基于认知心理过程的化学实验室安全教育

张润杰， 刘荣敏， 顾兴海

(首都师范大学 化学系， 北京 100048)



基于认知心理过程的化学实验室安全教育

张润杰， 刘荣敏， 顾兴海

(首都师范大学 化学系， 北京 100048)

通过分析目前大学化学安全教育现状，发现存在理念不到位、体系不完善、形式不丰富等问题，导致学生毕业时不具备识别、评估、管控实验室危险的能力。为了提升化学安全教育水平，本文以认知心理过程为理论依托，构建了化学安全教育模式和体系，把安全教育过程抽象成感知、思考、内化、行动四个阶段，每个阶段采取相应的认知策略和学习方式，在时间维度上贯穿大学4年的培养过程，在空间维度上与其他课程有机契合：一二年级，侧重基础安全知识储备，通过“感知”和“思考”形成网状安全知识；三年级，聚焦风险管控能力培养,通过“内化”掌握安全的本质特征；四年级，通过“行动”具备安全问题解决能力，成为合格的安全员。

实验室； 安全教育； 认知过程

0 引 言

化学专业本科生在学习和科研活动中，不仅会遇到大量化学药品和试剂带来的安全风险，新技术和新制品的不断涌现也使化学实验室环境变得更加复杂，新的安全隐患也会增多，这就使得化学实验室的安全教育更加迫切。同时，化学专业的学生，将来不仅仅是化学从业者，同时也应该成为化学安全方面的专家。他们毕业时他们应该具备基本的化学危险识别、风险评估、危险管控的能力[1],即面对安全，他们必须具有强烈的安全道德观、积极的态度和预见性，危险情况出现时具备应急管控和处理能力。

然而，目前的化学实验室安全教育的效果仍然差强人意。主要是部分高校管理者包括师生对安全教育的重视程度不够，安全教育理念滞后，安全教育模式不完善，教育方法手段不丰富。本文试图从认知心理过程的角度，在安全教育理念、教育模式、教育内容、教学安排等方面加以探讨，以期提升化学专业学生对实验室安全的重视程度，毕业时具备基本的安全知识、安全技能和危险应急处置能力。

1 化学实验室安全教育要着力解决的问题

1.1 安全教育理念的认识要到位

① 安全教育不只是安全本身，更是一个育人途径[2]。通过安全教育，培养学生生命至上、尊重生命的安全道德观念，养成严密严谨、严格细致的生活作风，形成敏锐观察、处事不惊、从容应对问题解决能力，提升综合素质。② 安全教育的真正目不能简单停留在保证学生就读期间在实验室的安全，而是要把学生培养成具有“高度的安全意识”充满每一个化学专业学生(潜在的化学工作者)的头脑，提升整个社会的安全度，并承担相应的安全责任[3]。③ 安全教育的承担者是谁？安全教育者不仅是承担教育的教师，还包括学校管理人员、保卫干部、助教等，所有教职员工都有不可推卸的责任。在所有人中不断提升安全的强制性教育和安全观的灌输，不仅学生要接受安全伦理观，教职工也要无条件的成为支持者认同者，所有的人必须承担起相应的责任，这也是对自己的有效保护。

1.2 安全教育体系要完善

(1) 化学实验室安全教育要有系统性设计。在很多高校实验室，没有从机构、人员、课程、教材等方面对安全教育做整体性规划[4]，没有专门的安全教育机构，没有专职安全教育人员，没有把实验室安全当作一门课程开设，没有专门教材，没有安全教育手册，没有安全教育网站。在美国的高校都有专门的机构和人员负责安全教育，耶鲁大学设有专门的职业安全和健康管理部门“The Occupational Safety and Health Administration”和专门化学安全保健官“Chemical Hygiene Officer”[5]，加州大学圣地亚哥分校设有专门机构“环境健康和风险管理处(Environmental Health and Risk Management Department)”。

(2) 化学实验室安全教育内容要全面。化学实验室潜在的安全风险繁杂，除了相关化学安全外，还包括激光安全、生物安全、放射安全、用电安全等，不能挂一漏万，否则造成严重后果。

(3) 安全教育要实现与其他课程统筹[6]。无机化学、有机化学、分析化学、物理化学等二级学科对相应的实验室安全知识和技能的要求有所不同，在学生具备基本的安全知识和技能基础上，应该根据不同学期开设的课程的不同而有所侧重，实现安全教育全方位、多层次、一体化，才能在安全教育上更加有的放矢。

1.3 安全教育的手段要丰富

首先，化学实验室安全教育，多采用教师按大纲和教材照本宣科，单向进行知识灌输，忽视学生作为学习主体的能动作用的发挥，学生主动学习环节缺乏。要把课堂还给学生，让学生从被动吸收转化为主动学习。其次，案例分析式教学不够，没有对相关实验室危险案例的深入分析，学生就不能从惨痛事故中汲取教训。通过案例分析，找出问题的根源并寻求解决的方法，能够激发他们的学习兴趣。同时，安全教育的真正目的，是让学生掌握识别危险、处置危险的技能，这就要求安全教育多增加实践环节，使学生通过身临其境的方式提升实操能力[1]。缺乏实践操作环节，培养学生解决实际安全问题的能力就会有所欠缺。最后，实现课内与课外相结合、现实与虚拟相结合、个人学习与集体讨论相结合等方式，丰富教学方式方法，从而达到更好的安全教育效果。

2 基于认知过程的安全教育模式设计

认知也可以称为认识，是指人认识外界事物的过程，或者说是对作用于人的感觉器官的外界事物进行信息加工的过程，包括注意、记忆、判断、评价、归因、问题解决、做出决定等环节，是一个由信息的获得、编码、贮存、提取和使用等一系列连续的认知操作阶段组成的系统[7]。

从学习的角度，认知就是人们获得知识和应用知识的心理过程，这个过程是受认知策略指导的，就是运用有关人们学习、记忆、思维的规则支配人的认知行为，从而提高其学习、记忆或认知效率的能力[8]。安全教育实质上是学生对安全理论和实践的认知过程，采取一定的认知策略指导这个过程，也就是从学生认知心理的角度激趣、感知、理解、巩固和应用，会使安全教育收到更好的效果。

基于以上观点，与教学实践相结合，现把安全教育过程抽提简化成四个阶段，每个阶段侧重于不同的学习方式(见表1)。这四个阶段没有必然的先后顺序，依据不同的知识点和环境条件，采取相应的模式。

表1 化学安全教育模式

2.1 感知阶段掌握“点状”安全知识

通过感觉认识客观事物个别属性，依托知觉形成对事物的整体及其联系与关系的认识，再经过选择、编码、储存和提取的记忆过程，实现认识的初步累积堆叠。对于学习，就是相关知识的初步累积过程，要求以教师讲授课程为主，学生自学为辅，内容要全面而不需要太深入，学生掌握的知识点可以相对分散，但覆盖的范围要大，使学生具备基本的知识框架。同时，可以通过张贴安全画报、悬挂警示标语等方式，通过网络[9]、微信等途径，对学生进行教育，营造安全教育氛围，达到先入为主的目的。

由于感觉是人全部心理现象的基础，是内外环境信息直接作用于人的感觉器官。其中，视觉听觉最为重要，提供80%～90%的信息。因此，这个阶段要尽量多提供对视觉、听觉有冲击力的素材，以期达到更好的认知效果。

同时，在记忆过程中，包括形象记忆、情景记忆、情绪记忆、动作记忆在内，都是对亲身经历过、感知过、体验过的事物形成的记忆，安排适当的体验式的教学内容，特别是抓眼球的“真枪实弹”活动，无疑会收到事半功倍的教学效果。可以安排参观环节，让学生熟悉身边的实验室环境。可以安排学生轮流参加实验室安全检查活动，让他们亲身感受什么是安全的什么是不安全的。波士顿大学消防活动中的“火烧宿舍”活动，点燃一个与真实宿舍大小相同的模型，让学生们亲眼见识火势蔓延的速度，无疑是极具刺激而留下深刻印象的体验经历。

2.2 思考阶段形成“网状”安全知识

在初步了解客观事物基础上，把零散的知识点连起来，形成“网状”知识，从而理解事物的一般规律。在这个阶段，学生主动参与真实性的活动和任务，在完成任务的过程中进行批判性和创造性的思考，通过语言活动，把思维活动的结果、认识活动的成果与别人进行交流，接受别人的经验，在与小组其他成员的合作中不断建构自己的知识[10]。在这个阶段教学中可侧重案例分析、实践操作和小组讨论学习等方式进行。

案例是人们在生产生活当中所经历的典型事件，它本身包含的故事情景会使人们产生身临其境的感觉，自然而然的与事件中的主人公一起经历和思考。基于案例的安全教育是向学生传递针对性教育意义的有效载体，可以作为对学生进行说服、教育的有效工具。案例要真实，是有时间、地点、人物和情节的真实事件；案例要典型，要有代表性，是针对实验室安全中学生应特别关注的焦点问题；案例要有戏剧性，既有背景条件和原委，又要有矛盾冲突的起承转合，引人入胜；案例要有高潮，安全案例的最终结局就是要有典型的解决办法。

安全实践操作，既是对所学安全知识的验证和运用，又是切身感受实验室真实危险环境的难得体验。把安全教育内容有机整合规划，设计出几个迷你安全实验，让学生在动手操作中认识安全的一般规律[11]。例如，使用酸的实验，老师可以用酸遇到生鸡蛋清的反应，模拟酸溅到眼睛上会发生的情况。把乙酸或醋倒入盛有生鸡蛋的容器(蛋黄必须是完整的，以便能清晰地看到蛋清)，发现酸使蛋清迅速凝固，就可以想象酸溅到人眼中的危害，原因在于酸使角膜上皮细胞中的蛋白变性凝固，甚至造成穿透。

合作式的学习活动更能体现实验室安全规则的内涵。采用合作的学习方式以使学生之间能协同努力，充分发挥自身及其同伴的学习优势，它不仅是一种教学方式、学习方法和人际交往的过程，还是一种生活态度、工作精神和职业规范[12]。例如，开设小组讨论学习课，选取相关的安全主题，展开讨论，各抒己见，相互补充，以小组为单位形成学习报告，提出解决问题方案，可有效提升学习效果。

2.3 内化阶段掌握安全的本质特征

最本质的安全纲要就是让“高度的安全意识”充满每个学生的头脑，换一个表达方式就是学生要养成一个牢固的安全伦理观，就是在做任何工作前，安全总是第一个要考虑的因素，就是“安全第一”，这意味着所有的危险将被识别、评估、管控。

在这个阶段，让学生在前期学习的基础上，撰写安全学习体会。让学生思考什么是安全伦理观，理解安全的本质特征，以及如何做到安全第一。如果这样的安全观能被接受，那么安全教育将变得异常容易，并将成为化学教育中不可缺少的一部分。

2018年6月1日12：00—2日12：00老港固废基地共发生7次H2S超标报警（即H2S浓度超过60μg/m3），报警期间H2S最高小时浓度为316μg/m3。具体报警情况如表3所示。

承诺代表神圣的约定，签署安全承诺书[13]，以书面的形式，让学生对实验室安全履行一种安全契约：“我重视安全，安全的工作，阻止一切冒险的行为，提升和推广安全，为安全承担相应的责任”。虽不具备法律效力，但可以从诚信的角度使学生遵从约定，一诺千金，从而进一步增强安全意识，提升安全教育效果。

2.4 行动阶段具备安全问题解决能力

认知过程的问题解决、做出决定阶段，是思考的一种结果，表现为认知主体针对认知对象的行为或操作。应用到安全教育上，主要侧重解决安全问题的能力培养。首先，要求学生面对化学实验室，完成一份安全计划书，全面提升解决问题能力；安排一场安全演习，在实践中考察学生遇到危险时的应变能力；最后，通过安全考试，全面评估安全教育的效果。

(1) 设计安全计划书。在安全教育中，要安排知识应用环节，要求学生面对将来要进入的化学实验室，设计出一份安全评估报告，从危险的识别、评估、应对三个层面，分析化学实验室潜在的危险种类和位置，评估危险的大小和程度，以及危险出现时的应急处置措施，实现学以致用。

(2) 消防演习。从实践中学习是进行安全教育的有效途径之一，定期进行消防演习，要事先了解实验室内不便人员情况下，以避免演习带来意外的风险。演习不要提前通知师生，以期达到逼真效果。时间安排诸如上午9点学生比较集中的时段举行，演习过程有安全员全程跟踪，记录撤离所需的时间以及出现的问题，以便在安全教育中查漏补缺。

(3) 通过安全系统，检验安全教学效果。安全考试作为检验安全教育效果的最后一道关口，也是决定学生能否进入实验室独立操作的唯一评判标准[14]。考试可采取笔试和实操两种模式，笔试占70%，主要考察安全相关知识面的宽度；实操占30%，侧重问题解决和应急处置的动手能力。考试通过的分数可酌情而定，通过考试的学生发给合格证书，允许进入实验室独立操作。未通过的学生，督促其学习，给予再次考试的机会，直到考试通过。

3 基于认知过程的安全教育课程安排

化学实验室安全教育，在时间维度上要贯穿大学四年的培养过程，在空间维度上与其他课程相契合，这就要求安全教育的内容和形式要因时而异、因课而异。实践证明，安全教育不仅要在实验室开展，还要把它变成教室中讲授的系列教科书，因为目前在所有化学教科书中安全概念覆盖面存在空缺，整合健康、安全的篇章进教科书是一个迫切问题[15]。参考相关文献[16]，尝试对大学4年化学课程安排以及其对应的安全教育内容统筹规划如下(见表2)。当然，相关的安全条目安排只是建议的，不是固定的，也可以调整到其他学年和课程，但无论如何，安全教育应贯穿于整个培养过程，而不是一次简单安全培训。

表2 大学4年化学课程安排及其对应的安全教育内容

3.1 一二年级侧重基础安全知识储备

安全教育的第一步是清楚科学研究活动中的潜在危险，第二步是要聚焦在通过合理的措施使风险最小化上。因此，我们建议一年级、二年级学生应该把焦点放在对危险的识别上，这可能是安全教育中最困难的方面，因为有时我们自己可能也无法识别所有的危险。当然，通过安全教育，告诉学生如何寻找和在哪寻找正确的信息，学生就能认识最主要的危险因素。这个阶段，可主要采取认知过程中感知阶段、思考阶段的相应教学形式(见表1)。

一年级，可以结合无机化学和性质分析课程，接受常规的化学安全教育(见表2)。学生应该学习安全伦理、基本实验室规章和基本的安全规则。如果学生理解需要他们遵守的安全规章和规则，他们将愿意重视和尽可能的遵守这些条例。学生应该学会阅读化学品安全说明书，给学生介绍化学卫生学概念和基本防护知识。他们要熟悉周边环境的平面图，应该学习基本的危险识别，包括各种危险的定义，有效地阅读化学标签标记，学习可能遇到的特殊的危险。向学生介绍实验室安全防护知识，展示实验服、护目镜、手套等防护装备，讲解每一种的用途和用法，请志愿者当场演示正确的穿戴方法。在一年级水平，紧急程序应该包括洗眼、淋浴、识别逃生路线、事故报警程序等。一年级适当时候，要进行安全考试，用以检验安全教育的效果及学生掌握的程度。

二年级，学生在相应的实验室将遇到基本的有机化学课程和定量的分析课程，要把风险的评估概念介绍给学生。此时，应该继续强调危险的识别，帮助学生理解有毒物质的危害。讲授基本的毒理学原理，以及如何使用这些信息评估化学药品的相对风险性。泄漏的极限也要告诉学生并让学生学会应用知识去评估，此时，关于有毒物质泄漏极限的讨论给学生提供了很好的机会，通过计算空气浓度(mg/L 或 ppm)并与相关数据对照，从而做出危害评估，获得出直接的经验。这是一个基本的定性分析实验，掌握危害源头的信息和化学特性是应该学会的关键技能。

3.2 三年级聚焦风险管控能力培养

三年级学生要着力培养风险的管控，并具备掌握这些技能。学生将选择更多的化学课程，这些课程可给学生提供综合管理和控制危险的机会。在这个阶段，物理化学及其实验课的开设，伴随仪器分析课程，特别是学生研究型实验项目通常此时开始，学生要应用以前学习过的安全规则，加上适当的新内容，去评估实验室存在的风险。要求学生提供一个管理和控制危险的规划，应随着研究的进度不断升级和调整的，并经过至少两个导师把关，如果有安全委员会，也应该在这项工作中承担一定责任。物理化学实验室应该提供更多融合有关物理性危害的通用知识，以及伤害因素，比如气体、高压、真空、极端温度和电伤害等。学生还应该掌握化学危险品的性质和反应原理。

3.3 四年级学生要成为合格的安全专家

要成为一个合格的化学工作者，应该掌握所有学过的安全知识和技能，毕业后才能针对工作岗位制定安全规划。四年级学生完成毕业设计，要求有一篇毕业论文。学生应学会所有基本的危险识别、风险评估和风险管控，应该能独立的运用这些资料设计所需的安全规划，应该能够处置普通的紧急情况，应该学会什么地方可获得需要的安全信息和资料。在毕业时，应该可运用四年课程中所有学习到的安全规则，并确保在将来的就业单位能够安全地工作。

4 结 语

安全教育的目标，就是使我们培养的未来化学工作者具有强烈的安全伦理观，具有识别危险、评估风险的能力，特别是能够制定安全规划去管理、控制、最小化风险。实现把安全作为警钟长鸣。

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Education for Chemical Laboratory Safety Based on Cognition

ZHANGRun-jie,LIURong-min,GUXing-hai

(Department of Chemistry, Capital Normal University, Beijing 100048, China)

Every university is committed to provide a safe laboratory environment for its students. The education of laboratory safety plays a key role in minimizing the risk of injury or illness to laboratory students. This paper will address how to strengthen the education of chemical laboratory safety based on cognition, including life safety issues, hazard recognition, risk assessment, hazardous materials management and emergency response, so that every chemistry undergraduate will have a minimum competency in safety at the end of their four-year degree program in chemistry.

chemical laboratory; safety education; cognition process

2015-06-21

张润杰(1969-)，男，河北涞水人，博士，副研究员，系党委书记，主要研究方向：实验室建设和管理。

Tel.：010-68902321, 13910679763; E-mail：3986@cnu.edu.cn

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1006-7167(2016)04-0288-05