混合式教学模式在化学实验室安全课程中的探索与应用

王薇，吕东煜，董立军，袁呈山，沈永雯，兰景凤，陆广农，徐向阳

兰州大学化学化工学院，兰州 730000

化学实验室是化学人才培养和科学研究的重要基地，实验中会用到多种化学品以及和压力、电气相关的设备，并产生成分复杂的化学废弃物，因此实验室安全教育受到越来越多高校的重视[1-3]。2015年教育部化学类专业教学指导委员会制定的《化学类专业本科教学质量国家标准》，明确要求学生掌握化学实验基本技能的同时还要具有安全意识、环保意识和可持续发展理念[4]。

当前高校的实验室安全与环保教学体系还不够健全、实验安全环境和条件建设不到位、学生自我防护和环境保护意识养成不足等问题较为普遍，化学实验室中发生的火灾、爆炸等事故常见于报道，造成财产损失的同时甚至造成了人员的伤亡[5,6]。事故产生的原因主要有两个：一是实验原料及设备本身的危险性；二是操作者的专业知识及安全责任意识不足[7]。将实验室安全与环保教育强制纳入实验准入的前置环节，唤起学生的安全责任意识与环保意识，养成良好的安全行为习惯，是化学实验室安全的保障，是提高学生安全素质的内在要求，是国家法律法规的要求，也是构建平安校园的前提。

1 教学理念与目标

化学实验室安全知识体系复杂，不仅包含消防、用电、压力容器、辐射等安全知识，还有事故的防范与处理、化学废弃物的分类回收等内容，还要及时了解不断更新的安全标准及行业规范。在高校化学实验安全培训中，多针对理论知识的介绍，抽象且难于讲解，事故处理的实际演练也很难进行。将互联网和信息化技术运用到实践教学的教学方式，不仅可以充分发挥学生自主学习能力，还可以弥补真实实验在安全演练中的局限性[3,8,9]。

依托互联网平台，我们设置了大型开放式在线课程“化学实验室安全”，通过混合式教学模式，探索出符合时代发展和实际要求的教学体系。本课程面向所有即将进入化学实验室的本科生(包括化学、物理、生物、医学、环境等专业的同学)以及化学化工学院新入校的研究生，以弥补部分研究生在本科期间未系统进行安全培训之缺。

2 课程体系

课程采用多手段联合式教学方法(图 1)。第一步，对即将开展化学实验的学生进行系列安全培训，建立基本的化学安全知识体系。第二步，利用网络学习的便利性与碎片化时间，学生自主进行线上化学安全理论知识学习与安全仿真实验练习。将基础实验中操作点全面、安全知识丰富、涉及危化品多的两个经典实验设计为仿真实验，采用三维建模模拟了事故现场，由学生进行虚拟仿真演习。第三步，对学生进行线上化学实验室安全考核，发放合格证书，作为学生进入实验室的准入资质。

图1 混合式化学实验室安全课程体系

2.1 化学实验室安全讲座

化学实验室安全培训是提高学生安全意识和承担安全责任、预防安全事故的基础性工作，面对面的讲座形式有助于学生从思想上强化安全意识[10]。讲座4学时，分别从化学安全条例与法律法规以及化学实验室安全常识两个方面进行介绍。

化学安全条例与法律法规由我院专职安全员讲授，介绍国家法律法规与校级管理条例。国家法律法规重点强调危险化学品安全管理条例、易制毒化学品管理条例以及易制爆危险化学品治安管理办法等政策性法规；校级管理条例则针对校级管理办法，逐个进行安全标准化、制度化管理的介绍。化学实验室安全常识采用案例教学法[11]，介绍化学实验室特点以及影响安全的主要因素，分析典型事故的处置方式和应急处理程序，常见化学废弃物的减害方法等[12,13](图2)。

图2 化学实验室安全系列讲座

2.2 线上化学安全理论知识学习与3D虚拟仿真实验

线上化学安全学习建立在仿真度高、交互性强、信息实时反馈的培训平台上。采用递进式的学习路线，形成了集知识传授、能力培养和素质提高于一体的三层次教学模式。具体内容如下：

2.2.1 实验安全知识学习系统

实验安全知识学习系统包括学习资源与题库练习，同时支持 PC端和移动端。学习资源在兰州大学化学国家级实验教学示范中心的网站上(http://chemec.lzu.edu.cn/lzuet/)。学生自主进行安全基本事项、消防安全、危化品介绍、典型事故分析等理论学习。题库练习则涵盖了安全常识、防护自救、危险品安全、辐射安全等九个方面的内容。学生可自由选择题库、组建模拟考卷、练习错题、分析成绩等。

2.2.2 无机及分析化学3D虚拟仿真安全实验

经典实验“氯化亚锡还原法测定全铁含量——有汞法”[14]是测定铁矿石中铁含量的国家标准方法[15]。该方法使用了硫-磷混酸、重铬酸钾等强腐蚀、强氧化性化学品以及剧毒品HgCl2，安全隐患极大，涉及到的安全管理条例纷繁复杂，大多数高校中已取消该实验。但该实验操作点多，安全知识丰富，本着虚拟仿真项目“能实不虚、虚实结合、以虚补实”的原则，我们将其设计为无机及分析化学 3D虚拟仿真安全实验，在实验过程中学习各项安全知识，引导学生掌握安全防护、事故分析与处理、试剂的回收并学习相关安全条例(图3)。

图3 无机及分析化学3D虚拟仿真安全实验中的知识点

仿真实验设计为对学生极具亲和性的游戏闯关模式。实验开始前先进行个人穿戴小游戏，进行规范的实验室个人防护练习。其次进行实验室安全设施的确定，学生要找出安全疏散通道、消防栓、紧急喷淋装置等安全设施(图4)，培育学生的安全意识。

图4 个人防护与安全设施界面

实验过程中，我们设计了30步互动式虚拟仿真操作，将无机及分析化学实验中经常涉及到的安全知识设计在具体操作中。在实验中合理引入安全知识、设计事故险情，引导学生进行事故原因分析与规范处理。如使用盐酸时，将无机腐蚀品以及易制毒原料的管控要求设计为互动式问题；加热时设计了烫伤和化学烧伤的情景，要求学生对处理方法进行选择；实验中的HgCl2属于剧毒品，学生需回答剧毒品领用、存储和保管等问题，深度掌握剧毒品管理条例(图5)。安全环保教育也是实验室安全教育的必要环节，同学需选择化学废弃物的回收办法，培养良好环保意识和习惯。系统及时给出评分和错误反馈，同学们可及时了解安全知识与个人防护等方面的薄弱点。

图5 剧毒品安全知识界面

2.2.3 有机化学实验3D虚拟仿真安全实验

4-苯基-丁-2-酮的制备是经典的有机合成实验[14]，实验涉及到的安全知识点全面，基础操作多，但由于实验中使用了金属钠、易制毒原料乙醚、有机腐蚀品氯化苄等危化品，故该实验在高校中的开展十分有限。将其作为有机化学安全虚拟仿真实验，能较为全面地覆盖有机实验中涉及到的安全内容。

实验中的互动式操作共38步，真实还原了4-苯基-丁-2-酮的合成与纯化的全过程，并将有机实验中的安全知识设计在实验步骤中(图6)，如活泼金属起火时的紧急处理方法、有机腐蚀品的防护、紧急喷淋系统的使用、逃生演习、带压实验的安全防护及事故处理等。

图6 有机化学3D虚拟仿真安全实验中的知识点

如电器和油浴起火时，系统引导学生先关闭通风橱电源和总电源，穿消防防化服、佩戴正压式呼吸机，并根据火情选择正确的灭火器，学习灭火器的使用等起火事故处理方法。当火势过大时则提醒学生逃生，由学生选择逃生姿势、寻找逃生路线、演练逃生步骤。如果学生操作都正确，如何发生事故呢？为此，我们在实验中设计了由NPC (Non-Player Character，非玩家控制角色)触发事故的环节，如NPC将钠倒入垃圾桶引发火灾，由学生选择合适的灭火方式(图7)。实验结束，系统及时进行评分和错误反馈。

图7 活泼金属着火处理场景

线上化学安全理论知识学习与3D虚拟仿真实验，采用递进式的学习路线和多形式的教学方式，在教学内容上环环相扣，覆盖了基础化学实验中常见的安全操作、典型事故的处理方法，不同试剂管理方法以及相应的环保知识，解决了安全事故演习无法大规模开展的问题。通过体验感和交互感强的虚拟仿真实验，极大地增强了学生的学习兴趣，提高了事故防范和处理技能，拓展了实验安全知识的广度和深度。

题库与两个虚拟仿真实验构建的“化学实验室安全教育互动式 3D虚拟仿真实验”项目，作为共享资源，在国家虚拟仿真实验教学项目平台上(http://www.ilab-x.com/details/v5?id=3827)面向全社会开放。

2.3 化学实验室安全考核

课程考核合格是学生进入教学和科研实验室的先决条件。随着信息技术的发展，线上考试系统已经得到了广泛的应用[16]。本课程考核体系由三部分构成，分别是理论知识考核、无机及分析化学虚拟仿真实验考核以及有机化学虚拟仿真实验考核。理论知识考题包括判断题、单选题和多选题，系统随机生成试卷。两个虚拟仿真实验考试均在无操作引导的考试平台进行。每项考核时限均为30分钟，成绩以百分计，每项考核的合格线均设定为90分。线上考核的考试时间约持续2-3周，在此时间范围内，考试次数不限。当三项考核成绩均大于90分时，整体考核合格，系统自动计算总评成绩，同时颁发合格证书。

在线考核实现了考试过程的动态管理与过程评分。教师可及时准确地统计学生的掌握情况，并通过数据分析算法评测学生的考核结果，为教师进一步改进课程设计、深入开展教学改革提供数据支持(图 8)。

图8 2019级化学化工学院学生安全考核通过率统计结果

3 课程应用与推广

本课程采取了理论与实践结合、线上与线下融合的教学方法，内容丰富，方式方法多样，显著提升了教学效果，学生在兴趣中主动、快乐地掌握各项安全技能。线下讲座能让学生直观地认识安全教育的重要性；线上学习与考核，有利于学生自主安排学习时间、拓展安全知识的深度与广度。同学们对这种教学方法给予了充分的肯定，并提出了宝贵的意见和建议。通过安全课程的学习，我们发现同学们在实验中个人防护措施更加主动、专业，对各类试剂的使用更加科学、谨慎，表现出良好的安全意识和安全素质。

本课程自 2018年建成以来，一直应用于本校即将进入化学实验室的本科生与研究生的安全培训中，历时两年的不断改进与完善，界面更友好，操作更简单，评分更科学，内容更丰富。如在理论学习中增加了辐射安全的内容，在虚拟实验中增加了常见化学烧伤的发生与处理，MSDS (危险品化学安全技术说明书)的应用与查阅等内容。目前该课程已设立为18学时的化学实验室安全培训课，是学生进行化学实验的前期必修课程。

依托于国家虚拟仿真实验教学项目共享平台上的“化学实验室安全教育互动式 3D虚拟仿真实验”，一直面向高校和社会免费开放。2018年，该虚拟仿真实验作为第六届甘肃省化学竞赛实验环节的考核项目之一，取得了良好的社会反响。

4 结语

充分利用虚拟仿真技术开发的化学实验安全课程，采用讲授与自主学习相结合的混合式教学方式，构建并实现了知识学习的客观评价与模拟演练的主观评价相结合的教学体系。虚拟实验平台开放度高，界面友好，全面提升了学生学习的积极性和主动性，增强了安全事故防范意识，并深度掌握化学理论安全知识和事故处理技能，养成良好的实验安全与环保习惯，对环保型社会建设有重要意义。本课程教学平台和资源将继续向社会开放，以全面发挥其安全教育教学效能。