“四位一体”实验室安全培训课程在药学专业学生实验室安全教育中的实践

王耀楠 张筱宜 冯琦琦 王玉记

(1.首都医科大学中心实验室,北京 100069;2.首都医科大学药学院,北京 100069)

科学的发展离不开实验,开展实验活动的实验室是大学进行人才培养的重要场所。药学专业是一门理论与实践融会贯通的学科,实验课程在药学专业人才培养的过程中占据了很大的比例。如何在保证安全的前提下培养出高素质的人才,是药学专业乃至所有学科人才培养过程中都需要关注的问题。

实验室是一个复杂的场所,实验室的安全涉及水、电、仪器、试剂以及实验操作等多个方面。实验室的安全保障,除了各个层面的管理制度以外,对进入实验室的人员进行安全培训也是非常重要的环节。

1 高校实验室安全培训的现状

随着平安校园建设工作的推进,各个高校的安全管理越来越规范,安全形势总体保持稳定。实验室安全是平安校园建设的重点内容,做好实验室的安全培训是预防实验室发生安全事件的第一步[1-4]。大部分高校的实验室安全培训均由实验室管理部门组织,对于本科生这种集体进入实验室上课的人员,由负责实验教学的老师在课程开始之前实施与课程相关的安全培训;对于分散进入实验室进行研究工作的研究生人员,由实验室管理部门负责实施,设置专门的课程进行培训,必须完成一定量的课时学习,并通过书面或者网络考试,颁发合格证书并开通进入实验室的门禁或者网络预约许可之后,才能进入实验室开展工作。这样的培训模式在培训形式和内容上均存在薄弱环节,参与培训的学生安全意识不强,应对安全事件及处理安全风险的能力不足,进入实验室之后的安全无法保证。

学生是实验室活动的主体,同时也是实验室安全密切相关的个体,如何通过实验室安全培训,加强学生的安全意识,提升学生应对安全突发事件的能力,对于保证实验室的安全,提升药学人才的培养水平均具有重大的现实意义[5-8]。药学学科的发展涉及到药物化学、药物分析学、药剂学和药理学等前沿学科,传统的实验室培训课程覆盖面窄,无法覆盖各个专业的安全需求,而且实验室安全培训安排在固定的时间、固定的地点,培训的形式也多以课堂授课为主,这样的形式对于还未进入实验室的学生来讲,接受程度不高,无法意识到实验室安全的重要性,虽然通过了课程之后的考试,但实际的安全知识掌握得并不牢靠。为了达到更好的培训效果,对高校实验室安全培训课程的改革势在必行[9-11]。

2 “四位一体”实验室安全培训课程体系的建立

科技的发展促使教育迈向了更高的水平,尤其是互联网技术的发展,更是给教育事业的发展插上了腾飞的翅膀。新冠肺炎疫情期间通过网络直播技术以及各种网络课程的建设,让学生突破了时间和空间的限制,可以随时随地进行课程的学习[12-14]。在传统实验室安全培训课程的基础上,完善了与安全相关的各种危险实验内容的标准操作流程,对一些安全风险点特别标注,在开始实验之前就引起学生的重视;借助互联网技术,建立涉及各个学科的网络安全培训课程,实现更广的培训覆盖面;对于一些危险度极高的实验,借助虚拟仿真技术,将这些危险场景和不规范操作带来的严重后果进行现场还原,让学生有身临其境的感觉,既保护了学生的安全,也增强了学生的安全实验意识。基于以上的内容,我们建立了“四位一体”的实验室安全培训课程体系,主要的内容及预期实施效果如表1所示。

表1 “四位一体”实验室安全培训课程的主要内容及预期实施效果

2.1 完善实验课程的标准操作流程

对于本科生的实验课程来说,教学的目的是巩固理论课程中学习的知识,并对学生的实际动手能力进行一定的锻炼。因此,各项实验都有对应的实验讲义,对实验课程的背景知识、实验原理、实验步骤进行详细地描述,并在实验结束后设置思考题,加深学生对实验内容的理解。讲义的内容重在实验的背景知识、原理及课后思考,对实验步骤及实验过程中的安全注意事项描述不够详细。涉及到一些有安全隐患实验时,并未对这些安全风险点做详细说明,比较容易发生安全事故。以经典化学实验咖啡因的提取为例,实验讲义中重点讲解了升华的原理以及现象,对于实验过程中用到的加热装置以及其他需要注意的安全点,并未做重点描述,主要依赖教师的现场讲解。

在新补充的实验标准操作流程中,对涉及到这种类似加热或者有危险操作的实验步骤,都做出了详细的描述,包括用到的加热仪器的操作方法、加热功率的选择、加热时间的控制、加热温度的设置等详细的参数。对于咖啡因提取实验来说,明确了使用电加热板进行加热的功率设置到1 200 W,加热时间8 min,加热温度达到200℃的操作步骤及实验条件,这样使用者在实验开始之前就已经对实验中使用到的设备参数有详细的了解,对可能出现的安全隐患有充分的预案,这样就能避免安全事故的发生。

2.2 建立覆盖面广的网络培训课程

传统的实验室安全培训课程,限于课时及人员的限制,只能选择有限的培训内容、在固定的时间、对特定的人员进行培训。为了检验培训的效果,在课程结束时会有书面或网络形式的答题考试,考试的内容与实际的实验操作相差较大,无法覆盖真实的实验内容。网络课程的建设给实验室安全培训带来了巨大的便利,突破了时间和空间上的限制,培训内容的广度和深度以及学习的便利性都获得了极大的扩展[15-16]。

在培训课程内容设置上,首先对药学专业相关的实验室安全问题进行了更广泛以及更深入的扩展,除了详细地介绍了实验室常用的危险化学品的使用安全和化学试剂的安全使用规范,还对化学实验室常见废弃物品的处置、相关安全气瓶的存放和使用进行了分门别类的讲解。此外,由于没有了课时的限制,在网络课程中还加入了在常规的培训中没有包含的实验室安全管理的部分,包括涉及到危险操作的压力容器、危险试剂的储存及领用规则、实验室安全的各项管理制度(包括水电及环境需要满足安全的要求、安全的各项巡查制度,以及将各项工作细化到人的岗位管理职责),让学生能够从管理的角度理解实验室安全的重要性。对于化学实验室事故处理的应急措施,在网络课程中也增加了相关的内容,重点强调化学试剂的安全防护措施以及毒性分类,对万一受到伤害之后的预处理也有简单的介绍,全方位保障学生安全知识储备的完整性。

除了与药学相关的这些内容之外,课程内容还增加了与医学专业相关的生物安全培训,主要涉及生物安全分类的级别及对应的防护,还介绍了生物性危险物以及具有传染性的生物实验材料,对于职业暴露和暴露后的预防,还有涉及到生物材料相关的实验室操作和作业程序,在课程中也做了相应的讲解。不同于化学实验室安全事故的应急处理,涉及生物安全突发事故的应急处理更复杂,相应的标准操作程序也更多,所以在生物安全培训的最后部分重点讲解不同级别的生物安全突发事件的处理,达到最大限度保护学生、避免环境污染的目的。

2.3 虚拟仿真技术模拟真实危险场景

虚拟仿真技术是借助于计算机技术和相关的硬件设施,让体验者能够获得身临其境的一种高科技技术,一般应用在游戏娱乐或多媒体视频播放领域,也有一些研究者提出能够提供沉浸式体验的虚拟仿真技术可以应用在教育领域,尤其是在实验室安全培训及管理方面[17-18]。在本课程的建设过程中,围绕“以学生为中心”的理念,甄选药学领域3种常用高危试剂乙醚、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和氰化钾,精心设计,开发了具有自主知识产权的虚拟仿真项目。

这3个实验项目在实际操作中均有危险性。第一个实验项目为低沸点、易燃易爆试剂乙醚的常压蒸馏:长久放置的乙醚含有过氧化物,蒸馏前若不检测和除去过氧化物,容易发生强烈爆炸,甚至引起火灾,虚拟仿真实验装置如图1所示,图中分别模拟了实验装置以及未检测氧化物直接实验出现爆炸的严重后果,场面震撼,对学生能起到很好的警示作用。第二个实验项目为高沸点试剂DMF的减压蒸馏:在制备纯度高的常规溶剂DMF时,不规范的减压蒸馏操作也会引起燃烧爆炸。第三个实验项目为剧毒物质氰化物的检测:氰化物的使用和保管严格遵循“二人核对”制度,且严格履行公安局登记制度;实验时要严格采取防护措施,在通风橱中进行;实验废弃物需要回收并特殊处理。这3个实验项目只是众多药学高危实验中的代表,通过本虚拟仿真项目弥补了真实实验教学无法开展的不足,完善了实验教学,在保证安全的前提下提高了学生的实验技能。

图1 乙醚的常压蒸馏装置(A)和模拟不当操作发生爆炸的瞬间(B)

此外,针对一些学生安全意识不足的情况,本课程的虚拟仿真实验还模拟了在实验过程中由于操作不规范引起实验室事故的情形。在第一个实验过程中,由于有加热的实验,要求学生在实验过程中必须全程密切关注实验体系的温度。该项目模拟了实验过程中学生接到一个电话,忽视了对实验温度的监控,结果发生了爆炸,实验室发生了火灾,场面震撼,体验感和交互性极强,强烈吸引了学生的参与愿望。借助火灾突发事件,仿真项目内还模拟了应急逃生的步骤,加强了对学生的教育。

3 “四位一体”的实验室安全培训课程体系的实施效果

该课程体系自2019年开始逐步实施,涉及安全的实验课程标准操作程序让学生在实验开始之前就了解了本次实验的安全风险,在开始实验时会特别关注这些安全风险,大大降低了安全事件的发生率。建立的网络课程和运用虚拟仿真技术开发的安全培训同步上线,在近两年的实施过程中,学生参与课程的热情高涨,学习满意度不断提高;网络课程通过遴选加入到了学堂在线慕课平台,设置了课程学习及考核部分,通过考核之后发放合格证,参与学习人数截至2021年底已达到5 641人次。此外,网络版的实验室安全培训课程还加入到了学习强国APP的慕课学习平台,累计播放量突破100万次,获得了比较大的影响力,目前国际版课程正在筹备制作,待制作完成后上线。虚拟仿真实验在弥补真实教学实验不足的同时,设计的安全事件交互性强,场面真实,爆炸场面对参与者的冲击力度大,极大地增强了参与者的安全意识,而安全意识是实验室安全的关键,这也在一定程度上保证了实验室安全。

4 结 语

实验室安全的重要性不言而喻。“四位一体”实验室安全培训课程的建立就是为了确保实验室安全万无一失。在实验室安全培训的基础上,实验课程标准操作程序提前预警了实验过程中可能出现的危险,网络版的实验室安全培训突破了实验室安全知识学习在时间和空间上的限制,虚拟仿真技术弥补了真实实验教学的不足,也增强了学生的安全意识,这些课程的实施,从源头预防的角度,最大程度上保证了实验室安全。尽管如此,网络课程和虚拟仿真技术只能让学生对实验室安全有一个初步的印象,对于实验室安全教育来说,最真实的场景还是来自于在实验室内的实际操作,只有将课程培训和实际操作相结合,才能达到最好的安全教育效果,杜绝实验室安全事故。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突

作者贡献声明王耀楠:提出及设计课程概念,准备及实施培训课程,撰写论文;张筱宜、冯琦琦:准备及实施培训课程,审阅论文;王玉记:提出及设计课程概念,总体把关