新工科背景下实验课程安全教育探索与实践

张德君, 孙铭阳, 张晓雨, 刘长宏, 孙 越

(1.辽宁师范大学 资产管理处,辽宁 大连 116029;2.辽宁师范大学 地理科学学院,辽宁 大连 116029;3.辽宁师范大学 化学化工学院,辽宁 大连 116029)

党的十八大以来,为深入学习贯彻习近平同志系列讲话重要精神和习近平总书记关于治国理政新理念、新思想、新战略,为适应新一轮科技革命和产业变革的新趋势,支撑服务创新驱动发展,教育部积极推进新工科建设,先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”,并发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》和《关于推进新工科研究与实践项目的通知》,全力探索形成领跑全球工程教育的中国模式、中国经验,助力高等教育强国建设[1-3].

以新技术、新产业、新业态和新模式为特征的新工科建设对人才培养的标准提出了更高的要求[4].相对于传统的工科人才,未来新兴产业和新经济需要的是工程实践能力强,创新能力强,具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才.针对新工科教育的定位,各大高校要致力于培养和提供大量的科创人才,他们不仅在某一学科专业上学业精深,而且还应具有“学科交叉融合”的特征[5].

大学化学实验是以实验为基础,增强理论教学效果,培养学生观察、思维、创新等能力为目标的系列课程.它作为理工科专业学生必修的通识教育课程,在高等学校理工科专业教育中占有重要地位.实验室是高校开展实验教学的主要阵地,是支撑科学研究和服务社会的重要场所[6].实验室安全工作直接关系学科建设的发展稳定,更关系广大师生的财产甚至生命[7],已引起国际、国内社会的广泛关注与重视.例如:2020年加拿大温莎大学的Ménard和Trant在Nature子刊发表综述文章Areviewandcritiqueofacademiclabsafetyresearch[8],对近些年实验安全研究进行了总结分析;2021年6月我国新修订了《安全生产法》,从国家层面、法律角度对实验安全给予重视.尽管如此,高校实验安全事故仍时有发生.例如:2021年7月27日,某大学药学院某博士生冲洗烧瓶时发生炸裂,玻璃碎片刺破手臂动脉血管,幸无生命危险[9];2021年10月24日,某大学一实验室发生爆燃,造成2人死亡,9人受伤[10];2022年4月20日,湖南一大学发生一起爆燃事故,导致材料科学与工程学院的一名博士研究生受伤[11].高校实验安全事故频发,一个个鲜活的生命悄然而逝,背后是一个个破碎的家庭和亲人、朋友们整个余生不能相见的阴霾.

高校实验室是大学最重要的教学和科研基地,保障实验室安全运行环境极为重要[12].新工科强调学科交叉,不同学科的学生对实验室安全认识有所不同[13-14],这将是实验室安全管理的新挑战.在新工科背景下,高校化学实验安全系列课程应该如何在这场变革中起承转合,该课程应该如何做出调整与适应,完成重构学生基础与专业间衔接的任务,需要教学工作者进行深入的思考与探索.本文以辽宁师范大学化学化工学院(以下简称学院)为例,总结归纳现有的实验安全教育系统管理体系在新工科背景下的局限性,提出从夯实安全制度,丰富安全宣传,完善安全教育体系,构建安全监督体系和建设数字化危化品管理平台5个方面对管理体系进行丰富和完善,从而真正提高实验室安全管理水平.

1 实验安全教育工作现状

辽宁师范大学一直重视实验安全建设,已建立了制度、责任、检查、隐患处理为一体的实验安全管理体系[15],具体包括:

(1)制度体系

在学校层面,我校先后建立了《实验室安全管理办法》《实验室安全检查管理办法》和《实验室安全教育与准入管理办法》等制度.在学院层面,组织化学化工实验室建立并完善了多项具有学科特点的实验室安全管理制度,并将其整理、汇编成册.这些制度保障了实验室安全管理方面有据可循、有理可依.

(2)责任体系

根据实验室安全管理体制,建立全方位的责任体系,明确各管理层级安全工作职责及责任追究范围.例如:在学校层面,学校党政主要负责人是学校安全工作第一责任人;在学院层面,各学院党政主要负责人是本单位的实验室安全责任人;学院分管实验室安全负责人则是本单位实验室安全工作的具体管理人,协助本单位实验室安全责任人做好相关工作.

(3)检查体系

如图1所示,已建立实验室自查、学院检查、学校检查、专项检查等多层多级检查体系,并建立积极有效的反馈方式,极大提升实验室安全检查工作力度.

图1 辽宁师范大学实验室安全检查体系Fig.1 Laboratory safety inspection system of Liaoning Normal University

(4)安全事故隐患处理体系

学校、学院及相关实验室已建立了比较完备的安全事故隐患处理体系.对发现、检查出的一般事故隐患,实验室能够解决的立即解决,不能解决的应就事故隐患形成书面报告,上报学校职能部门.对发现、检查出的重大事故隐患,实验室要及时逐级书面报告,并提出具体的整改建议.在报告的同时,还要做好预案,防止事故发生.对实验室不能进行整改的事故隐患,学校主管部门接到报告后,进行实地调查核实,协调相关职能部门制订事故隐患整改方案.上述做法不仅在化学化工实验室,在整个辽宁师范大学的安全管理及教育方面都发挥了较好的作用.

2 实验安全教育仍存在的问题及相应对策

尽管辽宁师范大学已建立了一定的实验安全管理体系,但对于实验课程层面,以化学化工学院相关专业的实验为例,具有仪器设备和试剂材料种类多,覆盖学科范围广,参与学生多等特点,且大多数试剂材料属于危险化学品(如剧毒品、爆炸品、易制毒品、易制爆品等)[16].同时,化学化工实验室还存在压力容器等特种设备,实验后还会产生废气、废液、废物等危害品.随着学科交叉、产学融合、协同攻关等新的教学、研究形式的发展,相关实验室的共享、开放程度将不断提高,危险化学品、特种设备的使用、危害品的产生会越来越频繁.尤其是,随着新工科建设的不断深入,实验教学、科学研究中的探索性实验会越来越多,具有高安全风险的实验操作不断增加,实验室安全风险和管理难度不断增加[17],实验室安全教育和管理面临的压力将前所未有[18],因此,新形势下,需要更深入地开展实验室安全相关教育,具体措施如下:

2.1 夯实实验安全制度体系,通过制度体系学习,使学生领悟遵守规则的重要性

尽管学校、学院已建立了一定的实验室安全管理制度,但新形势下,随着实验室使用的越来越频繁,共享、开放程度的不断提高,部分实验安全制度体系需进一步夯实.应在现有实验安全管理制度的基础上,进一步建立具有化学化工专业特色的《化学化工实验室准入制度》(包括做实验人员的准入、实验项目本身的准入、实验仪器及试剂的准入等)《化学化工相关设备仪器定期检查制度》(关注检查的规范性、统一性、周期性)《化学化工试剂、常用实验设备安全应急管理预案》《实验室危化品应急预案》《×××危化品实验专项应急预案》《实验室个人防护装备的选择、使用、维护制度》和《实验人员定期安全培训制度》等,扎好制度的“笼子”和“篱笆”,让实验安全事故无路可逃.此外,在进行实验的过程中,可以对实验室的规章制度进行详细的介绍,并阐明违反规则的严重后果,促使学生对遵守实验室规则的认识进一步加深.

2.2 进一步丰富实验安全宣传体系,提升学生对生命的认知和敬畏

新形势下,进一步丰富实验安全宣传体系,吸引学生对安全的关注与兴趣.①在化学化工学院每层楼走廊墙壁最显眼的地方,设计实验安全宣传展板,编辑化学化工专业特色的实验安全标语,使学生时时刻刻感受到实验安全的重要性.同时,利用实验室安全事故的典型案例,让学生了解生命的脆弱,感悟生命的珍贵.②充分利用信息化手段,利用实验室内的多媒体电子屏,循环播放实验安全宣传纪录片,播放该实验室相关仪器设备的正确使用方法,播放该实验室常开设实验的操作注意事项,使学生形成良好的实验安全习惯.透过实验室垃圾循环再利用的过程,并通过国际、国内的实际环境污染事例,将环保观念植入每一位同学的心中.借由探讨人体健康、生态平衡等议题,促使每位同学在从事本专业及科研工作时,能有较高的社会责任感.③建设实验安全教育体验场所,根据实验安全教育内容设计教育主题与体验活动,让学生切实感受到安全教育的“难忘”“有趣”,从而使安全问题真正做到入脑入心.④梳理常见化学化工实验室安全事故,定期开展针对性事故演练.如图2所示,除寒暑假、期末复习月以外,每月开展一次安全事故演练.例如:2月份进行有机试剂着火事故演练,3月份进行有毒气体泄漏演练,依此类推.定期开展针对性安全事故演练,不仅有助于师生紧急情况下正确逃生,积累下来,将使师生获得丰富的实验事故处理经验.

图2 拟定期开展的针对性事故演练内容Fig.2 Content of targeted accident drills to be carried out during the proposed period

2.3 进一步完善实验安全教育体系,借人文关怀提升安全教育温度

化学化工相关实验室属于高风险专业实验室,实验安全教育体系的建立十分重要.除了常规的定期安全讲座和培训,实验安全课程也是安全教育的重要方面.目前,我校化学化工学院已开设《化学实验安全概论》的专业发展课.但该课程开设在第一学期,此时学生还处于实验懵懂期,对实验安全的概念比较模糊,学生实验技能也很薄弱,所以此时实验安全教育仅仅是泛泛的基本实验安全教育.

如图3所示,现从下面几个方面完善实验安全教育体系:①进一步设置实验安全教育必修或选修课程,构建完备的实验安全课程体系,有效增强学生安全意识和安全技能;②统筹实验教学与安全.考虑不同实验课程有不同的安全特点,因此,建议加大所有实验课程内部的安全教育力度,即每门实验课前开设《×××实验专项安全知识教育》和《×××实验安全应急演练》(不少于2课时).同时,每门实验课中都要渗透、强化实验安全知识,以课程思政形式,润物无声的渗透实验安全知识及技能.③积极汲取企业安全生产管理经验.定期“走出去”,组织学生到校外企业参观,学习安全生产经验;不定期“请进来”,邀请企业安全生产专家来我院做讲座或作为实验课程安全导师,打造实验课程安全“双师同堂”“校企合作”课程新模式,从而使学生全方位提高安全意识、多角度习得安全知识、深层次掌握安全技能.④借人文关怀和心理疏导,提升实验室安全教育温度.例如:在进行实验安全教学时,可以给学生指出,处理实验问题和处理人生问题是相通的,要时刻关注“水电”,不仅要注意实验室用水用电安全,还要管好人生的“水电”,做实验不放水,科研数据不做假;不给自己心理的电路负载过量的“电压”,别让自己太过疲惫和焦虑.另外,在教学过程中,还可将实验操作中所蕴含的生活哲学与学生进行互动.如高压实验后,要及时减压,不然极易引起爆炸,人体亦同理,有压力时,要学会给自己放松,松弛有度.将安全实验知识与幽默且富有哲理的语言相结合,不仅使实验安全教育课堂变得活泼有生机,也在潜移默化地影响学生的思维方式,培养学生积极向上的心态,理性平和的处世态度.

图3 实验安全教育体系Fig.3 System of experimental safety education

2.4 构建专业化多层次全覆盖实验安全监督体系,强化学生责任担当意识

大量事故表明,人的因素是安全事故的主要成因.据统计,在过去的实验室安全事故中,有近90%以上的事故是由人的安全意识淡漠及不安全行为等因素形成的[19-20].目前许多高校和院系的实验安全通常由行政岗位的实验室管理人员负责.他们中的大部分没有做过专业的教学、科研实验,缺乏专业的安全技术知识,安全教育经验也稍显不足.比如:非化学专业人员平常很少接触硫酸,很难判断在哪些场合会用到硫酸,会有哪些潜在安全隐患.因此,为适应新型化学化工实验室安全建设的需求,应按照“全员、全面、全程”的要求,持续强化师生安全意识,构建专业化、多层次、全覆盖实验安全监督体系.

如图4所示,第一层级是校级安全监督人员.需具有实验教学背景,至少是理工科出身的相关领导.第二层级是学院安全监督负责人.为院党委书记,全面负责学院安全工作.第三层级是做实验的一线教师.他们具有多年的科研经历、实验和实践经验,对突发事故的处理经验丰富,对可能的安全隐患也比较熟悉.将全体一线教师按楼层划分安全管理团队,分区域进行实验安全监督,并推选各专业或研究领域的骨干教师牵头负责.第四层级是全体学生.因为实验操作的人大多数是学生,科研实验室以研究生为主,教学实验室以本科生为主.所以安全监督体系也要包括学生,同学之间要互相监督、互相提醒.总之,通过层层有目标,级级有任务,人人有责任,构建专业化多层次全覆盖实验安全监督体系,同时也能大大提高学生的责任担当意识.

2.5 建设数字化危化品管理平台,虚实结合提高学生实验安全意识

与其他专业实验室相比,化学化工实验室具有存放化学试剂种类多、数量大的特点,且大多数属于危险化学品.同时,化学化工实验室还存在压力容器等特种设备,实验后还会产生废气、废液、废物等危害品.随着双一流建设的加强,科学研究、实验教学中探索性实验会越来越多,具有高安全风险的实验操作将不断增加,上述物品或设备等带来的安全隐患势必会大大增多.基于此,学校应联合各二级学院实验室,建立危险化学品、特种设备的采购、运输、存储、使用以及废弃物处置、废物处理的全流程监管和溯源数字化电子管理平台.①将电子标签与大数据结合,实现对合成、贮存、使用、运输、废弃物处置、废物处理等各环节中各类数据的采集与分析;②将物联网技术与移动数字技术结合,实现对化学实验室内危险化学品、特种设备使用信息进行采集及分析,并进行动态跟踪及轨迹监控;③建立完善的信息化档案数据库,实时收集相关数据并进行信息共享交换;④构建“源头可溯、流向可控、状态可控”的危险化学品、特种设备全流程监管和可追溯数字化电子管理平台.同时,化学化工学院积极进行虚拟实验建设.在慕乐网络科技(大连)有限公司的支持下,依托物联网、云计算、高速网络、高性能信息处理、智能数据分析等先进技术和先进的云端设备,对于有安全隐患的,实际不易操作的实验,积极借助多媒体技术、网络技术、VR技术等将传统实验虚拟仿真化,利用虚拟实验对相关现象进行探究,以达到低成本、超时空、强交互、高安全的实践教学效果.

3 结 语

习近平总书记曾指出:“青年兴则国家兴,青年强则国家强.青年一代有理想、有本领、有担当,国家就有前途,民族就有希望.”基于新工科背景,我们对原有的安全教育体系进行了升级.夯实了实验安全制度体系,丰富了安全宣传,构建了安全监督体系和数字化危化品管理平台.将多媒体设备与实验安全宣传相结合,使学生时时刻刻感受到实验安全的重要性.将对学生的人文关爱与心理辅导结合起来,借人文关怀和心理疏导,提升实验室安全教育温度.将同学互相监督纳入实验安全监督体系,构建人人有责任、专业化多层次全覆盖的实验安全监督体系,同时也能大大提高学生的责任担当意识.将新技术新媒体与常规的教学方式相结合,用科学技术给实验室安全教育带来了新的生机与活力,使实验室安全学习更有成效、更有趣味.该体系的构建与实践,将大大提升学校、学院的安全管理能力和服务水平,能有效降低高校实验室安全评估风险等级.