劉敏 陳明麗 孟皓 可迪 孫忠喬

摘? 要：針對高?；瘜W(xué)實驗室存在的安全問題，東北大學(xué)化學(xué)實驗中心開發(fā)了化學(xué)實驗安全教育情景互動式虛擬仿真教學(xué)項目——依據(jù)實驗室實際布局搭建模型，構(gòu)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(dǎo)的場景，讓學(xué)生在高度仿真的場景中安全高效地開展教、學(xué)、練、考，使學(xué)生直觀地“看見危險，做到安全”;設(shè)計了集理論學(xué)習(xí)，實訓(xùn)操作，考核評定三位一體的完整的實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)管理體系，旨在培養(yǎng)學(xué)生的安全意識和責(zé)任感，建立對于安全事故的預(yù)判和處理能力，促使其養(yǎng)成科學(xué)、健康、安全的行為習(xí)慣，消除日常工作中的安全隱患，減少意外的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：化學(xué)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(xiàn)標(biāo)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(shè)資金的投入，使得實驗室建設(shè)在數(shù)量和質(zhì)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(shè)發(fā)展過程中統(tǒng)籌規(guī)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(guī)模的不斷擴大，教育改革的不斷深化，學(xué)生自主實驗、創(chuàng)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(xué)實驗室，本身就具有很強的安全風(fēng)險?；瘜W(xué)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(xué)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(xué)實驗室事故往往具有不可預(yù)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(fā)生原因的研究表明[4-5]，違反操作規(guī)程或操作不當(dāng)、疏忽大意是導(dǎo)致實驗室安全事故的主要原因，本質(zhì)原因都是人的安全意識薄弱以及對于安全事故的預(yù)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(yù)防實驗室安全事故發(fā)生的有效手段[6]。

一、國內(nèi)高校實驗室安全教育研究現(xiàn)狀

國內(nèi)部分高校初期的實驗室安全教育內(nèi)容大都停留在通識安全教育上面，教育內(nèi)容手段單一，教育形式以安全講座，專題培訓(xùn)，橫幅宣傳為主[7]。一些高校陸續(xù)開設(shè)全校性實驗室安全公選課程，將實驗室安全教育納入學(xué)校教學(xué)體系[8]。實驗室安全教育課程以面對面的課堂教學(xué)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(zhǔn)則，事故案列呈現(xiàn)，法規(guī)政策及事故的預(yù)防和處置等理論知識，輔助錄像播放以及動畫播放。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，基于internet環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)培訓(xùn)及考試系統(tǒng)迅速發(fā)展起來[7，10]。高校實驗室安全教育及考試系統(tǒng)是利用校園網(wǎng)絡(luò)資源，開發(fā)出的符合本校學(xué)科特色的實驗室安全教育及考試系統(tǒng)，該類系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)的面授形式，不再受場地及人員的限制，學(xué)生可以不受時間空間的限制隨時隨地上網(wǎng)，在線學(xué)習(xí)實驗室安全知識，并在線考試檢驗學(xué)習(xí)效果。目前，大部分高校在實驗室教育及考試系統(tǒng)的支持下采取嚴(yán)格的準(zhǔn)入制度[10-11]：針對進(jìn)入實驗室?guī)熒囊环N約束機制，學(xué)生在參加實驗教學(xué)之前要進(jìn)行的強制性安全教育，并參加實驗室安全考試，成績達(dá)標(biāo)后，簽訂實驗室安全承諾書后方可進(jìn)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(xùn)還只是停留在紙上談兵的層面。雖然在專業(yè)學(xué)習(xí)時學(xué)生們已了解甚至熟習(xí)了事故的處理流程，但由于缺乏實際經(jīng)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(zhàn)演習(xí)環(huán)節(jié)，但限于安全，經(jīng)費等因素，僅限于火災(zāi)逃生演習(xí)，滅火器使用等[5，12]。實戰(zhàn)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(yè)實際，開展各實驗室的專業(yè)演練。一些高校針對化學(xué)實驗室開展了如濃鹽酸泄漏演練，防化裝備穿戴，化學(xué)污染后的淋洗等安全事故場景[5-7]，但對于安全環(huán)境復(fù)雜的化學(xué)實驗室是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，一方面安全演練的次數(shù)有限，難以達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果;另一方面一些實驗和實踐環(huán)節(jié)是在真實環(huán)境下實施難度較大，演示成本高，缺少讓學(xué)生動手實踐的條件，很難讓學(xué)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(xùn)模式。

虛擬仿真實驗室是知感科技憑借多年的技術(shù)積累和對教育領(lǐng)域的深層次理解，并經(jīng)過市場檢驗、驗證打造的符合教育信息化2.0新形勢下進(jìn)行的教學(xué)體驗[13-15]。而將開放式虛擬仿真實驗教學(xué)作為一種新的教學(xué)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(xué)化學(xué)實驗中心開發(fā)了具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的化學(xué)實驗安全教育情景互動式虛擬仿真教學(xué)平臺，將危險和事故“搬進(jìn)”實驗室——通過沉浸式虛擬仿真學(xué)習(xí)和實景模擬操作，使學(xué)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(xué)實驗第一課，從源頭上杜絕安全隱患。

二、化學(xué)實驗安全教育情景互動式虛擬仿真教學(xué)平臺

（一）建設(shè)思路：強調(diào)可操性，體現(xiàn)信息化

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

（二）教學(xué)手段：強調(diào)體驗性，體現(xiàn)前瞻性

平臺堅持情景式、闖關(guān)式、沉浸式和娛樂式的學(xué)習(xí)理念，利用三維仿真技術(shù)對實驗的環(huán)境、設(shè)備、材料等進(jìn)行模型構(gòu)建，并配合手柄、頭盔、VR眼鏡等人機交互技術(shù)手段實現(xiàn)在虛擬場景中進(jìn)行各種化學(xué)實驗操作，為學(xué)生打造身臨其境的學(xué)習(xí)體驗。教學(xué)過程中，當(dāng)學(xué)生進(jìn)入實驗教學(xué)模式后，系統(tǒng)就會通過語音和智能標(biāo)簽來引導(dǎo)學(xué)生完成實驗基礎(chǔ)操作。另外，系統(tǒng)會以動畫的形式對實驗步驟進(jìn)行一一講解，通過具體的畫面進(jìn)行教學(xué)。除了在仿真模擬場景漫游外，學(xué)生還可以操控VR手柄控制設(shè)備的開關(guān)，進(jìn)行實驗相應(yīng)步驟的操作等。在實驗操作的同時，系統(tǒng)會記錄學(xué)生的操作過程，如果學(xué)生操作有誤，系統(tǒng)還會以逼真的災(zāi)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(yán)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(xué)內(nèi)容：強調(diào)模塊化，體現(xiàn)系統(tǒng)性

我們以學(xué)生為中心，以需求為導(dǎo)向，從真實案例進(jìn)行取材，并走訪基礎(chǔ)實驗室、科研實驗室，對奮戰(zhàn)在教學(xué)一線的專業(yè)課老師進(jìn)行調(diào)研，結(jié)合課程內(nèi)容和目標(biāo)，構(gòu)建了10個基本教學(xué)功能單元，具體內(nèi)容包括化學(xué)品介紹與學(xué)習(xí)，危險化學(xué)品安全隱患查找，化學(xué)實驗室三廢處理知識學(xué)習(xí)，實驗室“三廢”處理安全隱患查找，化學(xué)實驗安全設(shè)施使用知識學(xué)習(xí)，化學(xué)實驗室安全設(shè)施與儀器使用隱患查找，實驗室環(huán)境與管理學(xué)習(xí)，消防和水電安全知識學(xué)習(xí)，火災(zāi)逃生實訓(xùn)及在線考試系統(tǒng)。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(yīng)用于學(xué)習(xí)單元和考評單元。

（四）平臺功能：強調(diào)開放性，體現(xiàn)服務(wù)性

1. 理論學(xué)習(xí)：全面覆蓋，各個擊破

學(xué)生可登陸虛擬實驗平臺中心網(wǎng)站進(jìn)行安全教育在線學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)教育單元支持?；肥褂谩x器設(shè)備使用、災(zāi)難預(yù)防、三廢處理、實驗室環(huán)境以及事故分析等多個知識點單元的自主學(xué)習(xí)。

2. 實訓(xùn)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(xùn)單元，涵蓋了化學(xué)藥品、氣鋼瓶安全、“三廢”處置、安全設(shè)施、實驗環(huán)境與管理、水電安全、儀器設(shè)備安全、夜間實驗室安全、火災(zāi)逃生等單元的安全問題。查找單元以闖關(guān)的形式，巧妙地將注意事項及易錯點做成陷阱，每個單元設(shè)置了約20項左右的錯誤操作，學(xué)生須根據(jù)自己學(xué)習(xí)的理論知識，在實景仿真環(huán)境下，逐個房間排查安全隱患，在最短的時間內(nèi)找到全部的錯誤操作。該單元可設(shè)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(xué)習(xí)，也可用于化學(xué)安全知識競賽。實訓(xùn)單元中學(xué)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(jìn)行交互，體驗實時信息反饋，進(jìn)行多種實驗操作。如火災(zāi)逃生、消防器材使用、實驗室滅火及安全自救等參數(shù)化虛擬實訓(xùn)，學(xué)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(huán)境、一般環(huán)境和特殊環(huán)境的逃生和自救。在滅火實訓(xùn)場景中（圖1），實訓(xùn)單元根據(jù)學(xué)生在三維情景下的應(yīng)急反應(yīng)狀況不同，后果不同：逃生方法不當(dāng)，或者路線不當(dāng)，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(jié)合，分層次測驗

平臺提供多層次、有針對性、動態(tài)化的評價體系，在線考試系統(tǒng)支持2000道考題以上的自主設(shè)置考試模式設(shè)定，可設(shè)定任意分值，任意題量，允許學(xué)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(xùn)練單元進(jìn)行考核，考核模式下系統(tǒng)會關(guān)閉提示功能，學(xué)生必須在規(guī)定的時間內(nèi)完成實驗操作，以此來檢驗學(xué)生對實驗掌握的熟練程度。系統(tǒng)還會按照科學(xué)的考核機制對實驗完成情況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，學(xué)生出現(xiàn)操作錯誤或者未完成實驗的情況都會進(jìn)行相應(yīng)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(jù)學(xué)生專業(yè)設(shè)定，學(xué)生可以按自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度，自行網(wǎng)上考試，考試系統(tǒng)支持多次考試，記錄最高成績，并生成成績證書。學(xué)生須要通過滿足自己專業(yè)要求的對應(yīng)等級的安全知識考試，才能獲得進(jìn)入實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的資格，實現(xiàn)實驗室安全教育的過程化管理和結(jié)果化管理雙結(jié)合。

（五）平臺管理：有序化，數(shù)字化，智能化管理

平臺采用三級管理系統(tǒng)設(shè)計，三級為：系統(tǒng)管理員，實驗教師，學(xué)生，其中系統(tǒng)管理員權(quán)限最大，系統(tǒng)管理員可實現(xiàn)教師，學(xué)生管理，系統(tǒng)設(shè)置，實驗庫的維護(hù)，數(shù)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(xué)生管理，功能具備賬號登錄，新聞，站內(nèi)信，排行模塊，資源管理，登陸人數(shù)統(tǒng)計等管理功能（圖2）。

2. 實驗管理：可進(jìn)行實驗管理，添加，刪除，發(fā)布實驗等?？稍试S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(shù)開發(fā)的虛擬仿真軟件。

3. 試題管理：根據(jù)考試類型編輯自主學(xué)習(xí)或正式考試的考試題目數(shù)量、考試類型、通過分?jǐn)?shù)、考試時間等;并可設(shè)置參加正式考試前需通過的自主學(xué)習(xí)通過次數(shù);也可錄入擴充試題，可統(tǒng)一查看，導(dǎo)出成績，方便老師統(tǒng)計考核成績。

4. 考試管理： 考試管理可根據(jù)年級、院系、專業(yè)、班級等條件預(yù)約設(shè)置正式考試時間?？荚嚂r間設(shè)置支持預(yù)約考試周（預(yù)約考試周時間長短不限，考試周內(nèi)學(xué)生均可參加考試，考試次數(shù)不限）或當(dāng)堂考試（考試時間限定）。

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

三、結(jié)束語

我中心建設(shè)的開放型，創(chuàng)新型，服務(wù)型安全教育虛擬仿真教學(xué)平臺，服務(wù)緊貼化學(xué)學(xué)科安全教育的現(xiàn)實需求，依托虛擬現(xiàn)實與多媒體技術(shù)，構(gòu)建人機交互的實驗平臺設(shè)計框架，實現(xiàn)了實驗操作交互性和實驗結(jié)果仿真性一體化，基于平臺的化學(xué)實驗安全教育情景互動式虛擬仿真教學(xué)項目入選了教育部2018年度國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目。我們堅信在開放運營模式下，實驗室將成為一個為學(xué)校為企業(yè)為社會提供服務(wù)的窗口，成為向全社會人員提供進(jìn)行技能培訓(xùn)和應(yīng)急處理實訓(xùn)的可行性服務(wù)基地，真正實現(xiàn)校內(nèi)外，本地區(qū)及更大范圍內(nèi)的實驗教學(xué)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(jù)邊建設(shè)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(jìn)一步完善和改進(jìn)虛擬仿真實驗教學(xué)資源開發(fā)，誘發(fā)出更多的升級需求，在升級需求的導(dǎo)向下，引進(jìn)更新的技術(shù)，達(dá)到自我更新的目的。

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*基金項目：2018年度遼寧省普通高等教育本科教學(xué)改革研究項目立項一般項目“化學(xué)實驗安全教育虛擬仿真項目建設(shè)”（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(shù)。