李 伯 平

(南開大學(xué) 化學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,天津 300071)

0 引 言

安全教育應(yīng)以提高學(xué)員的安全防護(hù)能力為目標(biāo)，但從檢索結(jié)果看，現(xiàn)有與安全教育相關(guān)的教科書、研究論文幾乎都聚焦于安全基礎(chǔ)知識(shí)，沒有就安全防護(hù)能力進(jìn)行過系統(tǒng)的闡述，甚至沒有提出過安全防護(hù)能力的概念[1-11]，例如《高校實(shí)驗(yàn)室化學(xué)安全與防護(hù)》[1]《實(shí)驗(yàn)室安全基礎(chǔ)》[3]《高校實(shí)驗(yàn)室安全基礎(chǔ)》[4]《大學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全基礎(chǔ)》[5]《Laboratory safety for chemistry students》[6]《School chemistry laboratory safety guide》[7]等教科書均未涉及安全防護(hù)能力的概念和系統(tǒng)理論。從鄭春龍等[8]的研究結(jié)果也可以看出，中外教科書均缺少“安全防護(hù)能力”的關(guān)注。王文靜等[9]提出的高校安全水平指標(biāo)體系也沒有將實(shí)驗(yàn)人員的安全防護(hù)能力納入其中。作者在長(zhǎng)期的工作中發(fā)現(xiàn)，即便是擁有良好安全知識(shí)的實(shí)驗(yàn)人員在科研中仍然可能存在應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)能力不足的問題。究其原因主要有兩個(gè)，① 創(chuàng)新研究涉及未知領(lǐng)域，相關(guān)的知識(shí)、設(shè)備、材料、流程往往特殊、陌生而復(fù)雜，除了需要基礎(chǔ)安全知識(shí)之外，還需要很多特殊、復(fù)合的新安全知識(shí)，以致實(shí)驗(yàn)人員已有的安全知識(shí)不足所需，就像一位只會(huì)開摩托車的駕駛員不會(huì)駕馭汽車一樣；② 知識(shí)與能力之間往往存在鴻溝，針對(duì)一個(gè)陌生實(shí)驗(yàn)過程的危險(xiǎn)因素分析、安全防護(hù)方案的設(shè)計(jì)以及有效實(shí)施需要強(qiáng)大的綜合解決問題的能力，而僅靠單純的知識(shí)學(xué)習(xí)很難獲取這樣的能力，就如安全駕馭汽車的能力很難僅憑熟讀駕駛教科書形成一樣。顯然，安全教育需要“調(diào)焦”至安全防護(hù)能力上。

安全防護(hù)能力是一種實(shí)踐能力，但調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)下越來(lái)越多的高校將有適度危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)從實(shí)驗(yàn)課中剔除，以確保學(xué)生和自身的高度安全，使學(xué)生徹底失去了安全防護(hù)能力的實(shí)訓(xùn)機(jī)會(huì)，以致他們可能沒有足夠的能力應(yīng)對(duì)未來(lái)實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)。因此，探索可行的能力培養(yǎng)模式是安全教育的使命。

本文將定義“安全防護(hù)能力”的相關(guān)概念，并系統(tǒng)論述安全防護(hù)能力的構(gòu)成要素，并探討培養(yǎng)安全防護(hù)能力的有效模式及介紹新模式的實(shí)際應(yīng)用情況。

1 實(shí)驗(yàn)人員安全防護(hù)能力的定義

廣義的“安全防護(hù)能力(Safety Protection Capability, SPC)”是指?jìng)€(gè)體、機(jī)構(gòu)乃至社會(huì)所具有的防范、應(yīng)對(duì)各種安全風(fēng)險(xiǎn)的能力。對(duì)于不同主體，SPC有不同的狹義內(nèi)涵，本文探討參與理工科學(xué)實(shí)驗(yàn)的人員在實(shí)驗(yàn)中防范與應(yīng)對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)的能力，是特指實(shí)驗(yàn)人員的SPC，優(yōu)良SPC的內(nèi)涵是：在足夠的安全意識(shí)驅(qū)動(dòng)下，運(yùn)用安全理論與經(jīng)驗(yàn)，全面分析實(shí)驗(yàn)可能存在的危害因素，研究規(guī)避方法，通過對(duì)設(shè)備、流程與參數(shù)、材料、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、環(huán)境條件、人員等單元的合理配置，構(gòu)建有冗余的安全防護(hù)方案，并在該方案的指引下對(duì)實(shí)驗(yàn)中的危險(xiǎn)因素進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)與控制，能在意外發(fā)生時(shí)合理、有效地應(yīng)對(duì)。

2 構(gòu)成實(shí)驗(yàn)人員SPC的要素

假如把實(shí)驗(yàn)人員的SPC看成一幅“拼圖”，那么它由以下不可或缺的5部分構(gòu)成。

2.1 安全意識(shí)

實(shí)驗(yàn)人員應(yīng)該具備“足夠”的安全意識(shí)。不同人對(duì)“足夠”的理解可能存在很大的偏差，為了避免這樣的問題，賦予了“足夠的安全意識(shí)”深刻、完整、明確的內(nèi)涵——實(shí)驗(yàn)人員對(duì)有關(guān)安全意識(shí)的以下8個(gè)方面都能有深刻理解并形成長(zhǎng)期意識(shí)：① 事故往往在不經(jīng)意中或心懷僥幸時(shí)發(fā)生；② 風(fēng)險(xiǎn)失控的結(jié)局可能是災(zāi)難性的；③ 重大安全事故的責(zé)任單位、責(zé)任人會(huì)被追究刑事責(zé)任；④ 預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)的投入往往是最劃算；⑤ 沒有進(jìn)行過危險(xiǎn)性評(píng)估的實(shí)驗(yàn)是可能存在危險(xiǎn)；⑥ 任何有風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)必須有安全防護(hù)方案；⑦ 實(shí)驗(yàn)在安全性上必須有足夠的安全冗余；⑧ 安全防護(hù)方案必須在實(shí)驗(yàn)中有效實(shí)施。

“安全冗余”一詞原本是工業(yè)、工程技術(shù)以及IT領(lǐng)域常用安全設(shè)計(jì)術(shù)語(yǔ)[12]，是指通過潛在危險(xiǎn)性分析，制定雙重或多重安全防護(hù)措施來(lái)預(yù)防事故發(fā)生的安全理念。在有冗余度的多重安全設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，即使有一兩道防線失效，還有冗余的防線可阻止事故發(fā)生。

對(duì)于有危險(xiǎn)的項(xiàng)目，沒有安全冗余的實(shí)施方案是令人擔(dān)憂甚至恐懼的。1986年1月28日，美國(guó)“挑戰(zhàn)者”號(hào)航天飛機(jī)在起飛73 s之后爆炸墜毀，起因只是所用的O形橡膠密封圈因氣溫較低失去了彈性，導(dǎo)致高溫氣體外泄，進(jìn)而引起外掛燃料箱內(nèi)液氫泄漏，引發(fā)了大爆炸，7名宇航員全部罹難，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)55億美元，成為世界航天史上最大的災(zāi)難。從調(diào)查結(jié)果看，NASA相關(guān)人員違規(guī)讓航天飛機(jī)在安全氣溫以下強(qiáng)行起飛，以及機(jī)體密封設(shè)計(jì)缺乏足夠的安全冗余是釀成災(zāi)難的根本原因[13]。

盡管國(guó)內(nèi)高校都設(shè)有較完整的安全教育課程，但近年來(lái)高校實(shí)驗(yàn)室依然發(fā)生了很多安全事故，自2011年以來(lái)的7年里驚動(dòng)全國(guó)的爆炸事故有9次[13]，清華、復(fù)旦、南開、川大、華東理工等高校都出現(xiàn)過，平均每年超過1次。這些事故相關(guān)的責(zé)任者均接受過安全教育，也知道實(shí)驗(yàn)存在危險(xiǎn)，但悲劇還是發(fā)生了，問題的根源在于他們的安全意識(shí)并沒有達(dá)到上述8個(gè)要求。2016年9月21日，上海某大學(xué)一實(shí)驗(yàn)室發(fā)生爆炸，2名學(xué)生眼、面部受重傷，從多方媒體[14-17]透露的情況看，是3位研究生在制備氧化石墨烯過程中反應(yīng)失控發(fā)生爆炸，當(dāng)事者在爆炸發(fā)生前還未忘記告誡學(xué)弟注意實(shí)驗(yàn)的爆炸危險(xiǎn)，顯然不能說他沒有一點(diǎn)安全意識(shí)。

2.2 安全知識(shí)體系

安全知識(shí)劃分為基礎(chǔ)安全知識(shí)和特殊安全知識(shí)兩類?；A(chǔ)安全知識(shí)是指?jìng)鹘y(tǒng)安全教育課程傳授的安全知識(shí)，其他的、特定研究過程必需的安全知識(shí)則通稱為特殊安全知識(shí)。

常規(guī)安全教育課程所涉及的安全知識(shí)很難全面、深入。許多特殊場(chǎng)景中的特殊安全知識(shí)需要通過針對(duì)性學(xué)習(xí)獲取。例如，美國(guó)化學(xué)文摘記載有多達(dá)1.37億種化學(xué)物質(zhì)[18]，可導(dǎo)致危險(xiǎn)、危害的物質(zhì)何止百萬(wàn)種，安全教科書所能涉及的危險(xiǎn)性物質(zhì)只是滄海一粟。因此，通過檢索MSDS(材料安全性數(shù)據(jù)說明書)數(shù)據(jù)庫(kù)獲得化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所涉及化學(xué)物質(zhì)，包括原料、產(chǎn)物、中間產(chǎn)物的詳盡安全數(shù)據(jù)是十分必要的。

一項(xiàng)創(chuàng)新研究可能會(huì)關(guān)聯(lián)多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，涉及專用儀器設(shè)備和材料以及復(fù)雜的工藝過程，會(huì)遭遇各式各樣的安全問題，因此所需的安全知識(shí)會(huì)具有多樣性特征，完全有可能超出研究者的專業(yè)范疇。因此，參與科研的實(shí)驗(yàn)人員應(yīng)該通過大量查詢、補(bǔ)充學(xué)習(xí)使其安全知識(shí)具備足夠的系統(tǒng)性和完整性。

2.3 實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)性分析的能力

歐美國(guó)家在工程、工業(yè)領(lǐng)域廣泛采用工作危險(xiǎn)性分析(Job Hazard Analysis，JHA)評(píng)估工作風(fēng)險(xiǎn)[19]。實(shí)驗(yàn)研究會(huì)面臨陌生、復(fù)雜、暗藏危險(xiǎn)的過程，因此美國(guó)化學(xué)會(huì)將危險(xiǎn)性分析技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)室的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中[20]。針對(duì)實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性分析應(yīng)力求全面無(wú)疏漏。即使是同一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，假如選擇的設(shè)備、藥劑用量或其它參數(shù)不同，有可能導(dǎo)致潛在危險(xiǎn)的類型與程度不同，因此需要做出相應(yīng)的危險(xiǎn)性分析。

實(shí)驗(yàn)人員應(yīng)該學(xué)會(huì)從以下4個(gè)層面評(píng)估一項(xiàng)具體、特定的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)：① 分析相關(guān)儀器、設(shè)備、藥劑、材料帶來(lái)的危險(xiǎn)性;② 從運(yùn)行機(jī)理上分析各單元(反應(yīng))過程存在的危險(xiǎn)因素;③ 分析人員以及環(huán)境條件是否對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的安全性的影響;④ 針對(duì)擬定的實(shí)驗(yàn)方案，綜合分析存在的危險(xiǎn)因素和危害程度。

2.4 實(shí)驗(yàn)安全防護(hù)方案的設(shè)計(jì)能力

對(duì)于有一定危險(xiǎn)性的研究，必須謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案；一個(gè)好的安全防護(hù)方案應(yīng)該在理論上經(jīng)得起反復(fù)推敲、有足夠的安全冗余。理論上存在疏漏、無(wú)安全冗余或冗余不足的技術(shù)方案，在實(shí)施過程出事故的概率就會(huì)很高。安全防護(hù)方案的變更應(yīng)依據(jù)變更管理制度進(jìn)行評(píng)估、審核、驗(yàn)證與備案。

安全防護(hù)方案的設(shè)計(jì)通常涉及以下5個(gè)方面。

(1) 設(shè)備選型與設(shè)計(jì)。為實(shí)驗(yàn)選擇有高安全冗余設(shè)計(jì)的設(shè)備非常重要。如某款壓力鍋采用了罕見的六重安全防線設(shè)計(jì)：防線1，鍋身材料的可耐受壓力遠(yuǎn)高于使用壓力；防線2，利用限壓閥來(lái)限制內(nèi)壓超限；防線3，在限壓閥入口設(shè)置了防堵罩，防止排氣孔的意外堵塞；防線4，假如限壓閥遭遇極小堵塞，鍋內(nèi)壓力會(huì)上升，啟動(dòng)警示器用戶馬上關(guān)閉熱源；防線5，如果熱源沒關(guān)閉，鍋內(nèi)壓會(huì)繼續(xù)上升，則安全閥將發(fā)揮泄壓作用；防線6，如果安全閥意外失靈，鍋壓繼續(xù)上升，則泄壓安全窗將被打開，實(shí)現(xiàn)泄壓。要讓這種具有6重安全設(shè)計(jì)的壓力鍋發(fā)生爆炸是非常困難的。

當(dāng)現(xiàn)有設(shè)備無(wú)法滿足安全防護(hù)要求時(shí)，可以設(shè)計(jì)、定制適用的、高安全性的設(shè)備。例如在石墨烯制備實(shí)驗(yàn)中，為了防止反應(yīng)體系的噴濺(爆)危險(xiǎn)，設(shè)計(jì)制作了一種安全反應(yīng)箱，它采用了防爆、防噴濺、防溢流的安全設(shè)計(jì)，使反應(yīng)過程有了很高的安全冗余。

(2) 藥劑或材料的優(yōu)選。在保證實(shí)驗(yàn)效果的前提下選用安全性較好的藥劑與材料。找出殊途同歸的替代方案本身創(chuàng)新。

(3) 運(yùn)行參數(shù)的確定。讓實(shí)驗(yàn)盡可能在遠(yuǎn)離安全閾值下。例如將石墨烯制備反應(yīng)體系的總劑量控制在較低范圍內(nèi)時(shí)，危險(xiǎn)的噴爆就不容易發(fā)生，事實(shí)上很多時(shí)候我們沒有必要用那么大的反應(yīng)劑量；采取降低反應(yīng)溫度、延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間往往也能提高該反應(yīng)的安全性。

(4) 設(shè)計(jì)過程監(jiān)測(cè)與控制方案。任何事故在發(fā)生前都有蛛絲馬跡，為實(shí)驗(yàn)制定實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警與控制方案是必要的。

(5) 確定操作人員的防護(hù)方案。根據(jù)有“安全冗余”的原則設(shè)計(jì)人體防護(hù)方案。例如，我們?yōu)槭┲苽鋵?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了“過度”的人體全覆蓋式防護(hù)方案，該方案采用了防化學(xué)藥品的阻燃罩衣(袖端收口、無(wú)紐扣設(shè)計(jì))、抗沖擊透明面罩、安全帽等防護(hù)裝備，讓我們可以非常安心地讓學(xué)生做有適度“危險(xiǎn)性”的實(shí)驗(yàn)。

(6) 設(shè)計(jì)應(yīng)急預(yù)案。有完備的預(yù)案，才最有可能在救險(xiǎn)黃金時(shí)間內(nèi)展開有效救護(hù)。

2.5 安全防護(hù)方案的驗(yàn)證與實(shí)施能力

一方面，基于理論或假設(shè)的推論是否確切需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；另一方面，初擬的安全防護(hù)方案可能存在瑕疵，也有必要通過實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)過程中連續(xù)監(jiān)測(cè)重要參數(shù)的變化，以分析、確定現(xiàn)有安全防護(hù)邏輯的合理性。假如出現(xiàn)意外情況，則需重做危險(xiǎn)性分析，并依據(jù)新分析結(jié)果對(duì)安全方案作出修正。

當(dāng)實(shí)驗(yàn)方案更改時(shí)，也需要重做危險(xiǎn)性分析，安全防護(hù)方案隨之作必要的更改與驗(yàn)證。

已通過驗(yàn)證的安全防護(hù)方案必須被完整執(zhí)行。盡管它有可能會(huì)增加實(shí)驗(yàn)的難度、實(shí)驗(yàn)的成本，還可能會(huì)降低實(shí)驗(yàn)的效率，但實(shí)驗(yàn)人員不能隨意改變既定方案。

實(shí)驗(yàn)人員應(yīng)具有實(shí)驗(yàn)操作、控制能力，以及意外事故的應(yīng)急處理能力，以保障安全方案的完整可實(shí)現(xiàn)性。

3 SPC的復(fù)合培養(yǎng)模式

3.1 注重系統(tǒng)化培養(yǎng)

為了構(gòu)建實(shí)驗(yàn)人員完整的SPC“拼圖”，安全教育應(yīng)該有系統(tǒng)化的理念。

學(xué)生獲得系統(tǒng)化的SPC的兩個(gè)優(yōu)選步驟是：① 形成足夠的安全意識(shí)，學(xué)好基礎(chǔ)安全知識(shí)；② 參與設(shè)計(jì)有適度風(fēng)險(xiǎn)的研究性實(shí)驗(yàn)，通過紙上推演以及應(yīng)用實(shí)戰(zhàn)，獲得專用安全防護(hù)知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和各項(xiàng)技能。

所說的“紙上推演”類同于軍事上的“兵棋推演”[21]。紙上推演與常規(guī)的知識(shí)學(xué)習(xí)有很大的不同，它強(qiáng)調(diào)創(chuàng)造性地運(yùn)用各種知識(shí)，為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)個(gè)性化、周全的安全防護(hù)方案，然后通過虛擬演練，檢驗(yàn)安全方案的可行性與可靠性，找出方案的缺陷并加以完善。

3.2 與研究性實(shí)驗(yàn)融合

將基礎(chǔ)安全知識(shí)的教學(xué)與安全意識(shí)的培養(yǎng)安排在本科一、二年級(jí)階段；在三年級(jí)階段，將SPC的培養(yǎng)過程融合在以鍛煉學(xué)生科研能力為主的研究性實(shí)驗(yàn)中，讓學(xué)生完整經(jīng)歷危險(xiǎn)因素分析、安全防護(hù)方案的制定、安全防護(hù)方案的驗(yàn)證與實(shí)施、突發(fā)事故應(yīng)急處理的綜合訓(xùn)練，使學(xué)生的SPC達(dá)到可以應(yīng)對(duì)較復(fù)雜、有一定危險(xiǎn)性的研究課題的要求，這樣的培養(yǎng)模式可以起到一石二鳥的作用。

4 創(chuàng)新培養(yǎng)模式的實(shí)踐與成效

化學(xué)院要求大一學(xué)生都必須完成基礎(chǔ)安全知識(shí)的學(xué)習(xí)與考評(píng)，通過考評(píng)者才能獲得實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)入資格。4年前刻意將有一定風(fēng)險(xiǎn)的“石墨烯相關(guān)系列研究性實(shí)驗(yàn)”引入三年級(jí)的實(shí)驗(yàn)課中，其目的在于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新研究能力和安全防護(hù)能力。在該課程中，要求學(xué)生分析相關(guān)化學(xué)品的MSDS、解析危險(xiǎn)發(fā)生的內(nèi)在機(jī)理、挖掘各種潛在的危險(xiǎn)因素，設(shè)計(jì)并推演“有安全冗”的實(shí)驗(yàn)方案。針對(duì)學(xué)生方案中存在的安全問題，老師會(huì)進(jìn)行深入分析并給出優(yōu)化意見。隨后，學(xué)生還需參加一項(xiàng)專門針對(duì)該實(shí)驗(yàn)的安全防護(hù)能力測(cè)評(píng)，通過測(cè)評(píng)后便獲得實(shí)驗(yàn)資格。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后學(xué)生在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中應(yīng)作出相關(guān)總結(jié)。

4年多的教學(xué)實(shí)踐證明，化學(xué)法制備石墨烯過程中的危險(xiǎn)完全可以通過采用多重安全防護(hù)措施得到完美控制，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出色，4年來(lái)從未出現(xiàn)任何安全問題；從學(xué)生的反饋看，他們一致認(rèn)為這樣的實(shí)驗(yàn)讓他們有機(jī)會(huì)深刻理解SPC的內(nèi)涵，這種強(qiáng)化實(shí)訓(xùn)讓他們的安全防護(hù)意識(shí)和能力得到了顯著提升。

5 結(jié) 語(yǔ)

傳統(tǒng)安全教育亟由知識(shí)傳授向能力培養(yǎng)轉(zhuǎn)變。為此，很有必要提出安全防護(hù)能力(SPC)的相關(guān)概念，并系統(tǒng)闡述其形成要素，以及探討其培養(yǎng)模式。

實(shí)驗(yàn)人員的SPC是指實(shí)驗(yàn)者防范、應(yīng)對(duì)自然科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的安全風(fēng)險(xiǎn)的能力，它由5個(gè)方面的要素構(gòu)成，包括安全意識(shí)(包含8個(gè)方面)、安全知識(shí)、危險(xiǎn)因素的綜合分析能力、防護(hù)方案的設(shè)計(jì)能力、安全防護(hù)方案的驗(yàn)證與實(shí)施能力。

培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)人員的SPC應(yīng)該兼顧上述五要素。首先要讓實(shí)驗(yàn)人員形成足夠的安全意識(shí)、掌握必要的基礎(chǔ)安全知識(shí)，然后讓他們通過紙上推演以及在有適度、可控風(fēng)險(xiǎn)的研究性實(shí)驗(yàn)中的強(qiáng)化學(xué)習(xí)，獲得專用安全防護(hù)知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和各項(xiàng)實(shí)戰(zhàn)技能。該理念已被應(yīng)用于“石墨烯相關(guān)系列研究性實(shí)驗(yàn)”中，發(fā)揮了創(chuàng)新研究能力和SPC培養(yǎng)的雙重作用，歷經(jīng)4年的實(shí)踐證明該復(fù)合培養(yǎng)模式可行，成效顯著。