化学实验安全教育国家级虚拟仿真教学项目建设与实践

刘敏 陈明丽 孟皓 可迪 孙忠乔

摘  要：针对高校化学实验室存在的安全问题，东北大学化学实验中心开发了化学实验安全教育情景互动式虚拟仿真教学项目——依据实验室实际布局搭建模型，构建一个高仿真度的、高交互操作的、全程参与式的、可提供实时信息反馈与操作指导的场景，让学生在高度仿真的场景中安全高效地开展教、学、练、考，使学生直观地“看见危险，做到安全”;设计了集理论学习，实训操作，考核评定三位一体的完整的实验网络教学管理体系，旨在培养学生的安全意识和责任感，建立对于安全事故的预判和处理能力，促使其养成科学、健康、安全的行为习惯，消除日常工作中的安全隐患，减少意外的发生。

关键词：化学实验室安全教育;虚拟仿真实验;实验室安全

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）21-0010-04

Abstract： In view of the safety problems existing in chemical laboratories in colleges and universities， an interactive virtual simulation teaching platform for chemical laboratory safety education is established by the Chemical Laboratory Center of Northeast University. Based on the actual layout of the laboratory， the scenes with a high simulation， interaction， full-process participatory， real-time information feedback and operational guidance are established and enable the students and teachers to teach， learn， practice and test safely and efficiently， so that students can intuitively "see danger and do safely". A complete experimental network management system with trinity， including theoretical study， practical operation， assessment and evaluation， is built aiming to cultivate students' safety awareness and sense of responsibility， accident prevention and emergency handling ability， promote students to develop scientific， healthy and safe behavior habits， eliminate safety hazards in daily work， and reduce the occurrence of accidents.

Keywords： chemical laboratory safety; virtual simulation experiment; safety education

引言

近年來，国家显著增加了对高校实验室建设资金的投入，使得实验室建设在数量和质量上都得到了明显改善，但仍然存在一些共性问题，如实验室建设发展过程中统筹规划不足、资源使用效益有待提升、实验室安全等。尤其是随着高校生源及实验室规模的不断扩大，教育改革的不断深化，学生自主实验、创新实验的激增，实验室的流动性、开放性的加大使得高校实验室在安全管理方面的问题日渐凸显[1]。高校实验室特别是化学实验室，本身就具有很强的安全风险。化学实验室中除了消防及水电安全外，因自身特性而不可避免地使用各种危险化学品以及各类高低压电器和装置，且涉及到高温、高压、真空及辐射等多种危险因素。上述特点就决定了化学实验室事故往往具有不可预知性、不确定性，稍有不慎就有可能酿成悲剧[2-3]。近年来对多起典型实验事故的发生原因的研究表明[4-5]，违反操作规程或操作不当、疏忽大意是导致实验室安全事故的主要原因，本质原因都是人的安全意识薄弱以及对于安全事故的预判和处理能力不足。通过实验室安全教育与考试，加强实验室安全教育来减少实验室安全管理过程中人为因素的隐患，是预防实验室安全事故发生的有效手段[6]。

一、国内高校实验室安全教育研究现状

国内部分高校初期的实验室安全教育内容大都停留在通识安全教育上面，教育内容手段单一，教育形式以安全讲座，专题培训，横幅宣传为主[7]。一些高校陆续开设全校性实验室安全公选课程，将实验室安全教育纳入学校教学体系[8]。实验室安全教育课程以面对面的课堂教学为主，包含通识教育和专项教育[9]，主要讲授安全知识，安全准则，事故案列呈现，法规政策及事故的预防和处置等理论知识，辅助录像播放以及动画播放。随着现代信息技术的快速发展，基于internet环境下的网络培训及考试系统迅速发展起来[7，10]。高校实验室安全教育及考试系统是利用校园网络资源，开发出的符合本校学科特色的实验室安全教育及考试系统，该类系统突破了传统的面授形式，不再受场地及人员的限制，学生可以不受时间空间的限制随时随地上网，在线学习实验室安全知识，并在线考试检验学习效果。目前，大部分高校在实验室教育及考试系统的支持下采取严格的准入制度[10-11]：针对进入实验室师生的一种约束机制，学生在参加实验教学之前要进行的强制性安全教育，并参加实验室安全考试，成绩达标后，签订实验室安全承诺书后方可进入实验室。

目前实验室安全教育中一个重要的问题就是重理论轻实践，安全操作培训还只是停留在纸上谈兵的层面。虽然在专业学习时学生们已了解甚至熟习了事故的处理流程，但由于缺乏实际经验，能否做到临危不惧，仍是一个极大的考验。为了解决这一问题，大多实验室都引入了实战演习环节，但限于安全，经费等因素，仅限于火灾逃生演习，灭火器使用等[5，12]。实战演练显然不能仅仅停留在灭火等消防演练上，更多的要立足于专业实际，开展各实验室的专业演练。一些高校针对化学实验室开展了如浓盐酸泄漏演练，防化装备穿戴，化学污染后的淋洗等安全事故场景[5-7]，但对于安全环境复杂的化学实验室是远远不够的，一方面安全演练的次数有限，难以达到预期的教学效果;另一方面一些实验和实践环节是在真实环境下实施难度较大，演示成本高，缺少让学生动手实践的条件，很难让学生有亲身的体验和直观的感受，亟待探索出更多的实验室人员安全培训模式。

虛拟仿真实验室是知感科技凭借多年的技术积累和对教育领域的深层次理解，并经过市场检验、验证打造的符合教育信息化2.0新形势下进行的教学体验[13-15]。而将开放式虚拟仿真实验教学作为一种新的教学资源加以引入更是解决高校实验室安全中弱化安全技能问题的一种有效方案[16]。东北大学化学实验中心开发了具有独立知识产权的化学实验安全教育情景互动式虚拟仿真教学平台，将危险和事故“搬进”实验室——通过沉浸式虚拟仿真学习和实景模拟操作，使学生能够在安全状况下了解危险，体验危险，处理危险，上好化学实验第一课，从源头上杜绝安全隐患。

二、化学实验安全教育情景互动式虚拟仿真教学平台

（一）建设思路：强调可操性，体现信息化

化学实验安全教育虚拟仿真教学平台坚持以学生为中心的实验教学理念;始终围绕“服务学生、服务教学”的目标;采取“以虚代实、以虚补实和以虚验实”的虚实结合方式;将不能或难以实现的场景虚拟化、枯燥的知识和技能学习趣味化;以学生自主学习、在三维实景中学习、操作、考察学习效果。该项目可以贯穿整个学习环境，可学、可练、可测，可自学、可教学、可考评，环环相扣，让使用者身临其境、全程参与，既体验学习正确的操作方式，也真实感受操作失误造成的严重后果，让学生建立起实验操作过程中有可能发生的安全事故的感性认知，并通过实训，培养学生安全防范意识。

（二）教学手段：强调体验性，体现前瞻性

平台坚持情景式、闯关式、沉浸式和娱乐式的学习理念，利用三维仿真技术对实验的环境、设备、材料等进行模型构建，并配合手柄、头盔、VR眼镜等人机交互技术手段实现在虚拟场景中进行各种化学实验操作，为学生打造身临其境的学习体验。教学过程中，当学生进入实验教学模式后，系统就会通过语音和智能标签来引导学生完成实验基础操作。另外，系统会以动画的形式对实验步骤进行一一讲解，通过具体的画面进行教学。除了在仿真模拟场景漫游外，学生还可以操控VR手柄控制设备的开关，进行实验相应步骤的操作等。在实验操作的同时，系统会记录学生的操作过程，如果学生操作有误，系统还会以逼真的灾害场景提示，并及时纠正错误的操作步骤，如在虚拟仿真的逃生和操作单元中，最严重的误操作后果有“爆炸”和“死亡”等三维实景虚拟情景。

（三）教学内容：强调模块化，体现系统性

我们以学生为中心，以需求为导向，从真实案例进行取材，并走访基础实验室、科研实验室，对奋战在教学一线的专业课老师进行调研，结合课程内容和目标，构建了10个基本教学功能单元，具体内容包括化学品介绍与学习，危险化学品安全隐患查找，化学实验室三废处理知识学习，实验室“三废”处理安全隐患查找，化学实验安全设施使用知识学习，化学实验室安全设施与仪器使用隐患查找，实验室环境与管理学习，消防和水电安全知识学习，火灾逃生实训及在线考试系统。上述10个基本单元的知识点均匹配隐患查找的仿真考试，应用于学习单元和考评单元。

（四）平台功能：强调开放性，体现服务性

1. 理论学习：全面覆盖，各个击破

学生可登陆虚拟实验平台中心网站进行安全教育在线学习。学习教育单元支持危化品使用、仪器设备使用、灾难预防、三废处理、实验室环境以及事故分析等多个知识点单元的自主学习。

2. 实训操作：逐一演练，技能提升

实操教育单元，包括三维情景隐患查找仿真单元和三维互动实验实训单元，涵盖了化学药品、气钢瓶安全、“三废”处置、安全设施、实验环境与管理、水电安全、仪器设备安全、夜间实验室安全、火灾逃生等单元的安全问题。查找单元以闯关的形式，巧妙地将注意事项及易错点做成陷阱，每个单元设置了约20项左右的错误操作，学生须根据自己学习的理论知识，在实景仿真环境下，逐个房间排查安全隐患，在最短的时间内找到全部的错误操作。该单元可设置错误点提示或非提示模式（考评单元），支持任意时间的自主学习，也可用于化学安全知识竞赛。实训单元中学生可以在具有真实沉浸感与交互性的虚拟实验场景中，通过VR眼镜及手柄和场景里的物件进行交互，体验实时信息反馈，进行多种实验操作。如火灾逃生、消防器材使用、实验室灭火及安全自救等参数化虚拟实训，学生可以自由行走、探索、操作灭火毯、扑灭着火点，全方位掌控多样化的体验;演练逃生和自救方法，包括孰悉的环境、一般环境和特殊环境的逃生和自救。在灭火实训场景中（图1），实训单元根据学生在三维情景下的应急反应状况不同，后果不同：逃生方法不当，或者路线不当，或者超时，会有“牺牲”警示，渲染仿真情景下的实验效果。

3. 考核评定：考练结合，分层次测验

平台提供多层次、有针对性、动态化的评价体系，在线考试系统支持2000道考题以上的自主设置考试模式设定，可设定任意分值，任意题量，允许学生参与不同形式，不同层次的考试。如可在三维虚拟仿真情景训练单元进行考核，考核模式下系统会关闭提示功能，学生必须在规定的时间内完成实验操作，以此来检验学生对实验掌握的熟练程度。系统还会按照科学的考核机制对实验完成情况进行数据分析，学生出现操作错误或者未完成实验的情况都会进行相应的扣分记录，最后给出客观的考核评分。题目难易程度可以根据学生专业设定，学生可以按自己的学习进度，自行网上考试，考试系统支持多次考试，记录最高成绩，并生成成绩证书。学生须要通过满足自己专业要求的对应等级的安全知识考试，才能获得进入实验教学环节的资格，实现实验室安全教育的过程化管理和结果化管理双结合。

（五）平台管理：有序化，数字化，智能化管理

平台采用三级管理系统设计，三级为：系统管理员，实验教师，学生，其中系统管理员权限最大，系统管理员可实现教师，学生管理，系统设置，实验库的维护，数字化资源管理等;平台管理功能具体如下：

1. 用户管理：包括用户信息管理、 教师管理和学生管理，功能具备账号登录，新闻，站内信，排行模块，资源管理，登陆人数统计等管理功能（图2）。

2. 实验管理：可进行实验管理，添加，删除，发布实验等。可允许管理员自由添加新资源（包含flash动画，gif， jpg， png图片，mp4视频，pdf文件等），也可审阅、删除，扩展，嵌入由主流三维虚拟仿真技术开发的虚拟仿真软件。

3. 试题管理：根據考试类型编辑自主学习或正式考试的考试题目数量、考试类型、通过分数、考试时间等;并可设置参加正式考试前需通过的自主学习通过次数;也可录入扩充试题，可统一查看，导出成绩，方便老师统计考核成绩。

4. 考试管理： 考试管理可根据年级、院系、专业、班级等条件预约设置正式考试时间。考试时间设置支持预约考试周（预约考试周时间长短不限，考试周内学生均可参加考试，考试次数不限）或当堂考试（考试时间限定）。

相对于现行的静态讲解、模型展示为主的实验室安全教学方式，化学实验安全教育虚拟仿真教学平台采用人机交互虚拟现实技术，交互式的视景仿真和实时的信息交流让学生产生身临其境的体验;增加了教师、学生、知识三者之间的互动，突破传统的只能做单向知识传递的教学方式，同时还提供了网络实验教学的一体化管理功能。

三、结束语

我中心建设的开放型，创新型，服务型安全教育虚拟仿真教学平台，服务紧贴化学学科安全教育的现实需求，依托虚拟现实与多媒体技术，构建人机交互的实验平台设计框架，实现了实验操作交互性和实验结果仿真性一体化，基于平台的化学实验安全教育情景互动式虚拟仿真教学项目入选了教育部2018年度国家虚拟仿真实验教学项目。我们坚信在开放运营模式下，实验室将成为一个为学校为企业为社会提供服务的窗口，成为向全社会人员提供进行技能培训和应急处理实训的可行性服务基地，真正实现校内外，本地区及更大范围内的实验教学资源共享和示范辐射作用，最大化虚拟仿真实验室效用。同时根据边建设边使用，边使用边完善的原则，通过参与者的使用和反馈意见，我们也将进一步完善和改进虚拟仿真实验教学资源开发，诱发出更多的升级需求，在升级需求的导向下，引进更新的技术，达到自我更新的目的。

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*基金项目：2018年度辽宁省普通高等教育本科教学改革研究项目立项一般项目“化学实验安全教育虚拟仿真项目建设”（辽教函[2018]471号）

作者简介：刘敏（1990-），女，汉族，吉林榆树人，硕士，助理实验师，研究方向：实验室管理与技术。