实验室安全虚拟仿真项目开发及应用
时间：2023-01-22 22:15:02 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
袁桃花，吴遵秋，孙见飞，钟 曦，许志玲，吴 宁
(贵州医科大学基础医学国家级实验教学示范中心， 贵阳 550025；
△通讯作者)
实验室安全是高校开展科教工作的基础。近年来，安全事故高频发生，使许多年轻鲜活的生命憾然离世，同时也造成了国家财产的重大损失，引发社会高度关注[1，2]。在高校如此重视实验室安全的情况下，事故仍然频发，我们究其缘由：首先，管理层面大多流于形式，执行力度不够；
其次，教学方式单一，基本上属于教师上课，学生听讲的“填鸭式”教学，从而导致了学生学习被动、学习效率低下；
此外，师生实验室安全意识薄弱，责任意识不强，导致学习内在动力不足。因此，实验安全教育成为教学的重中之重，提高师生安全意识成为当务之急，拓宽学生主动掌握实验室安全知识途径迫在眉睫。虚拟仿真技术被公认为是21世纪影响社会发展的重要技术之一，在“互联网+”推动下，虚拟仿真技术已经广泛应用于高校实验教学[3，4]。本项目组充分利用虚拟仿真实验可重复操作、再现难以复制的实验安全事故事件等优势，结合实验室安全教育，研发实验室安全虚拟仿真项目，旨在拓宽学生学习途径，为实验室安全、管理与教育提供指导意义。
高校实验室是安全事故发生较为集中的场所，大量来自不同学科方向、实验技术水平的学生在此从事科研、实践活动，提高他们安全责任意识是保障实验室安全的前提条件之一[5，6]。针对实验室安全教育，多数高校进行了不同形式与程度的建设工作。首先，实验室开设安全教学课程，进行集中讲座、专题培训、横幅宣传、安全准则学习等，但教学内容多停留在实验室安全基础知识、实验室化学品、实验室废弃物、实验室常用仪器设备操作等安全通识教育层面，专业针对性不强，且教学方式单一，基本上属于教师上课，学生听讲的“填鸭式”教学，从而导致学生学习被动、学习效率低下。部分高校引入防化装备穿戴、火灾逃生演习、灭火器及喷淋装置使用等实战演练环节[6-8]，但实训内容相对单一。而针对实验室安全事故的操作演练对场地、设备、器材和现场组织要求极高、代价较大，因此，无法提供大面积学生反复练习的条件[9-13]。所以实验室安全教育仍然轻实践实训，多属于“一过性教学”。学生实验室安全意识朦胧，正确识别实验室安全问题、熟练掌握实验室安全问题预防、控制、处理的能力不足[11]。其次，师生实验室安全意识薄弱，认为实验室安全事故是偶然事件，是别人的事情，与自己关系不大，责任意识不强导致学习内在动力不足[7-10]。第三，虽然各大高校对实验室安全重视度提高，相继完善并细化针对师生及管理者的各项实验室条例和规定，但大多流于形式，管理执行力度不够；
而多数高校设立基于实验室安全考试合格后签订实验室安全承诺书的严格准入制度对学生进行评估及管理，但实验室安全考核多采取“强制考”形式，学生存在反抗心理，厌恶学习；
且考核形式及内容单一，多为试题考核，而事故的具体处理措施相对薄弱，培训上践行和演习偏少，大部分内容停留在理论阶段[14-16]。最后，高校对实验室仪器管理及培训多针对高端大型仪器，小型仪器操作简单，但使用频繁，故障率高，而管理及培训容易被忽视，存在盲区，导致安全事故发生[16，17]。因此，将现代信息技术智能化管理方式引入辅助管理及进行安全教学、培训尤为重要[16，17]。
2.1 实验室安全虚拟仿真教学共享平台建设思路
高校实验室安全事故频发，如何更好地实现实验室安全培训时效性与提高管理效率成为各大高校教师及管理者甚至整个社会思考的重要问题。我校基于基础医学实验教学中心整体层面，以虚拟仿真实验教学中心为平台，以我校化学与生物化学实验室、机能学实验室、感染与免疫学实验室、多媒体形态学实验室、人体解剖学实验室共5个实体实验室安全问题为载体，与上海梦之路公司合作构建了基础医学实验室安全虚拟项目。
2.2 实验室安全虚拟仿真项目的内容
我校实验室安全虚拟仿真教学项目有四个模块：账号登入模块、教学及练习模块、考核模块和后台管理模块。项目开发旨在通过虚拟仿真实验操作培养学生实验室安全意识，训练学生掌握实验室安全基本操作，搭建各实验室安全考核评价体系。
2.2.1 账号登入模块 账号登入模块中，管理人员负责录入学员信息，是实验室安全虚拟仿真平台进入的前端。学员获得使用认证许可后，可进入平台学习，并实现实时检测及查看学习情况。
2.2.2 教学及练习模块 教学及练习模块具有较强覆盖面，实验室安全教育包含实验室通识模块、专业模块。学生可针对性选择学习内容，逐一击破，提升技能。①案例库：展示历年来各大高校发生的安全事故案例，可供学生进行分析和讨论，以便从中吸取经验教训，让学生意识到安全问题不容忽视，时刻保持警钟长鸣；
②实验室安全基本常识(通识模块)：包括防火、防电、防爆、动物伦理等通识实验室安全问题；
③各实验室安全问题(专业模块)：以我校中心五个实验室(化学与生物化学实验室、机能学实验室、感染与免疫学实验室、多媒体形态学实验室、人体解剖学实验室)的安全问题为载体，构建本模块。每个实验室安全问题都包括三个方面：实验室仪器、实验室试剂和实验室废物处理。虚拟项目学习以化学与生物化学实验室仪器使用说明为例，点击“化学与生物化学实验室”进入界面，再点击“实验室仪器”，可以看到离心机、超净工作台、恒温水浴锅等实验室常规仪器设备的模块。如点击离心机，包括三个部分：离心机的正确操作流程、易出现的错误操作和操作错误的应急处理。每个模块采取以虚代实、以虚补实、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，使学生在高度仿真的实景中自主学习、操作、检测、训练，不仅提高学习兴趣，还极大提升学习的主动性；
模块分区明确，使学生可以选择性学习，专业针对性强；
模块内容全面，可以弥补培训、管理中容易被忽视的盲区；
同时每个模块设置相应测试题，提示匹配内容，项目具有较强的智能化，能做到“教、学、练、考”同步化，提高学生学习及教师教学、培训、管理的效率。
2.2.3 考核模块 考核模块即评价体系，包含虚拟操作考核评分、实验室安全小助手、试题库以及实验室逃亡。虚拟操作考核评分，是在虚拟操作过程中设置了安全问题，可以对学生单个项目的掌握情况进行考核。实验室安全小助手，即视频上的小机器人可以随时检测出学生对整个项目的学习情况，等级越高，说明学生学习的知识点越多。试题库包含各实验室安全问题，教师可以随机抽取试卷对学生进行考试。实验室逃亡是游戏化实验考核，具有较强体验感及可操性。学生在玩游戏体验的同时又可以学习到知识，极大增强学习及探究的兴趣。教师通过以上评价体系全面综合地反映学生的学习情况，评价合格者即可获得实验室准入资格。
2.2.4 管理模块 平台使用人员包括系统管理员、实验教师、学生。其中系统管理员权限最大，系统管理员可实现师生管理。教师可实现学生管理、系统设置、实验库维护、资源管理数字化等功能，同时匹配相应的实验室使用准入认证平台，以提高管理效率，实现平台管理的智能化、数字化、有序化、规范化、一体化。
3.1 项目实践运用
我校实验室安全教学分课前、中、后3个阶段，采用学生自主学习与教师引导相结合、虚拟操作与实体实践相结合的线上线下混合式教学方式。课前教师借助雨课堂、学习通等发布教学任务，学生进行线上自主学习，提出反馈，教师批阅收集典型问题。课中教师进行线下课程讲授及线上实验室安全虚拟仿真项目虚拟操作。虚拟学习采取学生自主学习为主的方式，学生主动学习实验室安全知识，完成实验室安全考核，并在线下实体演练，以师生互动形式，分析讨论线上学习内容，并应用于实践教学中。课后教师发布学习内容，答疑解惑，同时鼓励学生参与虚拟项目研发。线上线下混合式教学方式+虚实结合学习方式配合使用，有利于实验室安全教育贯穿整个实验教学活动中。而目前我校实验室安全虚拟仿真项目使用专业广，面向全校27个专业开放，与多所高校实现资源共享，取得良好教学效果，使用量高达160 000余人次，学生反馈良好。
3.2 项目运用优势
我校实验室安全虚拟仿真项目自研发成功，就投入实验室安全教学与管理中使用，具有以下优势。
3.2.1 “学生-教师-企业”共同研发模式，提高学生学习主动性 项目采用“学生-教师-企业”共同研发模式。学生既是项目的服务对象，又是项目研发的主体，情景重现、脚本撰写、案例库建设等工作都是以学生为主体来完成的。这样的研发模式极大提高学生的主动性，增强其学习内在驱动力。
3.2.2 设计形式多样化，丰富教学手段 项目基于实验室安全基本内容，恰当结合真实情景再现、虚拟操作、游戏闯关等环节，知识点依托载体形式多样化，拓宽学习途径，增加学生学习兴趣，提高学习效率，同时丰富教师教学方式与手段。
3.2.3 考评体系多元化，实现全面灵活测评 考评体系包含虚拟操作考核评分、实验室安全小助手、试题库以及实验室逃亡。项目集线上操作与线下讨论相结合、虚拟操作与游戏过关相结合、线上学习与线下实践相结合等方面，形式多元化。考评方式灵活，知识点涵盖丰富，可以实现对学生整个学习过程进行分析评价，以形成性成绩与最终成绩相结合来展现学习效果，体现学生学习主动性、参与性、创新性，较全面地评价学生学习情况。
3.2.4 教学内容虚拟化，弥补传统安全教育实践教学不足的短板 虚拟仿真技术将实验室事故进行场景模拟，教学从“案例库”进入，引发学生思考，进一步进入虚拟场景中学习安全知识，使学生在学习中直面危险，寻找消除事故发生的方式方法，从而达到锻炼技能的目的，改变了以教师为主、学生为辅的传统“填鸭式”教学模式，采用以学生自主学习为主、教师引导为辅的开放式教学模式，充分发挥学生学习内在驱动力。
3.2.5 突破时域、空域、地域限制，使安全教育与管理更为开放 只要有网络、电脑等设备，学生可以随时、随地根据需要进行学习，反复演练、巩固，循序渐进，掌握实验室安全知识。教师可以在线分析学生学情，及时调整教学内容及教学模式，多角度、多层次地开展教学。同时，实验室管理应用智能化技术，管理人可以打破时空限制，实现线上智能化管理与培训，简化管理的同时提高管理质量与效率。
虚拟仿真实验室安全课程做到虚实有效结合，在线下教学与线上线下开放式网络教学相结合的混合模式下，有利于充分调动学生学习实验室安全知识的积极性，最大限度地激发学生的好奇心与探究兴趣，提高教与学的效率，同时简化实验室管理的繁琐细节[18-21]。我校实验室安全虚拟仿真项目在实验室安全教学中取得良好的教学效果，学生反馈良好，同时多元化考核评价体系对实验室管理起到重要辅助作用。目前，本项目已经完成生物化学实验室安全虚拟仿真项目，其他学科实验室安全虚拟仿真项目正在策划建设中，并不断深入挖掘完善虚拟仿真实验室评价体系，破除壁垒，丰富功能，完善平台，争取在更多高校中推广实施，成为实验室安全教学与准入工作中高效的管理和组织手段。
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