陶濤

南京信息工程大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院，南京 210044

2016年中國正式加入國際工程教育《華盛頓協(xié)議》，目前已建成世界最大規(guī)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(fā)展，“新工科”這一概念成為高校專業(yè)改革的新方向，“新工科”專業(yè)建設(shè)關(guān)鍵在“新”，需要建設(shè)新課程、新教材等以迎接和應(yīng)對產(chǎn)業(yè)發(fā)展新階段對工程人才培養(yǎng)提出的新需求。在人才培養(yǎng)方案總學(xué)分調(diào)減的情況下，打造“金課”、淘汰“水課”，是深化課堂教學(xué)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(nèi)容偏重說教，教學(xué)形式陳舊，針對性、前瞻性、交叉性和趣味性不足，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低，教學(xué)效果不明顯，是否應(yīng)納入“水課”范疇予以調(diào)整呢？

一方面高校實驗室安全工作任重道遠(yuǎn)，直接關(guān)系到學(xué)校和學(xué)院的人才培養(yǎng)、學(xué)科建設(shè)等工作的推進，同時實驗室安全事故時有發(fā)生，包括爆炸事故、火災(zāi)事故、?；肥鹿实?，安全形勢不容樂觀。另一方面《教育部關(guān)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(xué)品等各種危險源的專業(yè)，逐步將安全教育有關(guān)課程納入人才培養(yǎng)方案。在《高校教學(xué)實驗室安全工作檢查要點》中，涉及化學(xué)、生物、輻射等專業(yè)開設(shè)相應(yīng)的必修或選修課成為安全教育的重要組成部分。

培養(yǎng)目標(biāo)和實現(xiàn)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(yè)建設(shè)和工程認(rèn)證專業(yè)建設(shè)下，對實驗室安全課堂內(nèi)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(shè)的各種舉措，為化學(xué)材料類專業(yè)實驗室安全教育提供了經(jīng)驗借鑒。

1 新工科與STEM教育

1.1 關(guān)于新工科

為應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革以及促進服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動的發(fā)展，“新工科”這一概念應(yīng)運而生。2017年2月18日以來，教育部積極推進新工科建設(shè)，先后形成了“復(fù)旦共識”“天大行動”和“北京指南”，并發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》《關(guān)于推薦新工科研究與實踐項目的通知》，全力探索形成領(lǐng)跑全球工程教育的中國模式、中國經(jīng)驗，助力高等教育強國建設(shè)。不僅在中國高校，麻省理工學(xué)院提出新工程教育轉(zhuǎn)型計劃(NEET,2017)，佐治亞理工學(xué)院開創(chuàng)未來教育行動(CNE,2018)，倫敦大學(xué)學(xué)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(yīng)變、求變之中[2,3]。

新工科專業(yè)建設(shè)至少包含兩個維度：一方面是對傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級再造，另一方面是根據(jù)經(jīng)濟發(fā)展需求設(shè)置相應(yīng)的新專業(yè)。不論是“翻新”還是“建新”，新工科專業(yè)建設(shè)的核心是培養(yǎng)國家發(fā)展亟需的工程科技人才，關(guān)鍵在于創(chuàng)新工程教育實踐的新理念以及新標(biāo)準(zhǔn)。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(xié)同創(chuàng)新大會上發(fā)表題為《建好現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院，提供高質(zhì)量人才支撐》主旨演講，明確將現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院建設(shè)作為新工科建設(shè)的一項戰(zhàn)略布局，并將課程建設(shè)作為重要抓手。按照新理念和新標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的課程、教材以及探索課程資源建設(shè)新形態(tài)，服務(wù)于傳統(tǒng)工科專業(yè)和新專業(yè)，均極大地促進了新工科建設(shè)；反之，按照傳統(tǒng)單一規(guī)格、填鴨式思路所建設(shè)的課程即使服務(wù)于新工科專業(yè)，也是制約了新工科專業(yè)的發(fā)展，未來必須要進行優(yōu)化和調(diào)整。

1.2 關(guān)于STEM教育

STEM是科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)和數(shù)學(xué)(Mathematic)四門學(xué)科的簡稱，STEM教育并非四門學(xué)科的簡單相加，而是高度融合科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等多學(xué)科交叉知識的完整有機體。STEM教育強調(diào)多學(xué)科的交叉融合，培養(yǎng)學(xué)生交叉的學(xué)科背景、創(chuàng)新精神和綜合實踐能力。因為未來職業(yè)所面臨的諸多復(fù)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(xué)科教育整合的典范備受各國教育界的關(guān)注，已經(jīng)成為很多發(fā)達(dá)國家保持競爭力的戰(zhàn)略選擇，美國在全球STEM教育發(fā)展中起到引領(lǐng)作用，并將STEM教育提升到國家戰(zhàn)略的高度。中國也愈加重視STEM教育，并于2017年6月20日，發(fā)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(biāo)層面高度契合。新工科不再停留在傳統(tǒng)單一工科內(nèi)部，主要是通過重新定義傳統(tǒng)工程教育的理念以及解決時代發(fā)展中產(chǎn)生的新需求，來應(yīng)對新一輪的科學(xué)技術(shù)革命與產(chǎn)業(yè)變革以及促進服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動的發(fā)展。余勝泉等[5]提出STEM教育應(yīng)強調(diào)跨學(xué)科理念的課程整合，注重多方參與的培養(yǎng)機制，并確保課程統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。STEM教育不再停留在單一學(xué)科內(nèi)部，主要是通過加強科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科之間的聯(lián)系，打通學(xué)科之間的壁壘，幫助學(xué)習(xí)者綜合運用多學(xué)科領(lǐng)域知識解決現(xiàn)實情境中的復(fù)雜問題，提高學(xué)習(xí)者知識整合與應(yīng)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(xué)內(nèi)容的針對性、前瞻性、交叉性和趣味性不足，多數(shù)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(xué)生進入實驗室實操還是會犯低級錯誤；(2)教學(xué)形式過于陳舊，考試內(nèi)容或評價方式偏重記識性，主觀題或非標(biāo)考試等新方式在此類課程中研究和探索得較少；(3)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低落，學(xué)習(xí)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(xué)類專業(yè)又懂安全實操業(yè)務(wù)的專家偏少。

實驗室安全課堂改革關(guān)鍵在于確立以學(xué)為中心、以生為本的理念，在畢業(yè)總學(xué)分調(diào)減，為學(xué)生實踐提供空間的大背景下，改變傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)計的目標(biāo)定位，辯證做好課程內(nèi)容設(shè)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(xué)生由感性到理性的認(rèn)知，強化課程的系統(tǒng)性和對培養(yǎng)目標(biāo)的支撐度，把從事實驗室工作、化工生產(chǎn)中的安全意識、安全技能和人格價值塑造、科學(xué)原理探究、工程技術(shù)運用有機融合，滲透于教學(xué)過程。特別是針對涉及有毒有害化學(xué)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(yè)，開發(fā)不同學(xué)時、不同側(cè)重點的專業(yè)課程群，逐步將安全教育有關(guān)課程納入人才培養(yǎng)方案。

2 優(yōu)化實驗室安全知識體系

2.1 科學(xué)發(fā)現(xiàn)知識融入

實驗室安全作為專業(yè)課必須體現(xiàn)科學(xué)性。以氧氣的發(fā)現(xiàn)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(xué)內(nèi)容都與實驗室安全息息相關(guān)。以微生物的發(fā)現(xiàn)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(dāng)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(fù)以上實驗，瓶里也沒有微生物生長。通過實驗驗證使培養(yǎng)液變質(zhì)的細(xì)菌不是自生的，而是來自空氣，從而進一步加深學(xué)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(shù)知識融入

實驗室安全作為專業(yè)課必須體現(xiàn)技術(shù)性。揮發(fā)性有機物(VOCs)不僅存在于實驗室中，生活中燃料的燃燒、烹調(diào)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(fā)性有機物檢測技術(shù)作為教學(xué)內(nèi)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(shù)的原理與應(yīng)用之后再問學(xué)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(chǔ)物理、化學(xué)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(xué)生的主觀能動性被調(diào)動起來，開始認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)厮伎己吞接懓踩芾碇械囊恍┚唧w的安全技術(shù)問題。

2.3 工程實踐知識融入

實驗室安全作為專業(yè)課必須體現(xiàn)實操性。課程主要對象是理工科大一、大二的學(xué)生，結(jié)合學(xué)生所學(xué)高等數(shù)學(xué)、工程制圖以及程序設(shè)計等基礎(chǔ)知識，創(chuàng)設(shè)工程實踐教學(xué)情境旨在增強學(xué)生對實驗室安全環(huán)境的認(rèn)知，并結(jié)合項目式教學(xué)同步開展。在教學(xué)實踐中，結(jié)合學(xué)生專業(yè)情況，進行設(shè)計類和調(diào)查類工程知識的融入。設(shè)計類題目：如何設(shè)計一個中學(xué)化學(xué)實驗室/無機與分析化學(xué)實驗室？學(xué)生需要利用計算機輔助設(shè)計(CDA)進行制圖，根據(jù)結(jié)構(gòu)與設(shè)計、采光與通風(fēng)、安全通道與安全出口、配電和電氣設(shè)備、監(jiān)控和報警系統(tǒng)、實驗家具與給排水等方面給予作業(yè)評價。對于非化學(xué)材料類專業(yè)學(xué)生，考慮適當(dāng)降低難度，如何設(shè)計一個“當(dāng)心紫外線傷害”或“切勿醉酒做實驗”的實驗室安全標(biāo)識？調(diào)查類題目：城市地鐵內(nèi)VOCs調(diào)查；學(xué)校內(nèi)超凈間的分布與使用調(diào)查；某石油化工廠安全生產(chǎn)管理調(diào)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(xí)實訓(xùn)中。

2.4 數(shù)學(xué)原理知識融入

實驗室安全作為專業(yè)課必須體現(xiàn)基礎(chǔ)性。海恩法則和墨菲定律在安全管理中被反復(fù)提及，其本身不復(fù)雜，但是在課程中對無管理經(jīng)驗、無實操經(jīng)驗的學(xué)生講解，學(xué)生很難理解，這就需要做一下數(shù)學(xué)上的解釋，創(chuàng)設(shè)特定的情境，讓學(xué)生真正理解并掌握。假設(shè)學(xué)生所在的實驗室每次發(fā)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(jīng)過數(shù)學(xué)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(yù)示著只要樣本足夠大，存在發(fā)生事故的概率，事故就一定會發(fā)生。全國約有2000所高校，假設(shè)每所高校有100間實驗室，一年365天，即相當(dāng)于樣本有7300萬，所以發(fā)生事故是必然。

只要存在發(fā)生事故的概率，事故就一定會發(fā)生，而且不管其可能性多么小，它總會發(fā)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(yán)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(yán)重事故發(fā)生的概率是事故隱患存在概率的千分之一。假設(shè)事故隱患的概率是萬分之一，那么嚴(yán)重事故的概率是千萬分之一，按照上述數(shù)學(xué)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(xué)生能夠?qū)６鞣▌t和墨菲定律有理性認(rèn)識，從而建立科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒炇野踩^，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(yù)防的”。

2.5 前沿交叉知識融入

實驗室安全作為專業(yè)課必須體現(xiàn)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(yù)防新冠病毒？把口罩作為教學(xué)內(nèi)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(jié)合起來。天然產(chǎn)生的飛沫大小不等，打噴嚏可能會產(chǎn)生多達(dá)4萬個直徑在0.5–12 μm之間的飛沫?？谡止ぷ鞯脑聿粌H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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更細(xì)的顆粒物。此外，化學(xué)品進入人體內(nèi)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(huán)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(xué)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(huán)芳烴。在燒烤中，經(jīng)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(chǎn)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(fēng)險。通過有理有據(jù)有趣的教學(xué)內(nèi)容(表1)，讓學(xué)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(xué)設(shè)計

3 變革實驗室安全教學(xué)范式

3.1 浸潤式教學(xué)

在虛實結(jié)合的浸潤式教學(xué)方面，教育界的同行已經(jīng)開展了很多卓有成效的嘗試。如常州大學(xué)化工虛擬仿真實驗教學(xué)中心入選首批國家級虛擬仿真實驗教學(xué)示范中心，南京信息工程大學(xué)智慧工廠虛擬實訓(xùn)項目入選國家級虛擬仿真實驗教學(xué)項目。在校內(nèi)建有綜合觀測基地，以及毗鄰化工園區(qū)的優(yōu)勢，使用真實生產(chǎn)線等環(huán)境開展浸潤式實景、實操、實地教學(xué)，推進學(xué)生浸潤式工程體驗。

與此同時，結(jié)合計算機圖形學(xué)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和多傳感器技術(shù)等先進科技，以“走進化學(xué)實驗室”虛擬現(xiàn)實技術(shù)為藍(lán)本，將知識與情境結(jié)合起來，讓學(xué)生身臨其中，在情境中學(xué)習(xí)，嘗試一種全景式的實驗學(xué)習(xí)模式，改變傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式(圖1)。采用三維情境式設(shè)計，身臨其境；以真實、規(guī)范的化學(xué)實驗室為仿真對象，包括無機化學(xué)、分析化學(xué)、有機化學(xué)、物理化學(xué)實驗室等常見儀器設(shè)備(表2)，內(nèi)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(xué)習(xí)，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(shè)備，學(xué)習(xí)有關(guān)知識，還可作為安全手冊、使用手冊、數(shù)據(jù)手冊使用；可以學(xué)習(xí)儀器設(shè)備的操作使用，了解安全注意事項。獲得多方面的感受，讓學(xué)習(xí)不再枯燥，在虛實結(jié)合的浸潤式體驗中完成學(xué)習(xí)目標(biāo)，讓學(xué)習(xí)變得有趣、生動。

圖1 實驗室安全情境式、互動式、浸潤式教學(xué)

表2 實驗室安全虛擬現(xiàn)實(VR)體驗系統(tǒng)項目一覽表

3.2 案例式教學(xué)

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(rèn)為安全案例教育存在事故不大不重視、規(guī)避責(zé)任瞞事故、趨好名譽不正視等問題，應(yīng)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(fā)揮其最大的警示價值。

在教學(xué)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(xué)化學(xué)化工與生物工程學(xué)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(fā)生爆炸。2017年10月15日，南京某高校生物與制藥工程學(xué)院的一棟大樓突然起火，大火持續(xù)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(xué)發(fā)生實驗室爆炸事故。我們從事故緣起、經(jīng)過、原因、事后處置，以及相關(guān)事故報告等形式對學(xué)生進行細(xì)致講解，讓學(xué)生有身臨其境的直觀感受，同時也結(jié)合授課教師親身經(jīng)歷，現(xiàn)身說法地講解一些細(xì)微安全隱患的案例。

3.3 項目式教學(xué)

如前所述，將工程實踐知識引入課堂，采用基于項目式教學(xué)(Project-Based Learning，PBL)方法，教師擬定5–6個研究主題，學(xué)生自主形成研究小組針對研究問題開展合作學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)，并在教師的指導(dǎo)下形成研究結(jié)論與報告，提升學(xué)生自主探究能力。其中如何設(shè)計一個中學(xué)化學(xué)實驗室/無機與分析化學(xué)實驗室、城市地鐵內(nèi)VOCs調(diào)查等都是課程的典型項目，特別是CAD制圖版的實驗室設(shè)計內(nèi)容，得到學(xué)生的廣泛歡迎。通過近五年對這個項目的跟蹤調(diào)查，該組學(xué)生設(shè)計作品的完成質(zhì)量整體得到提升。項目式學(xué)習(xí)激發(fā)了學(xué)生對課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)設(shè)計的目標(biāo)定位從知識型、了解型轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰π汀⒄莆招?，強化了實驗室安全課程的系統(tǒng)性和對培養(yǎng)目標(biāo)的支撐度。

4 結(jié)語

實驗室安全工作任重道遠(yuǎn)，其重要性再怎么強調(diào)也不為過。對于實驗室安全教育，特別是課堂教學(xué)，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(guī)性、后續(xù)性的安全教育，會給學(xué)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(xué)內(nèi)容不再是干癟的，而是內(nèi)涵深刻而豐富的。STEM教育提出的初衷就是使傳統(tǒng)的理工科教育采取更加靈活的學(xué)習(xí)方式，讓學(xué)習(xí)者在真實情境下開展深度學(xué)習(xí)，有利于創(chuàng)新人才和高水平技能人才的培養(yǎng)，這與新工科建設(shè)的理念不謀而合。我國STEM教育雖然還在發(fā)展期間，但是已經(jīng)得到國家及各方的重視，并且在積極建設(shè)當(dāng)中。新工科的出現(xiàn)毫無疑問帶來了嶄新的氣象，使得STEM教育在我國的發(fā)展更加制度化和標(biāo)準(zhǔn)化。真正的STEM教育應(yīng)該增加學(xué)生對事物如何工作的理解，并提高他們對技術(shù)的使用。STEM教育不是針對某個學(xué)科或某個學(xué)段的具體改革，它更像是一個切入點，很可能會對教育領(lǐng)域的綜合改革起到牽一發(fā)而動全身的作用，撬動課程從內(nèi)容到形式的全面改革，并在中小學(xué)教育、職業(yè)技術(shù)教育、高等教育、繼續(xù)教育等多個領(lǐng)域都會產(chǎn)生系統(tǒng)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(xiàn)STEM教育，也應(yīng)該在大學(xué)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(yuǎn)，但是只要遵循教育規(guī)律并勇于做出改變，持續(xù)改進，就一定會產(chǎn)生更多的人才培養(yǎng)成效。