殷　馨　虞大紅　熊　焰

（華東理工大學化學實驗教學中心，上海200237）

·化學實驗·

介紹一個典型的安全教育實驗

殷馨虞大紅熊焰*

（華東理工大學化學實驗教學中心，上海200237）

安全教育在高校實驗教學中占有重要地位，國內很多高校開設了形式多樣的安全教育課程，但多以文字形式為主，對學生而言相對枯燥，記憶不深刻，效果有限。為有效提高學生安全防范意識和能力，我們結合化學安全教育的特點，利用已有的物理化學實驗，設計了一個立體化的典型安全教育實驗，使之能適用于廣泛的用途。

化學實驗教學；實驗室安全；爆炸極限測定

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對于化學教育而言，安全教育是不可或缺的部分，也是高?；A課的重要組成部分。由于化學實驗涉及到的試劑種類繁多，部分化學試劑易燃、易爆、具毒性或具腐蝕性；部分實驗過程涉及高溫、高壓、放射性或毒害氣體，其本身就存在潛在的危險性［1，2］。諾貝爾物理學獎和諾貝爾化學獎獲得者居里夫人因長年過量接觸放射線而未采取人身防護措施，最終罹患再生障礙性貧血而逝世；其遺留的科研文件仍帶過量電離輻射，必須存放在鉛盒內，后人查閱時需配戴防護用具［3］?；瘜W事故一旦發(fā)生，不但對實驗者的施救難度大，對環(huán)境產生的污染也往往在短時間內難以消除，因此“安全第一，預防為主”的安全教育便顯得尤為重要［4-7］。

雖然國內很多高校為新生開設了安全教育課程，但大多流于形式［8-10］。以文字形式為主的安全條例、安全規(guī)定、安全操作規(guī)范等對學生而言相對枯燥，但對于鮮活的案例，學生的記憶則會相對持久。如果每一位學生都有機會“體驗”意外事故，那么他們的安全防范意識和能力都將大為提高。讓學生通過直接感受計算機三維虛擬現(xiàn)實（virtual reality）模擬的意外事故，增強學生安全認知的做法，這種做法在國外不乏先例［11］。我們結合化學安全教育的特點，設計了可燃氣-氧氣-氮氣三元系爆炸極限測定實驗［12］，并且配套建設三維虛擬現(xiàn)實軟件，使這個實驗的適用范圍大為拓展。

1　實驗設計

爆炸事故是學生在日常生活中經(jīng)常耳聞的重大安全事故，其中可燃氣體爆炸因其能釋放巨大的能量，并可能造成非常嚴重的后果，使得防范爆炸事故成為石油、化工等易燃易爆場所安全管理工作中的重中之重。爆炸極限的發(fā)現(xiàn)及相應的測定儀器的出現(xiàn)，為科學控制爆炸事故的發(fā)生提供了重要的技術手段。如果讓學生親身體驗一次可控的氣體爆炸過程，并且親自測定出爆炸極限，應該比單純的預防爆炸事故安全宣講更有效果，學生的印象也會更加深刻?；谶@樣一種思路，我們設計了可燃氣-氧氣-氮氣三元系爆炸極限測定實驗［12］，并在面向本校全體本科生開展的安全教育中進行了較大范圍的教學實踐，取得了較好的效果。

1.1實驗內容與裝置

可燃性氣體或蒸氣預先按一定比例與空氣均勻混合后點燃，因其較緩慢的擴散過程已經(jīng)在燃燒以前完成，燃燒速度僅取決于化學反應速度。在這樣的條件下，氣體的燃燒就有可能達到爆炸的程度。利用這個特點，參考安全工程領域關于爆炸極限測定的國家或行業(yè)標準，并考慮到實驗過程應安全可控，將實驗對象確定為丙酮蒸氣，通過一定的與氧氣、氮氣（或者空氣）“配氣”過程，在爆炸室中得到一系列確定氣體比例的“爆炸性混合氣”，然后通過點火試驗逐個確定其是否爆炸，進而確定爆炸低限與高限。

實驗裝置示意圖見圖1。該裝置的特點是：

（1）與安全工程領域實驗裝置相比，爆炸室高度大大降低，大部分爆炸過程都沒有明顯的火焰?zhèn)鞑ガF(xiàn)象產生，而只有聲音和爆炸現(xiàn)象，通過目測、耳聞直接觀察爆炸現(xiàn)象，突出了安全概念。

（2）爆炸室為直徑約10 cm，高約8 cm的圓柱形敞口厚壁玻璃，下方開孔插入兩段互不接觸的銅絲，上方的蓋板為貼有硅橡膠的酚醛塑料層壓板，當系統(tǒng)為負壓時，硅橡膠向內貼緊爆炸室口，以保證爆炸室的密封性。當發(fā)生爆炸時，硅橡膠則迅速與爆炸室口脫離，整個層壓板飛起，使爆炸能量快速釋放。

（3）使用高頻電火花作為點火源，盡量控制點火時附加的能量，強調點火能量對爆炸極限測定的影響，通過教學使學生明白微小能量也能引發(fā)爆炸，以提高學生的安全意識。

圖1　可燃氣爆炸極限測定實驗裝置簡圖

（4）實驗裝置小型化，易于搭建和移動，簡明易懂。

1.2實驗過程

具體實驗步驟可概括為：系統(tǒng)抽空（除了將管路、爆炸室等抽空外，還必須將樣品管內液面以上、活塞以下的死空間抽空，使死空間被樣品蒸氣充滿）→配氣（樣品氣、氧氣、氮氣分別通入爆炸室，其含量用活塞控制，由壓力計的讀數(shù)測出分壓而求得，每種氣體通入后必須將管路抽空，且爆炸室內總壓需控制為等于當時的大氣壓，以減少漏氣的可能）→點火起爆（混合氣進入爆炸室后，等待5 min讓氣體充分混和，然后點火并觀察是否爆炸，爆炸時爆炸室上蓋的層壓板會被氣浪掀起）→確定爆炸極限（改變混合氣的組成比例，觀察是否爆炸，當丙酮分壓改變0.1 kPa，混合氣即由爆炸轉變?yōu)椴槐?，此爆炸點即為爆炸極限）→結束實驗（將系統(tǒng)抽空，然后關閉真空泵）。圖2是由高速攝像機拍攝的爆炸瞬間過程截圖，整個過程清晰明了，學生印象深刻。

圖2　爆炸過程截圖

2　虛擬現(xiàn)實實驗軟件

盡管我們的實驗裝置已經(jīng)實現(xiàn)了小型化，但由于實驗條件、實驗場地和實驗教學安全等方面的限制，不允許對所有學生都開出此實驗。比如對文科學生，網(wǎng)絡教育、繼續(xù)教育學生等，完全可以采用虛擬現(xiàn)實實驗軟件來達到同樣的目的。

2.1虛擬現(xiàn)實實驗軟件模塊設置

整個虛擬現(xiàn)實實驗軟件分為以下幾個模塊：

（1）實驗指導：包括①實驗背景和目的；②實驗原理；③實驗設備；④實驗裝置；⑤實驗操作步驟；⑥實驗注意事項。該模塊主要通過虛擬教師的講解、裝置實物照片或3D模擬圖、文字等方式實現(xiàn)，示例見圖3。為了突出安全教育的主題，在實驗背景中加入了實際爆炸事故的現(xiàn)場視頻、新聞報道圖片等內容，并配以講解，圖文并茂地闡述爆炸事故的原因和防范方法等內容。

（2）實驗演示：包括該實驗完整的教學視頻。

（3）仿真虛擬操作：學生正式進入虛擬實驗環(huán)境后，軟件不對學生的虛擬操作設定太多的條條框框，所有實驗操作均為多路徑設計。“試錯”設計使學生的正確操作和錯誤操作產生不同的結果，實驗數(shù)據(jù)完全取決于學生的實際虛擬操作，數(shù)據(jù)處理過程則是在確認的數(shù)據(jù)基礎上由系統(tǒng)自動完成。虛擬操作界面見圖4。

2.2虛擬現(xiàn)實實驗軟件在安全教育中的作用

在爆炸極限測定的實際實驗過程中，盡管實驗裝置已經(jīng)非常安全，但當氣體混合物處在爆炸區(qū)間內時，點火爆炸可能會很劇烈，因此實驗者必須嚴格遵守實驗操作規(guī)程，必須要抽空除了爆炸室以外的管路中的氣體后才能進行點火試驗。此外，為了確保安全，還要在實驗者與爆炸室之間隔以有足夠厚度和強度的透明有機玻璃板。

圖3　實驗軟件中實驗原理和裝置的講解

圖4　虛擬實驗操作界面

為了使爆炸過程安全可控但又現(xiàn)象明顯易于判斷，且保證即便學生誤操作也不至于產生安全事故，本實驗所選取的可燃氣體為丙酮蒸氣，惰性氣體為氮氣。若要將本裝置推廣到其他體系，應相應采取更嚴格的安全措施。這些都給大范圍的教學帶來了一定的安全挑戰(zhàn)。而虛擬現(xiàn)實實驗軟件則完全不受這方面的限制，學生可不受時間、空間的限制，無污染、無浪費、安全高效地重復操作，節(jié)約教學資源，實現(xiàn)綠色實驗教學。如果能將虛擬現(xiàn)實軟件與實際實驗裝置“虛實互補”，靈活運用，則可以達到更好的教學效果。

在可燃氣體的爆炸極限測定虛擬現(xiàn)實實驗軟件中，學生可任意調節(jié)氣體的混合比例，系統(tǒng)可根據(jù)預設的爆炸當量值展示不同的爆炸效果。除此之外，可燃氣也可更換為其他氣體，如煤氣等，使實驗更加貼近實際生活。

3　小結

通過線上線下虛實結合，開展可燃氣-氧氣-氮氣三元系爆炸極限測定實驗，構建了立體化的典型安全教育實驗。除了用于對本校全體本科生開展安全教育外，我們還在本校網(wǎng)絡教育學院、附屬中學等單位進行了教學試點，均取得了較好的效果，驗證了其廣泛的適用性，值得進一步推廣。

［1］王妍.實驗室研究與探索，2010，29（9），183.

［2］楊玲，呂明泉，楊德勝.大學化學，2010，25（6），23.

［3］楊玲.實驗室研究與探索，2013，32（5），236.

［4］牛亮.實驗室研究與探索，2011，30（12），196.

［5］束羽，丁寅，徐錚.實驗技術與管理，2013，30（4），215.

［6］劉浴輝，羅文君.實驗技術與管理，2011，28（1），18.

［7］黃小斌，朱志明，周玉玲.實驗室研究與探索，2010，29（8），162.

［8］羅一帆，湯又文，孫峰，陳文森.實驗技術與管理，2009，26（4），147.

［9］張果.中國現(xiàn)代教育裝備，2010，No.11，118.

［10］何國梅.實驗科學與技術，2011，9（3），182.

［11］ Bell，J.T.；Fogler，H.S.Virtual Laboratory Accidents Designed to Increase Safety Awareness.In American Society for Engineering Education Annual Conference 1999，Charlotte，USA，July 9-15，1999；Session 3613；https：//peer.asee.org/8047.

［12］熊焰，虞大紅.實驗室研究與探索，2010，29（11），250.

A Typical Experiment for Safety Education

YIN XinYU Da-HongXIONG Yan*
（Chemical Experiment Center，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，P.R.China）

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.

Chemistry laboratory teaching；Lab safety；Explosion limit measurements

O6-3；G64

10.3866/PKU.DXHX20160220

，Email：xiongyan@ecust.edu.cn

上海高校實驗技術隊伍建設計劃（YJ0114205，YJ0114208）；華東理工大學校級教改項目（YJ0126112）；華東理工大學網(wǎng)絡教育研究項目（WJY2014012）