环境电磁辐射现场测量综合实验设计与教学实践

马秦龙 高鹏 卢永辉

[摘要] 现代通讯技术的飞速发展使居民环境电磁辐射暴露日趋复杂，科学、准确测量评估电磁辐射特征及强度是预防医学专业本科生应掌握的基本技能。该研究设计以社区环境电磁辐射现场测量为例，目的是引导学生观察分析测量对象特征，依据电磁辐射测量的基本原理和方法，讨论制订测评方案，并开展电磁辐射现场测量。本研究发现现场实验教学能加深学生对理论知识的理解，培养学生的组织协作和实践能力。

[关键词] 电磁辐射;现场测量;实验设计;教学实践

[中图分类号] G642.423          [文献标识码] A          [文章编号] 1673-7210（2020）03（a）-0059-04

[Abstract] The rapid development of modern communication technology has made residents′ exposure to electromagnetic radiation more and more complicated. Scientific and accurate measurement and assessment of the characteristics and intensity of electromagnetic radiation are basic skills that preventive medical undergraduates should master. This research design takes the community environmental electromagnetic radiation field measurement as an example， the purpose is to guide students to observe and analyze the characteristics of the measurement object， according to the basic principles and methods of electromagnetic radiation measurement， discuss the formulation of the evaluation plan， and carry out the electromagnetic radiation field measurement. This study finds that field experiment teaching can deepen students′ understanding of theoretical knowledge and cultivate students′ ability of organization， cooperation and practice.

[Key words] Electromagnetic radiation; On-site measurement; Experiment design; Teaching practice

电磁辐射作为一种2B类致癌物理因素，是职业卫生与环境卫生学教學研究的重要内容之一。现代社会对电磁辐射技术的依赖程度越来越强，随着5G通讯及“万物互联”的普及，可以预见在未来3～5年内，电磁辐射相关技术的应用将比现在更加广泛[1-2]，公众生活及工作空间中的电磁辐射频谱特征将日趋复杂，与之相伴随的是公众对电磁辐射健康危害的关注程度将会越来越高。准确测量评估环境中电磁辐射的频段分布特征和强度不仅可以为制订防护措施提供依据，而且可以消除公众对电磁辐射暴露的恐慌。因此，预防医学专业学生应掌握生活及工作环境中电磁辐射现场测量评估的基本技能，以适应未来的工作需求。

电磁辐射的测量原则及方法比较抽象，且有一定的难度，通过理论课讲授效果一般。因此，需要以真实场景为依托开展现场实验教学，使学生能够将理论知识转换为实践能力。本文根据近年来开展预防医学综合实验课及本科生第二课堂的实施情况，以社区电磁辐射测量的现场实验为例，就如何在本科生中开展电磁辐射现场测量的综合实验设计展开讨论。

1 实验设计背景

日常工作和生活环境中常见的电磁辐射主要有极低频电磁场和射频电磁场。前者主要是指来源于输电线路、变电站、电气设备、家用电器等产生的0～300 Hz的电磁场，以50 Hz或60 Hz的工频电磁场为主;后者指频率在100 kHz～300 GHz的电磁辐射，包括高频电磁场和微波。由于电磁辐射看不见、摸不着，需要借助专业的实验设备才能测量，在职业卫生或预防医学专业的相关理论教学过程中存在内容空洞和不易理解的问题。因此，根据多年的教学实践和经验，在该部分教学过程中增加了“环境电磁辐射现场测量”综合实验课程，对学生知识掌握和应用极具现实意义。

2 实验目的和测量原理

2.1 实验目的

通过典型社区环境开展电磁辐射现场测量，使学生掌握电磁辐射现场测量评估的基本方法，能够根据实际情况对不同生活及工作环境电磁辐射特征进行测量评估，对不同类型辐射源体的电磁辐射特征进行测量评估。

2.2 电磁辐射测量原理

科学准确测量环境电磁辐射需要依据相应的测量原则。由于空间中存在的电磁辐射特征往往较为复杂，不同频段电磁辐射生物效应特点也有区别，因此，其暴露标准限值也有所不同，需要进行分频测量;其次，不同源体的辐射剂量在时间及空间上的分布不是完全稳定的，因此选择的测量时间段及测量位点要能代表人在相应空间的主要活动时间和地点;另外，在测量位点的高度选择时还要考虑人体不同器官及系统对电磁辐射的敏感性差异，其中神经系统、视觉系统及生殖系统是电磁辐射的主要靶器官，心血管系统和呼吸系统的损伤也是需要重点关注的靶点。因此，电磁辐射现场测量的原则主要有以下3点[3]：①分频段测量;②测量的时间段及空间布点的选择要有代表性;③按人体等效部位进行测量。根据站姿和坐姿两种不同的体位，需要重点测量的头部（站姿1.6 m，坐姿1.2 m）、胸部（站姿1.3 m，坐姿1.0 m）及下腹部（站姿1.0 m，坐姿0.8 m）等高度的电磁辐射强度。

3 测量场地的选择及实验仪器准备

3.1 测量场地的选择

为达到较好的教学效果，选择的社区环境应具备代表性，包括生活中常见的典型电磁辐射源体如变电站、高压电线、手机发射基站等。进行室内测量时，应选择具备典型代表的家庭环境，主要是居室内应包括各种常见的家用电器、无线路由器和蓝牙设备等，测量时应将家用电器处于工作状态。

3.2 实验仪器

针对电磁辐射频率分布特征的测量采用德国Narda公司SRM3006型电磁辐射分析仪，频率测量采用6 kHz～9 GHz的系列电磁传感器，包括：①一轴电场探头（1-axis E-field antenna，9 kHz～300 MHz）;②磁场感应探头（Active magnetic loop，9 kHz～300 MHz）;③三轴探头（Three-axis probe，9 kHz～250 MHz）;④三轴探头（Three-Axis Antenna，27 MHz～3 GHz）;⑤三轴探头（Three-axis Antenna，420 MHz～6 GHz）。

針对工频段电磁场测量采用德国Narda公司NBM550型电磁辐射测量仪，配套使用EHP50D型电磁传感器（5 Hz～100KHz）。

针对射频段电磁场测量，采用德国Narda公司NBM550型电磁辐射测量仪，配套使用100 kHz～60 GHz系列电磁传感器，包括：①EF 0391型电场探头（100 kHz～3 GHz）;②EF 0691型电场探头（100 kHz～6 GHz）;③EF 1891型电场探头（3 MHz～18 GHz）;④EF 6091型电场探头（3 MHz～60 GHz）;⑤HF 3061型磁场探头（300 kHz～30 MHz）;⑥HF 0191型磁场探头（27 MHz～1 GHz）。

距离测量采用德国Hilit公司的MEROLAB PD42激光测距仪。

4 实验内容设计及具体实施方法

4.1 测量环境要求

电磁辐射的测量环境条件最好选择晴天，湿度<75%，风力<3级，以避免环境因素对测量结果的干扰。

4.2 社区环境电磁辐射测量

首先，进行频谱扫描分析，摸清社区环境电磁辐射主要频率分布特征。一般来讲，若无特殊辐射源体，小区电磁辐射主要集中的频段为极低频（0～50 Hz）及射频（800～2400 MHz）。对极低频电磁场的测量，需分别选择磁场及电场探头进行测量，而射频电磁场的测量只需选择相应范围包含所测主要辐射频段的探头即可。环境测量的高度一般选择站姿的头部高度（1.6 m）。社区环境测量点可根据地理位置及小区建筑物的分布，采用网格布点法[4-6]，将社区划分为20 m×20 m（格子大小应根据所测量社区的面积来设置）的方格，选择格子中心点进行测量。尽量避开附近的高层建筑物、高压线、金属结构物等。同时，对社区居民楼各楼层应根据需要，于阳台和楼道等处设置合适的测量点[7]。此外，在测量时间的选择上，由于不同时间段用电情况及辐射源体的负荷情况可能有所不同，因此，应分不同时间段（早上9：00～11：00，下午2：30～4：30，晚上18：30～20：30）进行测量，每个测量点每次测量时间>15 s，并记录最大值、最小值和平均值，若测量读数起伏较大时，适当延长测量时间。

4.3 主要电磁辐射源体的辐射特征测量

社区内公众比较关注的电磁辐射源体主要是高压线与手机通讯基站。高压线属线状辐射源，测量时可选择与高压线垂直的方向，在不同距离布点，如12.5、25、50、100、200、400 m，不仅可测评不同距离电磁辐射的强度，还可以摸清其衰减的规律，测量高度一般采用站姿的头部高度（1.6 m），由于高压线所产生的辐射属于极低频范围内，因此电场强度和磁场强度要分开进行测量[8-10]。

手机通讯基站属于点状辐射源，测量时应以辐射源体为中心，以45°为间隔，在0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°等8个方位作测量线，每条测量线可按12.5、25、50、100、200、400 m布置测量点[11-13]，如因地形限制无法测量时，可根据具体情况合理选点，在测量地图上标出具体位置，若测量时发现电磁辐射强度随距离增加衰减较大，逐渐接近背景强度时，可根据情况适当减少测量点，测量高度可选择站姿的头部高度（1.6 m）。

4.4 典型室内环境电磁辐射特征测量

居室内电磁辐射的测量可根据房间的布局及功能属性进行布点[14-16]，一般分别在厨房、卧室及客厅布置测量点，测量点应尽量布置在人员活动较多的地方，每个房间布置一个测量点，根据实际情况可增加一个测量点;测量时应按人体等效部位进行测量，如客厅站姿及坐姿测量位点可不一样，站姿一般选择在客厅中央人员活动较多的地方，而坐姿一般选择在沙发位置，厨房一般只需测量站姿，卧室可根据床的高度来确定测量点。测量时，所有家用电器应处于工作状态。此外，还可根据实际情况对家用电器（如微波炉等）的漏能进行检测。见图1。

4.5 实验具体实施方法

电磁辐射测量评估是一个综合性和实践性较强的实验，学生单独完成难度较大，具体实施时可将学生分成若干小组进行，一般4～5人一组。在实验前，应先让学生了解相应测量社区的具体情况，可借助网络卫星地图绘制测量图纸，在图纸上标出需要测量的位点，并制订测评方案，组织学生对方案进行讨论修改。此外，还需让学生熟悉测量仪器的不同工作模式，如点测量模式、时间段累积测量模式、峰值保留模式、平均值模式等，并对测量仪器进行校准。实验实施过程中以小组为单位分别进行，交叉测量不同地点电磁辐射强度，小组内组员应有分工，分别由专人负责测量距离及位点确定、数据及测量条件记录、测量仪器操作等，测量过程中需做好详细的数据收集，包括测量的位点、电磁辐射频谱分布特征、具体测量所用的探头、所测的最大值、最小值、平均值等。测量完成后要对数据进行统计分析，制作数据图表，并与标准比对，撰写实验总结报告进行交流。见图2。

5 实验教学效果

5.1 教学效果显著

分别在预防医学综合实验课及本科生第二课堂活动中开展了环境电磁辐射现场测量评估的综合实验设计教学，取得了较好的教学效果，学生自主学习能力得到加强。通过对近两百余名预防医学专业本科生进行调查，发现相对于传统教学模式，参加现场实验教学的学生对电磁辐射现场测评基本知识的掌握程度大大提高，并且大部分学生对授课较为满意。通过现场实验课教学，学生对生活环境中电磁辐射标准及防护措施的掌握程度也大大提高。与综合实验比较，第二课堂活动的教学效果较好，主要原因是参加第二课堂的学生们时间安排相对自由，能够根据实际情况灵活选择测量时间，更加详细的收集数据;另外，在第二课堂活动中，学生将电磁辐射的测评与电磁辐射科普教育相结合，根据数据分析结果在所测量社区开展电磁辐射的科普教育工作，使知识的输入与输出结合，大大提高了学生的积极性和学习效果，锻炼了学生的实践能力。

5.2 预防医学专业认同感得到提升

专业认同度的高低很大程度上影响着学生的学习热情与学习效果，甚至影响其以后的职业发展[17]。在长期教学中发现许多预防医学专业的学生学习热情不高，缺乏动力，对本专业认同感较低[18-20]，许多该专业的本科生通过考取临床专业研究生进而从事临床工作。针对这一现象，我们在预防医学本科教学中特别注重理论知识的实践应用。通过开展电磁辐射现场测量综合实验设计，使理论知识的“虚”落到实践应用的“实”，通过解决实际问题，提升专业能力素质，使学生感到自己所学的专业知识能够应用于社会实践，解决和回答公众疑惑，增强学生的专业认同感。

6 小结

电磁辐射污染日趋严重，公众对电磁辐射健康危害的担忧与日俱增，在预防医学专业中开设环境电磁辐射现场测量的综合实验教学实践非常符合社会需求，使学生能够较好地掌握社会急需的专业知识及技能。我们通过不同形式的教学实践，发现通过科学设计及合理组织，能够极大调动学生的积极性，不仅能够提高教学效果，而且能够有效锻炼学生综合实践能力。

[参考文献]

[1]  李清华.5G技术的研究现状及前景[J].通信电源技术，2019， 36（2）：219-223.

[2]  陈丽琴，符兰.新時代背景下基站电磁辐射防护重要性及对策研究[J].电子测试，2019，411（6）：34-36.

[3]  舒为群，钟敏，朱俊东.军队卫生学实验教程[M].西安：第四军医大学出版社，2006：41-42.

[4]  Fernández-García R，Gil I. Measurement of the environmental broadband electromagnetic waves in a mid-size European city [J]. Environ Res，2017，158：768-772.

[5]  蒋宪玲，刘海生.环境电磁辐射频谱与电磁辐射污染的测量方法[J].环境研究与监测，1990，3（4）：48-50.

[6]  李娣娜，刘生春，刘丽丽.延安市区公众暴露环境电磁辐射测量及其分析[J].现代电子技术，2007，30（21）：171-174.

[7]  丁莉，陈于，韩令力.重庆市住宅小区环境电磁辐射测量分析[J].中国公共卫生，2010，26（4）：478-480.

[8]  Bürgi A，Sagar S， Struchen B，et al. Exposure modelling of extremely low-frequency magnetic fields from overhead power lines and its validation by measurements [J]. Int J Environ Res Public Health，2017，14（9）：1-19.

[9]  秦启忠，陈于，丁莉，等.重庆市区110kV高压线电磁辐射监测分析[J].中国公共卫生，2010，26（8）：1043-1045.

[10]  徐建忠，周伟.架设高压线经过居民住宅的安全距离研究[J].中国高新技术企业，2016（21）：15-16.

[11]  Buckus R， Strukinskien  B， Raistenskis J，et al. A technical approach to the evaluation of radiofrequency radiation emissions from mobile telephony base stations [J]. Int J Environ Res Public Health，2017，14（3）：1-18.

[12]  肖声.移动通信基站的电磁辐射水平及其对人体健康的影响[J].环境与发展，2018，139（1）：240-244.

[13]  陆炜，姚颖，武攀峰.楼顶式移动基站电磁辐射污染调查[J].环境监控与预警，2016，8（4）：50-53.

[14]  刘杨，李凯，谭康伯.典型室内电磁环境防护控制分析研究[J].电子科技，2018，31（4）：81-83.

[15]  戴银所，叶立，闫凤国.室内电磁辐射污染分析与评价[J].职业与健康，2016，32（6）：851-857.

[16]  Aertsa S，Calderonb C，Valic B，et al. Measurements of intermediate-frequency electric and magnetic fields in households [J]. Environ Res，2017（154）：160-170.

[17]  罗小芳，胡丽媛.大学生专业认同感影响因素分析[J].教育教学论坛，2016（51）：62-65.

[18]  何旻蒂，卢永辉，陈纯海，等.加强预防医学专业认同培养的思考[J].人民军医，2015，58（3）：347-348.

[19]  刘璐，丁叶，仝娜，等.提升预防医学专业本科生专业认同感的策略探索[J].医学教育研究与实践，2019，27（2）：206-208.

[20]  邹茂生，刘江浩，冉露露，等.医学本科生专业认同感与社交焦虑相关性研究[J].中国高等医学教育，2019（7）：9-10.

（收稿日期：2019-10-22  本文编辑：刘永巧）