论实验人员的安全防护能力及其复合培养模式

李 伯 平

(南开大学 化学国家级实验教学示范中心,天津 300071)

0 引 言

安全教育应以提高学员的安全防护能力为目标，但从检索结果看，现有与安全教育相关的教科书、研究论文几乎都聚焦于安全基础知识，没有就安全防护能力进行过系统的阐述，甚至没有提出过安全防护能力的概念[1-11]，例如《高校实验室化学安全与防护》[1]《实验室安全基础》[3]《高校实验室安全基础》[4]《大学实验室安全基础》[5]《Laboratory safety for chemistry students》[6]《School chemistry laboratory safety guide》[7]等教科书均未涉及安全防护能力的概念和系统理论。从郑春龙等[8]的研究结果也可以看出，中外教科书均缺少“安全防护能力”的关注。王文静等[9]提出的高校安全水平指标体系也没有将实验人员的安全防护能力纳入其中。作者在长期的工作中发现，即便是拥有良好安全知识的实验人员在科研中仍然可能存在应对风险能力不足的问题。究其原因主要有两个，① 创新研究涉及未知领域，相关的知识、设备、材料、流程往往特殊、陌生而复杂，除了需要基础安全知识之外，还需要很多特殊、复合的新安全知识，以致实验人员已有的安全知识不足所需，就像一位只会开摩托车的驾驶员不会驾驭汽车一样；② 知识与能力之间往往存在鸿沟，针对一个陌生实验过程的危险因素分析、安全防护方案的设计以及有效实施需要强大的综合解决问题的能力，而仅靠单纯的知识学习很难获取这样的能力，就如安全驾驭汽车的能力很难仅凭熟读驾驶教科书形成一样。显然，安全教育需要“调焦”至安全防护能力上。

安全防护能力是一种实践能力，但调查发现，当下越来越多的高校将有适度危险的实验从实验课中剔除，以确保学生和自身的高度安全，使学生彻底失去了安全防护能力的实训机会，以致他们可能没有足够的能力应对未来实验的危险。因此，探索可行的能力培养模式是安全教育的使命。

本文将定义“安全防护能力”的相关概念，并系统论述安全防护能力的构成要素，并探讨培养安全防护能力的有效模式及介绍新模式的实际应用情况。

1 实验人员安全防护能力的定义

广义的“安全防护能力(Safety Protection Capability, SPC)”是指个体、机构乃至社会所具有的防范、应对各种安全风险的能力。对于不同主体，SPC有不同的狭义内涵，本文探讨参与理工科学实验的人员在实验中防范与应对安全风险的能力，是特指实验人员的SPC，优良SPC的内涵是：在足够的安全意识驱动下，运用安全理论与经验，全面分析实验可能存在的危害因素，研究规避方法，通过对设备、流程与参数、材料、监测系统、环境条件、人员等单元的合理配置，构建有冗余的安全防护方案，并在该方案的指引下对实验中的危险因素进行有效监测与控制，能在意外发生时合理、有效地应对。

2 构成实验人员SPC的要素

假如把实验人员的SPC看成一幅“拼图”，那么它由以下不可或缺的5部分构成。

2.1 安全意识

实验人员应该具备“足够”的安全意识。不同人对“足够”的理解可能存在很大的偏差，为了避免这样的问题，赋予了“足够的安全意识”深刻、完整、明确的内涵——实验人员对有关安全意识的以下8个方面都能有深刻理解并形成长期意识：① 事故往往在不经意中或心怀侥幸时发生；② 风险失控的结局可能是灾难性的；③ 重大安全事故的责任单位、责任人会被追究刑事责任；④ 预防风险的投入往往是最划算；⑤ 没有进行过危险性评估的实验是可能存在危险；⑥ 任何有风险的实验必须有安全防护方案；⑦ 实验在安全性上必须有足够的安全冗余；⑧ 安全防护方案必须在实验中有效实施。

“安全冗余”一词原本是工业、工程技术以及IT领域常用安全设计术语[12]，是指通过潜在危险性分析，制定双重或多重安全防护措施来预防事故发生的安全理念。在有冗余度的多重安全设计系统中，即使有一两道防线失效，还有冗余的防线可阻止事故发生。

对于有危险的项目，没有安全冗余的实施方案是令人担忧甚至恐惧的。1986年1月28日，美国“挑战者”号航天飞机在起飞73 s之后爆炸坠毁，起因只是所用的O形橡胶密封圈因气温较低失去了弹性，导致高温气体外泄，进而引起外挂燃料箱内液氢泄漏，引发了大爆炸，7名宇航员全部罹难，经济损失达55亿美元，成为世界航天史上最大的灾难。从调查结果看，NASA相关人员违规让航天飞机在安全气温以下强行起飞，以及机体密封设计缺乏足够的安全冗余是酿成灾难的根本原因[13]。

尽管国内高校都设有较完整的安全教育课程，但近年来高校实验室依然发生了很多安全事故，自2011年以来的7年里惊动全国的爆炸事故有9次[13]，清华、复旦、南开、川大、华东理工等高校都出现过，平均每年超过1次。这些事故相关的责任者均接受过安全教育，也知道实验存在危险，但悲剧还是发生了，问题的根源在于他们的安全意识并没有达到上述8个要求。2016年9月21日，上海某大学一实验室发生爆炸，2名学生眼、面部受重伤，从多方媒体[14-17]透露的情况看，是3位研究生在制备氧化石墨烯过程中反应失控发生爆炸，当事者在爆炸发生前还未忘记告诫学弟注意实验的爆炸危险，显然不能说他没有一点安全意识。

2.2 安全知识体系

安全知识划分为基础安全知识和特殊安全知识两类。基础安全知识是指传统安全教育课程传授的安全知识，其他的、特定研究过程必需的安全知识则通称为特殊安全知识。

常规安全教育课程所涉及的安全知识很难全面、深入。许多特殊场景中的特殊安全知识需要通过针对性学习获取。例如，美国化学文摘记载有多达1.37亿种化学物质[18]，可导致危险、危害的物质何止百万种，安全教科书所能涉及的危险性物质只是沧海一粟。因此，通过检索MSDS(材料安全性数据说明书)数据库获得化学实验项目所涉及化学物质，包括原料、产物、中间产物的详尽安全数据是十分必要的。

一项创新研究可能会关联多个学科领域，涉及专用仪器设备和材料以及复杂的工艺过程，会遭遇各式各样的安全问题，因此所需的安全知识会具有多样性特征，完全有可能超出研究者的专业范畴。因此，参与科研的实验人员应该通过大量查询、补充学习使其安全知识具备足够的系统性和完整性。

2.3 实验危险性分析的能力

欧美国家在工程、工业领域广泛采用工作危险性分析(Job Hazard Analysis，JHA)评估工作风险[19]。实验研究会面临陌生、复杂、暗藏危险的过程，因此美国化学会将危险性分析技术引入实验室的风险评估中[20]。针对实验的危险性分析应力求全面无疏漏。即使是同一个实验项目，假如选择的设备、药剂用量或其它参数不同，有可能导致潜在危险的类型与程度不同，因此需要做出相应的危险性分析。

实验人员应该学会从以下4个层面评估一项具体、特定的创新实验的风险：① 分析相关仪器、设备、药剂、材料带来的危险性;② 从运行机理上分析各单元(反应)过程存在的危险因素;③ 分析人员以及环境条件是否对实验项目的安全性的影响;④ 针对拟定的实验方案，综合分析存在的危险因素和危害程度。

2.4 实验安全防护方案的设计能力

对于有一定危险性的研究，必须谨慎设计实验方案；一个好的安全防护方案应该在理论上经得起反复推敲、有足够的安全冗余。理论上存在疏漏、无安全冗余或冗余不足的技术方案，在实施过程出事故的概率就会很高。安全防护方案的变更应依据变更管理制度进行评估、审核、验证与备案。

安全防护方案的设计通常涉及以下5个方面。

(1) 设备选型与设计。为实验选择有高安全冗余设计的设备非常重要。如某款压力锅采用了罕见的六重安全防线设计：防线1，锅身材料的可耐受压力远高于使用压力；防线2，利用限压阀来限制内压超限；防线3，在限压阀入口设置了防堵罩，防止排气孔的意外堵塞；防线4，假如限压阀遭遇极小堵塞，锅内压力会上升，启动警示器用户马上关闭热源；防线5，如果热源没关闭，锅内压会继续上升，则安全阀将发挥泄压作用；防线6，如果安全阀意外失灵，锅压继续上升，则泄压安全窗将被打开，实现泄压。要让这种具有6重安全设计的压力锅发生爆炸是非常困难的。

当现有设备无法满足安全防护要求时，可以设计、定制适用的、高安全性的设备。例如在石墨烯制备实验中，为了防止反应体系的喷溅(爆)危险，设计制作了一种安全反应箱，它采用了防爆、防喷溅、防溢流的安全设计，使反应过程有了很高的安全冗余。

(2) 药剂或材料的优选。在保证实验效果的前提下选用安全性较好的药剂与材料。找出殊途同归的替代方案本身创新。

(3) 运行参数的确定。让实验尽可能在远离安全阈值下。例如将石墨烯制备反应体系的总剂量控制在较低范围内时，危险的喷爆就不容易发生，事实上很多时候我们没有必要用那么大的反应剂量；采取降低反应温度、延长反应时间往往也能提高该反应的安全性。

(4) 设计过程监测与控制方案。任何事故在发生前都有蛛丝马迹，为实验制定实时监测、预警与控制方案是必要的。

(5) 确定操作人员的防护方案。根据有“安全冗余”的原则设计人体防护方案。例如，我们为石墨烯制备实验设计了“过度”的人体全覆盖式防护方案，该方案采用了防化学药品的阻燃罩衣(袖端收口、无纽扣设计)、抗冲击透明面罩、安全帽等防护装备，让我们可以非常安心地让学生做有适度“危险性”的实验。

(6) 设计应急预案。有完备的预案，才最有可能在救险黄金时间内展开有效救护。

2.5 安全防护方案的验证与实施能力

一方面，基于理论或假设的推论是否确切需要实验验证；另一方面，初拟的安全防护方案可能存在瑕疵，也有必要通过实验来验证。在验证性实验过程中连续监测重要参数的变化，以分析、确定现有安全防护逻辑的合理性。假如出现意外情况，则需重做危险性分析，并依据新分析结果对安全方案作出修正。

当实验方案更改时，也需要重做危险性分析，安全防护方案随之作必要的更改与验证。

已通过验证的安全防护方案必须被完整执行。尽管它有可能会增加实验的难度、实验的成本，还可能会降低实验的效率，但实验人员不能随意改变既定方案。

实验人员应具有实验操作、控制能力，以及意外事故的应急处理能力，以保障安全方案的完整可实现性。

3 SPC的复合培养模式

3.1 注重系统化培养

为了构建实验人员完整的SPC“拼图”，安全教育应该有系统化的理念。

学生获得系统化的SPC的两个优选步骤是：① 形成足够的安全意识，学好基础安全知识；② 参与设计有适度风险的研究性实验，通过纸上推演以及应用实战，获得专用安全防护知识、经验和各项技能。

所说的“纸上推演”类同于军事上的“兵棋推演”[21]。纸上推演与常规的知识学习有很大的不同，它强调创造性地运用各种知识，为实验设计个性化、周全的安全防护方案，然后通过虚拟演练，检验安全方案的可行性与可靠性，找出方案的缺陷并加以完善。

3.2 与研究性实验融合

将基础安全知识的教学与安全意识的培养安排在本科一、二年级阶段；在三年级阶段，将SPC的培养过程融合在以锻炼学生科研能力为主的研究性实验中，让学生完整经历危险因素分析、安全防护方案的制定、安全防护方案的验证与实施、突发事故应急处理的综合训练，使学生的SPC达到可以应对较复杂、有一定危险性的研究课题的要求，这样的培养模式可以起到一石二鸟的作用。

4 创新培养模式的实践与成效

化学院要求大一学生都必须完成基础安全知识的学习与考评，通过考评者才能获得实验室准入资格。4年前刻意将有一定风险的“石墨烯相关系列研究性实验”引入三年级的实验课中，其目的在于培养学生的创新研究能力和安全防护能力。在该课程中，要求学生分析相关化学品的MSDS、解析危险发生的内在机理、挖掘各种潜在的危险因素，设计并推演“有安全冗”的实验方案。针对学生方案中存在的安全问题，老师会进行深入分析并给出优化意见。随后，学生还需参加一项专门针对该实验的安全防护能力测评，通过测评后便获得实验资格。实验结束后学生在实验报告中应作出相关总结。

4年多的教学实践证明，化学法制备石墨烯过程中的危险完全可以通过采用多重安全防护措施得到完美控制，学生在实验中表现出色，4年来从未出现任何安全问题；从学生的反馈看，他们一致认为这样的实验让他们有机会深刻理解SPC的内涵，这种强化实训让他们的安全防护意识和能力得到了显著提升。

5 结 语

传统安全教育亟由知识传授向能力培养转变。为此，很有必要提出安全防护能力(SPC)的相关概念，并系统阐述其形成要素，以及探讨其培养模式。

实验人员的SPC是指实验者防范、应对自然科学实验中的安全风险的能力，它由5个方面的要素构成，包括安全意识(包含8个方面)、安全知识、危险因素的综合分析能力、防护方案的设计能力、安全防护方案的验证与实施能力。

培养实验人员的SPC应该兼顾上述五要素。首先要让实验人员形成足够的安全意识、掌握必要的基础安全知识，然后让他们通过纸上推演以及在有适度、可控风险的研究性实验中的强化学习，获得专用安全防护知识、经验和各项实战技能。该理念已被应用于“石墨烯相关系列研究性实验”中，发挥了创新研究能力和SPC培养的双重作用，历经4年的实践证明该复合培养模式可行，成效显著。