大学化学, 2016, 31(2): 20-23 doi: 10.3866/PKU.DXHX20160220

化学实验

介绍一个典型的安全教育实验

殷馨, 虞大红, 熊焰,

A Typical Experiment for Safety Education

YIN Xin, YU Da-Hong, XIONG Yan,

通讯作者: 熊焰, Email:xiongyan@ecust.edu.cn

基金资助: 上海高校实验技术队伍建设计划.  YJ0114205
上海高校实验技术队伍建设计划.  YJ0114208
华东理工大学校级教改项目.  YJ0126112
华东理工大学网络教育研究项目.  WJY2014012

Fund supported: 上海高校实验技术队伍建设计划.  YJ0114205
上海高校实验技术队伍建设计划.  YJ0114208
华东理工大学校级教改项目.  YJ0126112
华东理工大学网络教育研究项目.  WJY2014012

摘要

安全教育在高校实验教学中占有重要地位,国内很多高校开设了形式多样的安全教育课程,但多以文字形式为主,对学生而言相对枯燥,记忆不深刻,效果有限。为有效提高学生安全防范意识和能力,我们结合化学安全教育的特点,利用已有的物理化学实验,设计了一个立体化的典型安全教育实验,使之能适用于广泛的用途。

关键词: 化学实验教学 ; 实验室安全 ; 爆炸极限测定

Abstract

The safety education plays an important role in laboratory teaching.Many domestic universities have the safety education courses in various forms in the curriculum.But written lecture notes are the most adopted way of teaching, thus is not attractive enough to the students to achieve a good teaching result.Combined with the characteristics of chemical safety education, we integrated the current physical chemistry experiment into a typical experiment for safety education to improve the safety awareness and ability of students.This safety education experiment would be expected to achieve multiple teaching goals.

Keywords: Chemistry laboratory teaching ; Lab safety ; Explosion limit measurements

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殷馨, 虞大红, 熊焰. 介绍一个典型的安全教育实验. 大学化学[J], 2016, 31(2): 20-23 doi:10.3866/PKU.DXHX20160220

YIN Xin, YU Da-Hong, XIONG Yan. A Typical Experiment for Safety Education. University Chemistry[J], 2016, 31(2): 20-23 doi:10.3866/PKU.DXHX20160220

对于化学教育而言,安全教育是不可或缺的部分,也是高校基础课的重要组成部分。由于化学实验涉及到的试剂种类繁多,部分化学试剂易燃、易爆、具毒性或具腐蚀性;部分实验过程涉及高温、高压、放射性或毒害气体,其本身就存在潜在的危险性[1, 2]。诺贝尔物理学奖和诺贝尔化学奖获得者居里夫人因长年过量接触放射线而未采取人身防护措施,最终罹患再生障碍性贫血而逝世;其遗留的科研文件仍带过量电离辐射,必须存放在铅盒内,后人查阅时需配戴防护用具[3]。化学事故一旦发生,不但对实验者的施救难度大,对环境产生的污染也往往在短时间内难以消除,因此“安全第一,预防为主”的安全教育便显得尤为重要[4, 5, 6, 7]

虽然国内很多高校为新生开设了安全教育课程,但大多流于形式[8, 9, 10]。以文字形式为主的安全条例、安全规定、安全操作规范等对学生而言相对枯燥,但对于鲜活的案例,学生的记忆则会相对持久。如果每一位学生都有机会“体验”意外事故,那么他们的安全防范意识和能力都将大为提高。让学生通过直接感受计算机三维虚拟现实(virtual reality)模拟的意外事故,增强学生安全认知的做法,这种做法在国外不乏先例[11]。我们结合化学安全教育的特点,设计了可燃气-氧气-氮气三元系爆炸极限测定实验[12],并且配套建设三维虚拟现实软件,使这个实验的适用范围大为拓展。

1 实验设计

爆炸事故是学生在日常生活中经常耳闻的重大安全事故,其中可燃气体爆炸因其能释放巨大的能量,并可能造成非常严重的后果,使得防范爆炸事故成为石油、化工等易燃易爆场所安全管理工作中的重中之重。爆炸极限的发现及相应的测定仪器的出现,为科学控制爆炸事故的发生提供了重要的技术手段。如果让学生亲身体验一次可控的气体爆炸过程,并且亲自测定出爆炸极限,应该比单纯的预防爆炸事故安全宣讲更有效果,学生的印象也会更加深刻。基于这样一种思路,我们设计了可燃气-氧气-氮气三元系爆炸极限测定实验[12],并在面向本校全体本科生开展的安全教育中进行了较大范围的教学实践,取得了较好的效果。

1.1 实验内容与装置

可燃性气体或蒸气预先按一定比例与空气均匀混合后点燃,因其较缓慢的扩散过程已经在燃烧以前完成,燃烧速度仅取决于化学反应速度。在这样的条件下,气体的燃烧就有可能达到爆炸的程度。利用这个特点,参考安全工程领域关于爆炸极限测定的国家或行业标准,并考虑到实验过程应安全可控,将实验对象确定为丙酮蒸气,通过一定的与氧气、氮气(或者空气)“配气”过程,在爆炸室中得到一系列确定气体比例的“爆炸性混合气”,然后通过点火试验逐个确定其是否爆炸,进而确定爆炸低限与高限。

实验装置示意图见图1。该装置的特点是:

图1

图1   可燃气爆炸极限测定实验装置简图

A真空泵;B冷阱;C数字真空计;D爆炸室;E放电针尖;F储气瓶;G液体样品管;H贴有硅橡胶层压板;I高频电火花发生器;J取样室;K硅橡胶取样口;L进气口;1-9活塞


(1)与安全工程领域实验装置相比,爆炸室高度大大降低,大部分爆炸过程都没有明显的火焰传播现象产生,而只有声音和爆炸现象,通过目测、耳闻直接观察爆炸现象,突出了安全概念。

(2)爆炸室为直径约10 cm,高约8 cm的圆柱形敞口厚壁玻璃,下方开孔插入两段互不接触的铜丝,上方的盖板为贴有硅橡胶的酚醛塑料层压板,当系统为负压时,硅橡胶向内贴紧爆炸室口,以保证爆炸室的密封性。当发生爆炸时,硅橡胶则迅速与爆炸室口脱离,整个层压板飞起,使爆炸能量快速释放。

(3)使用高频电火花作为点火源,尽量控制点火时附加的能量,强调点火能量对爆炸极限测定的影响,通过教学使学生明白微小能量也能引发爆炸,以提高学生的安全意识。

(4)实验装置小型化,易于搭建和移动,简明易懂。

1.2 实验过程

具体实验步骤可概括为:系统抽空(除了将管路、爆炸室等抽空外,还必须将样品管内液面以上、活塞以下的死空间抽空,使死空间被样品蒸气充满) →配气(样品气、氧气、氮气分别通入爆炸室,其含量用活塞控制,由压力计的读数测出分压而求得,每种气体通入后必须将管路抽空,且爆炸室内总压需控制为等于当时的大气压,以减少漏气的可能) →点火起爆(混合气进入爆炸室后,等待5 min让气体充分混和,然后点火并观察是否爆炸,爆炸时爆炸室上盖的层压板会被气浪掀起) →确定爆炸极限(改变混合气的组成比例,观察是否爆炸,当丙酮分压改变0.1 kPa,混合气即由爆炸转变为不爆炸,此爆炸点即为爆炸极限) →结束实验(将系统抽空,然后关闭真空泵)。图2是由高速摄像机拍摄的爆炸瞬间过程截图,整个过程清晰明了,学生印象深刻。

图2

图2   爆炸过程截图


2 虚拟现实实验软件

尽管我们的实验装置已经实现了小型化,但由于实验条件、实验场地和实验教学安全等方面的限制,不允许对所有学生都开出此实验。比如对文科学生,网络教育、继续教育学生等,完全可以采用虚拟现实实验软件来达到同样的目的。

2.1 虚拟现实实验软件模块设置

整个虚拟现实实验软件分为以下几个模块:

(1)实验指导:包括①实验背景和目的;②实验原理;③实验设备;④实验装置;⑤实验操作步骤;⑥实验注意事项。该模块主要通过虚拟教师的讲解、装置实物照片或3D模拟图、文字等方式实现,示例见图3。为了突出安全教育的主题,在实验背景中加入了实际爆炸事故的现场视频、新闻报道图片等内容,并配以讲解,图文并茂地阐述爆炸事故的原因和防范方法等内容。

图3

图3   实验软件中实验原理和装置的讲解


(2)实验演示:包括该实验完整的教学视频。

(3)仿真虚拟操作:学生正式进入虚拟实验环境后,软件不对学生的虚拟操作设定太多的条条框框,所有实验操作均为多路径设计。“试错”设计使学生的正确操作和错误操作产生不同的结果,实验数据完全取决于学生的实际虚拟操作,数据处理过程则是在确认的数据基础上由系统自动完成。虚拟操作界面见图4

图4

图4   虚拟实验操作界面


2.2 虚拟现实实验软件在安全教育中的作用

在爆炸极限测定的实际实验过程中,尽管实验装置已经非常安全,但当气体混合物处在爆炸区间内时,点火爆炸可能会很剧烈,因此实验者必须严格遵守实验操作规程,必须要抽空除了爆炸室以外的管路中的气体后才能进行点火试验。此外,为了确保安全,还要在实验者与爆炸室之间隔以有足够厚度和强度的透明有机玻璃板。

为了使爆炸过程安全可控但又现象明显易于判断,且保证即便学生误操作也不至于产生安全事故,本实验所选取的可燃气体为丙酮蒸气,惰性气体为氮气。若要将本装置推广到其他体系,应相应采取更严格的安全措施。这些都给大范围的教学带来了一定的安全挑战。而虚拟现实实验软件则完全不受这方面的限制,学生可不受时间、空间的限制,无污染、无浪费、安全高效地重复操作,节约教学资源,实现绿色实验教学。如果能将虚拟现实软件与实际实验装置“虚实互补”,灵活运用,则可以达到更好的教学效果。

在可燃气体的爆炸极限测定虚拟现实实验软件中,学生可任意调节气体的混合比例,系统可根据预设的爆炸当量值展示不同的爆炸效果。除此之外,可燃气也可更换为其他气体,如煤气等,使实验更加贴近实际生活。

3 小结

通过线上线下虚实结合,开展可燃气-氧气-氮气三元系爆炸极限测定实验,构建了立体化的典型安全教育实验。除了用于对本校全体本科生开展安全教育外,我们还在本校网络教育学院、附属中学等单位进行了教学试点,均取得了较好的效果,验证了其广泛的适用性,值得进一步推广。

参考文献

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熊焰; 虞大红. 实验室研究与探索, 2010, 29 (11), 250.

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