大学化学, 2017, 32(12): 48-52 doi: 10.3866/PKU.DXHX201707002

化学实验

大学化学实验安全教育和管理的创新与实践

朱平平,, 冯红艳, 金谷, 查正根, 郑媛, 兰泉, 高明丽, 盛翔

Innovation and Practice for Safety Education and Management in College Chemistry Laboratory

ZHU Ping-Ping,, FENG Hong-Yan, JIN Gu, ZHA Zheng-Gen, ZHENG Yuan, LAN Quan, GAO Ming-Li, SHENG Xiang

通讯作者: 朱平平, Email: zhupp@ustc.edu.cn

基金资助: 安徽省大规模在线开放课程(MOOC)示范项目.  2015mooc004
2015安徽省教研项目.  2015jyxm001

Fund supported: 安徽省大规模在线开放课程(MOOC)示范项目.  2015mooc004
2015安徽省教研项目.  2015jyxm001

摘要

在常规的安全教育和管理基础上,近年来中国科学技术大学化学实验教学中心进一步从硬件环境建设到在线安全课程(慕课)设置、从反应绿色化到高危实验虚拟化、从大型仪器管理到药品管理等方面,切实开展了一系列工作,建立了一套较为完整的安全教育与管理体系,以实现对学生安全意识和防护意识的全面提升。

关键词: 化学实验安全 ; 慕课 ; 绿色化学 ; 虚拟仿真实验

Abstract

Based on the conventional safety education and management methods, a series of innovation and practice were carried out in recent years. The safe environment in laboratory, the construction of Massive Open Online Course (MOOC) for safety education, and the application of green chemistry in chemistry laboratory teaching were introduced in this paper.

Keywords: Safety in chemical laboratory ; MOOC ; Green chemistry ; Virtual chemistry experiment

PDF (883KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

朱平平, 冯红艳, 金谷, 查正根, 郑媛, 兰泉, 高明丽, 盛翔. 大学化学实验安全教育和管理的创新与实践. 大学化学[J], 2017, 32(12): 48-52 doi:10.3866/PKU.DXHX201707002

ZHU Ping-Ping, FENG Hong-Yan, JIN Gu, ZHA Zheng-Gen, ZHENG Yuan, LAN Quan, GAO Ming-Li, SHENG Xiang. Innovation and Practice for Safety Education and Management in College Chemistry Laboratory. University Chemistry[J], 2017, 32(12): 48-52 doi:10.3866/PKU.DXHX201707002

毋庸置疑,在大学化学实验教学中安全教育至关重要[1]。中国科学技术大学化学实验教学中心(以下简称中心)在常规的安全教育和管理基础上,进一步完善了硬件环境,为教学实验室安全有序使用提供了有效的保障。此外,我们在前期工作的基础上,进一步加强安全课程建设,以全面提升学生的安全意识和防护意识;推进实验绿色化,强化学生的绿色化学理念;在对学生动手能力训练充足的前提下,将一些高危实验虚拟化,作为实际教学的重要扩展和补充;对大型仪器与药品实行信息化管理,以实现大型仪器的安全有序开放和药品的安全规范使用。本文介绍了中心在大学化学实验安全教育和管理方面的一些探索和经验。

1 化学实验安全教育和管理

1.1 安全课程设置

化学实验安全知识是学生进入化学实验室前必须掌握的知识[2],但是之前没有作为独立的课程开设,相关知识点主要在每门实验课程的绪论课上,以集中授课的形式教学,或是在某个具体的实验项目中,教师根据内容有针对性地强调相关安全知识点。但是,“集中授课”和“课上强调”两种形式很难开展全面系统的安全知识教育。

鉴于化学实验安全知识分散、复杂、多样,我们尝试通过新的授课方式,即借助互联网平台创新安全教育模式。我们设置了大型开放式在线课程“化学实验安全知识”慕课(Massive Open Online Course,缩写为MOOC)[3],并与上述实际教学相结合,实现线上线下相结合的混合式模式,对学生进行系统的安全教育。

“化学实验安全知识”慕课将个人安全防护、公共安全、化学实验室安全设施及其使用、水电气安全知识和操作常识、化学品的安全使用、化学废弃物的回收和处置、常见事故的预防和应急处理等在内的多个知识点,汇集成36个主题,展现形式包括教师讲课视频、PPT课件、动画、采访视频、实物展示视频和实验操作演示视频等。丰富的素材、多样的展现形式,是传统授课模式难以实现的。此外,线上学习形式,更有利于学生自主安排学习时间,学习过程也由传统授课模式下的被动学习转换为线上的主动学习。

该门慕课已在“易会学”平台(http://ehuixue.cn/,安徽省网络课程学习中心)和好大学在线(http://www.cnmooc.org/home/index.mooc)上线(图1图2),2016年底该课程被评为安徽省优秀慕课。

图1

图1   易会学平台


图2

图2   好大学在线


1.2 反应绿色化、减少或消除废弃物排放

在大学化学实验教学中,我们要求学生应该学会并做到如下几点[4]

(1)熟知化学药品的性质,理解化学反应原理;

(2)充分了解废弃物的组成和特性;

(3)培养良好的自主回收废弃物的意识和习惯;

(4)掌握废弃物的常规处理方法;

(5)严格遵守《中华人民共和国环境保护法》等相关法规。

在此基础上,进一步要求学生了解绿色化学概念,增强化学绿色化的意识[5]。通过一些实验内容的改进或关联性实验项目的设置,让学生亲身体会到只有把废弃物的末端处理变为从源头预防,实现废弃物的少排放甚至零排放,才是最根本的解决化学废弃物的方式,这样化学就成为了真正的环境友好化学。下面举几个实例来说明。

实验小量化是实现化学实验教学绿色化的有效手段之一。我校的“有机化学实验”课程[6]项目采用常规的操作方法,但尽可能减少试剂的用量。如,“乙酰二茂铁的合成”是一个经典实验项目,我们将二茂铁的用量从常量的1克减少到0.1克,主要药品用量节约90%,也有效减少了化学废弃物的排放和处理。

然而,因准确度要求,化学定量分析很难做到小量化,否则会造成实验操作误差大、终点变色不灵敏、甚至无法确认终点出现等问题。但“绿色分析化学实验的整体构建”这种教学体系的出现,为解决有害物质的处理问题提供了一种有效的途径。例如经典的分析化学实验涉及的有害物质主要包括三大类:强酸(碱)、重金属离子(如Pb2+、Cr(Ⅲ、Ⅵ)、Cu2+)、有机溶剂(如苯、氯仿)。这些物质的使用在教学过程中难以避免,关键问题是如何进行后期处理。我们采取了尽可能回收再利用的策略,这样大大降低了污染物对外排放,同时也有效地降低了实验成本,更重要的是培养了学生“绿色化学”的意识[7]。具体的方法如下:

(1)强酸(碱)回收,作为下一年度“定量分析化学基本操作练习”的样品;

(2)含铬废液的回收,作为同年度“含铬废液的回收处理及分析评价”的样品;

(3)含铅废液的回收,作为下一年度“海藻酸盐微胶囊的制备及分析应用”的样品。因为微胶囊既可作为药物载体,也可用于重金属离子(特别是Pb2+)吸附。

溶剂萃取是化学实验中经典的分离方法之一,但有机溶剂(苯、氯仿等)危害大,为解决这一问题,我们设计了“聚乙二醇-盐水体系分离富集和测定钴离子”实验替代了传统的溶剂萃取实验,两者均为液液萃取,分离原理均是利用在两相分配的差别。

1.3 高危实验虚拟化

虽然中心开设的实验教学项目已逐步推行绿色化,但是化学实验有时候会涉及到特别有毒有害试剂的使用,或反应过程中产生特别有毒有害的物质,而这些实验对于学生掌握相关知识点、完善知识体系又是必要的。为了提高这部分实验的效果,我们制作了高危条件下的虚拟仿真实验[8],由教师演示整个实验操作,突出展示实验重点、难点和关键技术手段,并将整个实验过程制作成视频,发布在中心化学虚拟仿真实验教学网站上,供学生学习,作为实际教学的重要扩展和补充。

如,“柠檬酸法制备固体燃料电池SDC粉体”项目(图3),用到少量稀土金属,且产品自燃后会带来一定程度的粉尘污染。基于对学生健康以及实验室安全的考虑,该实验并不适合在教学实验室大面积地开展。我们让教师完成整个实验过程,并拍成视频,学生通过视频学习,可以直观地了解SDC粉体的详细制备过程,观察反应体系形成溶胶、凝胶最后发生自燃的化学现象。最后粉体在马弗炉里煅烧后检测,利用视频向学生展示产品理化性能的表征图谱,使学生进一步加深对产品性能的了解。

图3

图3   高危条件下的虚拟仿真实验


1.4 大型仪器与药品的安全有序管理

“仪器分析实验”是一门基础化学实验课程,在前期的学习中,通过12个实验项目,学生可以学习十多种仪器的基本工作原理和常规测试操作,在后期的设计性实验教学阶段,则由学生自行组合、自由选题,学生通过预约使用平台上的所有仪器,在教师的指导下一步步完成实验项目。在其他课程的教学环节,也增加了研究型化学实验课程和较多的开放式、自主设计性实验项目的训练。

为了确保实验教学资源的最大限度共享,为学生顺利完成自主设计性实验项目和各类科研实践活动提供有力的保障,中心对大型仪器实行信息化管理,实现大型仪器的安全有序开放。此外,对药品也实行信息化管理,以实现药品的安全规范使用。

(1)硬件条件保障。

教学实验室均采取智能门禁管理,实行24小时实时监控。集中供应实验气体和纯水至实验台面,统一管理。从硬件条件上确保实验室的有序开放、大型仪器和化学用品的安全管理和使用。

(2)大型仪器安全有序管理。

中心建设了大型仪器共享管理信息系统(图4),对仪器分析教学平台实行开放式管理。教学时间段外,平台对本科生和研究生开放,学生通过培训考核获得系统授权后,经网上预约,在授权时间段内,通过门禁进入实验室使用所预约的仪器,系统自动生成使用记录等相关信息。

图4

图4   大型仪器共享管理信息系统示意图


(3)药品信息化管理。

中心还建立了化学药品信息化管理平台(图5),实现对化学药品的购入、使用、销毁等各个阶段的动态掌握、安全使用和管理。

图5

图5   药品信息化管理平台界面


2 化学实验安全教育和管理效果

中心的安全教学与管理取得了良好效果。目前,所有实验和虚拟实验的教学资源已经全部完成建设并对外开放,实现资源共享。自实施以来,实验室安全教育实现了线上线下相结合的教学模式,采取了翻转课堂教学模式,提高了学生学习的积极性和主动性,使学生的安全知识、环保意识和可持续发展意识的教育更加系统和深入。相关经验已得到同行的充分肯定,在中国化学会学术年会等全国性学术会议和教学研讨会上做分会邀请报告或口头报告,产生了良好的示范辐射作用。

参考文献

教育部办公厅[2017] 2号文件.教育部办公厅关于加强高校教学实验室安全工作的通知.

[本文引用: 1]

杨玲; 吕明泉; 杨德胜. 大学化学, 2010, 25 (6), 23.

[本文引用: 1]

冯红艳,高明丽,郑媛,兰泉,黄微,魏伟,邵伟,朱平平.大学化学实验安全教育模式的创新与MOOC制作心得//《高校化学化工课程教学系列报告会(2016)》,北京:高等教育出版社, 2016.

[本文引用: 1]

兰景凤; 俞娥. 大学化学, 2016, 31 (8), 71.

[本文引用: 1]

闫立峰. 绿色化学, 合肥: 中国科学技术大学出版社, 2007.

[本文引用: 1]

査正根; 汪志勇; 郑小琦; 郑媛; 刘晓红. 实验室科学, 2011, 14 (2), 196.

[本文引用: 1]

金谷; 姚奇志; 江万权; 胡祥余; 李娇. 分析化学实验, 合肥: 中国科学技术大学出版社, 2010.

[本文引用: 1]

侯中怀,朱平平,黄微,刘光明.化学虚拟仿真实验的教学探索与平台建设//《高校化学化工课程教学系列报告会论文集(2014)》,北京:高等教育出版社, 2015

[本文引用: 1]

/