虚拟仿真在高校化学实验室安全教育中的应用*

2022-02-12谢松志苟思雨易黎明

广州化工 2022年22期

谢松志，张崟，苟思雨，易黎明

(成都大学食品与生物工程学院，四川成都 610106)

虚拟仿真是一种融合了计算机图形、人机交互、人工智能等多种综合集成技术的虚拟现实系统。这个系统可以重现现实世界或者虚拟世界，它允许用户通过视觉、听觉和触觉等多种感官与虚拟世界进行交互。即它以模拟的方式为用户创建了一个三维的虚拟世界，并通过各种控制接口来达到“亲临其境”的自然与虚拟实时交互的效果。虚拟仿真技术的发展能有效解决因时间空间及资源限制的不利因素。在高校实验教学实践中，虚拟仿真技术可以为学生提供安全性高、效果好的的学习平台，使实验教学不再局限当前的技术，使学生可以练习必要及具挑战性的技能，拓展化学实验教学的广度和深度、破除化学实验教学的时空限制、提升教学效果[1]。

高校化学实验室安全教育一直以来就是培养学生实验素质和安全意识的重要环节，随着计算机辅助教育的应用和发展，信息技术在实验室安全教育方面起到的作用越来越大。其中，虚拟仿真等技术被用来提供多样、便捷、高效的实验室安全教育手段，并在教育实践逐步得到重视。本文通过对传统实验室安全教育存在的问题进行总结，并分析了虚拟仿真技术对实验室安全教育的重要意义，最后对构建虚拟仿真技术实验室安全教育体系做出一些思考。

1 传统高校化学实验室安全教育存在的问题

1.1 化学实验室安全课程建设不完善

目前，化学实验室安全教育主要以课堂教学为主。目前大多数学校开展的学生安全教育，其课程安排基本都是集中授课，讲授内容也是宏观学习一些安全法规和安全常识，没有长期系统性的课程讲解，更没形成完整的课程计划、教学大纲等。一些学校开设了相关安全教育课程，并设置相关课程学分。但实践操作中，课程设置数量不够，且多为选修课的形式，不能很好的引起学生的重视度[2]。一些高校从事实验室安全教育师资队伍专业性不强，很多高校的安全教育大多由学工部辅导员、保卫处人员等主讲。另外，现阶段高校开展的大学生实验室安全教育，基本为无差别化的教学，没有对上课学生年级、专业等进行针对性的课程教学，大家使用同一教案或课件，造成了不能就每个专业的专业特点进行区别化重点安全教育[3]。

1.2 化学实验室安全教育形式单一

因为组织和参与形式较简单，化学实验室安全讲座是高校最常用的一种实验室安全教育培训方式，而讲座往往以签到的方式督促学生学习，这往往忽视了安全教育培训的过程的管理和监督。加上开展的讲座规模较大，学生人数多，造成了讲座现场学生玩手机、发呆、打瞌睡的现象层出不穷[4]。另外，在安全讲座或安全教育课中，学生主要以听课为主，进行理论知识学习，或者接受较短时间的实验技能培训后即参与实验课程，这就容易造成知识掌握不牢，当真正危险来临时，学生因缺乏实训和应急演练，很难做出准确、及时有效的应对措施。然而，高校大规模开展安全消防实际演练操作起来困难较大，具体表现在大规模消防器材投入、消防演练场地布置，及以万计师生的现场组织和人员安全都难以得到保证，大多高校只能由师生代表演示操作，其效果打折扣。

1.3 化学实验室安全教育培训效果评价困难

高校开展实验安全教育，目的在于培养学生安全意识、规范学生实验操作。但现在普通的安全教育缺乏考核要求，或者考核要求不高[5]。分析原因，一是学校对化学实验室安全教育的重视程度不够；二是化学实验室安全教育学习评价体系不完善，组织实验室安全教育考察形式单一；另外，安全演练可能涉及到使用化学品，具有操作不规范带来的的危险性，所以大多情况是试卷考核，而试题内容又多为简单的安全常识，知识点不全面，区分度不高，这些都不利于化学实验室安全教育培训效果的评价。

2 虚拟仿真技术在化学实验室安全教育的意义

化学实验室安全教育关系到化学专业学生的人生安全，利用拟仿真技术进行化学实验室安全教育意义重大。高校化学实验室应牢固树立以“人为本、安全发展”的理念，长期坚持对学生进行安全教育培训，使安全教育常态化。传统的化学实验室安全教育很难做到长效、长时的安全教育。另外，纸上谈兵、摆拍说教的教育方式不利于学生深刻的接受安全教育知识，也很难使学生树立安全防范意识。虚拟仿真技术能创新地还原事故现场，通过身临其境的方式让使用者体验真实的事故发展和事故处理过程，从思想意识上让学生认识到安全事故的危害性，让学生形成全新的实验室安全警惕意识。引入虚拟仿真平台，学生通过学习典型安全事故案例可以提高安全意识，学习化学实验室安全规范，可以使学生遵守规则、敬畏科学研究[6]。

利用虚拟仿真进行化学实验室安全教育评价更加科学和客观，更能反映出学生接受的安全教育的成效。传统的安全培训的效果评价往往以笔试为主，考察学生是否掌握了书本上的普适安全知识，但是单纯掌握好了这些知识还不能完全适用于实际情况，学生更需要在实际演练中强化知识。而实际演练由于场所、组织、资源等限制，往往不能长期进行。采用虚拟仿真技术利用电脑模拟实验安全事故现场，让学生亲临其境参与其中，达到虚拟实时交互的安全考核效果。虚拟仿真演练考核贴近实际，更能科学客观的考察安全教育学习成效[7]。

3 构建虚拟仿真化学实验室安全教育体系

3.1 虚拟仿真技术用于增加化学实验安全培训内容的深度

传统的实验室安全培训模式基本上使用“大融合”的教学方案，缺少按照大学生年级、专业、性别、心理进行针对性的课程设计。针对这些不足，高校可结合各通识课程及专业课程的相关知识点，通过虚拟仿真技术来实现实验室安全培训。针对典型的、易发事故安全场景构建案例数据库，利用虚拟现实技术在虚拟环境下进行危险识别和风险体验，在虚拟环境中学习安全防护措施和安全标准，并学习突发安全事故的处置方法[8]。另外，在课程设计上，通过虚拟仿真技术对经典实验的实验设计、操作、原理、数据分析、及实验拓展进行展示，促使学生自主学习，自我探索，养成严谨、求实、准确的科学态度。

3.2 虚拟仿真技术应用于化学实验室消防演练

消防演练是化学实验室安全教育重要的环节，现实中的消防演练由于受时空、资源等限制往往流于形式，达不到有效、广泛的消防演练效果。高校化学实验室安全演练包括气体中毒处理、高温烫伤处理、酸、碱灼伤处理、危化品废弃物处理等项目，传统安全演练限制较多，而使用虚拟仿真平台进行虚拟演练时空自由，无须影响正常工作生活秩序，可以灵活构建出实验室场地，在不影响正常教学或工作的前提下进行针对性的演练[9]。并且在整个演练过程中，系统能根据实验者的虚拟操作进行反馈，并能对全过程进行分析，科学客观的记录演练过程。虚拟仿真消防演练能进行火灾起源、发展，烟雾和高温分布，灭火方法等进行精确模拟，同时避免了实际演练中踩踏、演练耗材等对学生的潜在危害[10]。通过虚拟仿真进行紧急逃生演练、心肺复苏等教学活动，可以帮助学生掌握基本的逃生急救技能，体现了实验室安全教育的意义。

3.3 虚拟仿真技术应用于化学实验室准入考核

传统的化学实验室准入考核涉及面较小，实验动手操作不易开展，将虚拟仿真技术应用于化学实验室准入考核，极大的增加了考核的科学严谨性和可操作性，也能保证操作的人员安全。将虚拟仿真技术应用于化学实验室准入考核，建立考核平台，可以更好地丰富实验室准入考核内容。在虚拟仿真实验室准入平台建立中，应将全方位对实验室安全隐患的判断、实验室标准操作规范、实验室设备安全、人身安全、废弃物的安全处置，消防与急救等各项知识等纳入考核内容，按照确定的计分权重进行分数统计，设置及格线[11]。系统自动对达到及格线及以上分数的同学颁发电子版的培训合格证，对于考核不及格的同学，系统应对得分较少的培训项目推送学习内容，待重新达到给定的学习时长后再次参加实验室准入考核。由虚拟仿真技术参与的实验室准入平台的建立收益较多，既可以提升学生和实验操作人员的安全价值观，又能推动校园安全文化的建设。