設置考試模式設定，可設定任意分值，任意題量，允許學生參與不同形式，不同層次的考試。如可在三維虛擬仿真情景訓練單元進行考核，考核模式下系統會關閉提示功能，學生必須在規定的時間內完成實驗操作，以此來檢驗學生對實驗掌握的熟練程度。系統還會按照科學的考核機制對實驗完成情況進行數據分析，學生出現操作錯誤或者未完成實驗的情況都會進行相應的扣分記錄，最后給出客觀的考核評分。題目難易程度可以根據學生專業設定，學生可以按自己的學習進度，自行網上考試，考試系統支持多次考試，記錄最高成績，并生成成績證書。學生須要通過滿足自己專業要求的對應等級的安全知識考試，才能獲得進入實驗教學環節的資格，實現實驗室安全教育的過程化管理和結果化管理雙結合。

（五）平臺管理：有序化，數字化，智能化管理

平臺采用三級管理系統設計，三級為：系統管理員，實驗教師，學生，其中系統管理員權限最大，系統管理員可實現教師，學生管理，系統設置，實驗庫的維護，數字化資源管理等;平臺管理功能具體如下：

1. 用戶管理：包括用戶信息管理、 教師管理和學生管理，功能具備賬號登錄，新聞，站內信，排行模塊，資源管理，登陸人數統計等管理功能（圖2）。

2. 實驗管理：可進行實驗管理，添加，刪除，發布實驗等。可允許管理員自由添加新資源（包含flash動畫，gif， jpg， png圖片，mp4視頻，pdf文件等），也可審閱、刪除，擴展，嵌入由主流三維虛擬仿真技術開發的虛擬仿真軟件。

3. 試題管理：根據考試類型編輯自主學習或正式考試的考試題目數量、考試類型、通過分數、考試時間等;并可設置參加正式考試前需通過的自主學習通過次數;也可錄入擴充試題，可統一查看，導出成績，方便老師統計考核成績。

4. 考試管理： 考試管理可根據年級、院系、專業、班級等條件預約設置正式考試時間。考試時間設置支持預約考試周（預約考試周時間長短不限，考試周內學生均可參加考試，考試次數不限）或當堂考試（考試時間限定）。

相對于現行的靜態講解、模型展示為主的實驗室安全教學方式，化學實驗安全教育虛擬仿真教學平臺采用人機交互虛擬現實技術，交互式的視景仿真和實時的信息交流讓學生產生身臨其境的體驗;增加了教師、學生、知識三者之間的互動，突破傳統的只能做單向知識傳遞的教學方式，同時還提供了網絡實驗教學的一體化管理功能。

三、結束語

我中心建設的開放型，創新型，服務型安全教育虛擬仿真教學平臺，服務緊貼化學學科安全教育的現實需求，依托虛擬現實與多媒體技術，構建人機交互的實驗平臺設計框架，實現了實驗操作交互性和實驗結果仿真性一體化，基于平臺的化學實驗安全教育情景互動式虛擬仿真教學項目入選了教育部2018年度國家虛擬仿真實驗教學項目。我們堅信在開放運營模式下，實驗室將成為一個為學校為企業為社會提供服務的窗口，成為向全社會人員提供進行技能培訓和應急處理實訓的可行性服務基地，真正實現校內外，本地區及更大范圍內的實驗教學資源共享和示范輻射作用，最大化虛擬仿真實驗室效用。同時根據邊建設邊使用，邊使用邊完善的原則，通過參與者的使用和反饋意見，我們也將進一步完善和改進虛擬仿真實驗教學資源開發，誘發出更多的升級需求，在升級需求的導向下，引進更新的技術，達到自我更新的目的。

參考文獻：

[1]張宏玉.地方高校實驗室建設管理的探索與實踐[J].實驗技術與管理，2016，33（7）：28-32.

[2]孫建之，董巖.地方高校化學實驗室安全管理中存在的問題及對策[J].實驗室研究與探索，2017，36（5）：286-289.

[3]李廣艷.高校化學實驗室的安全管理探索[J].實驗室研究與探索，2014，33（3）：278-282.

[4]趙明，宋秀慶，等.新形勢下高校實驗室安全管理現狀與策略研究[J].實驗技術與管理，2018，35（11）：6-9.

[5]宋志軍，王天舒，等.高校實驗室安全教育現狀及對策分析[J].實驗室研究與探索，2015，34（8）：280-283.

[6]駱晶晶，葉義成，等.高校實驗室安全教育及實訓管理系統構建[J].實驗室研究與探索，2017，36（11）：297-301.

[7]張海峰，張帆，等.高校實驗室安全教育存在的問題與對策[J].實驗技術與管理，2017，34（9）：243-247.

[8]李丁，曹沛.高校實驗室安全準入體系的研究與實踐[J].實驗技術與管理，2014，31（7）：156-158.

[9]陳浪城，杜青平，等.“新工科”背景下高校實驗室安全教育改革與實踐探索[J].實驗技術與管理，2018，35（8）：260-262.

[10]李萬濤，尤婷婷，等.基于“互聯網+”平臺的高校實驗室安全教育與考試系統開發[J].實驗技術與管理，2018，35（5）：256-259.

[11]趙艷娥，賀錦，等.構建信息化管理平臺加強實驗室安全教育[J].實驗室研究與探索，2015，34（6）：290-293.

[12]杜奕，馮建躍，等.高校實驗室安全三年督查總結（Ⅱ）——從安全督查看高校實驗室安全管理現狀[J].實驗技術與管理，2018，35（7）：6-11.

[13]陳國輝，劉有才，等.虛擬仿真實驗教學中心實驗教學體系建設[J].實驗室研究與探索，2015，34（8）：169-172.

[14]劉亞豐，余龍江.虛擬仿真實驗教學中心建設理念及發展模式探索[J].實驗技術與管理，2016，33（4）：108-110.

[15]王成，洪紫杰.礦業工程虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐[J].實驗技術與管理，2017，34（1）：228-231.

[16]嚴金鳳.高校實驗室安全教育課程體系改革與創新[J].實驗室科學，2018，21（5）：215-217.

*基金項目：2018年度遼寧省普通高等教育本科教學改革研究項目立項一般項目“化學實驗安全教育虛擬仿真項目建設”（遼教函[2018]471號）

作者簡介：劉敏（1990-），女，漢族，吉林榆樹人，碩士，助理實驗師，研究方向：實驗室管理與技術。