基于AHP和灰色系統(tǒng)理論的實驗課程教學(xué)安全性評價機制及解決策略

李龍海 劉麗麗 陳躍 蔡智皓 郭華鋒 孫偉

*項目來源：2022年度徐州工程學(xué)院校級教研課程思政專項立項課題“基于AHP和灰色系統(tǒng)理論的實驗課程教學(xué)安全性評價機制及解決策略”（項目編號：YGJ2238）；江蘇省現(xiàn)代教育技術(shù)研究課題“基于移動終端的混合式教學(xué)模式研究與實

踐——以江蘇省一流本科課程《機械制造技術(shù)基礎(chǔ)》為例”（編號：2020-R-80439）；教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目“新工科背景下機械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程建設(shè)及教學(xué)改革探索”（編號：202101187007）。

作者簡介：李龍海，通信作者，博士，講師；劉麗麗、郭華鋒，博士，副教授；陳躍，博士，教授。

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.10.121

摘? 要? 針對高校實驗課程教學(xué)缺乏科學(xué)安全性評價機制問題，建立基于AHP和灰色系統(tǒng)理論的實驗課程教學(xué)安全性評價模型。該模型以定量分析為主，定量分析與定性分析相結(jié)合，既充分考慮專家豐富經(jīng)驗，又減少人為主觀因素影響。運用該模型對機械制造技術(shù)基礎(chǔ)實驗課程教學(xué)進行分析，得出影響實驗課程教學(xué)安全性各項指標關(guān)聯(lián)度及重要度，結(jié)合該模型指標與實驗課程教學(xué)安全關(guān)聯(lián)系數(shù)，提出安全性保障策略。結(jié)果表明，此方法具有很好的實用性和有效性。

關(guān)鍵詞? 機械制造技術(shù)基礎(chǔ)；實驗課程教學(xué)；安全性評價；AHP；灰色系統(tǒng)理論；虛擬仿真實驗平臺

中圖分類號：G642.423? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）10-0121-07

0? 引言

實驗課程教學(xué)是指學(xué)生在教師指導(dǎo)下，利用特定儀器設(shè)備，對實驗對象某些變化進行觀測、計算和分析，從而獲得知識或驗證知識的教學(xué)方法[1-4]。通過實驗課程，學(xué)生可以驗證并鞏固書本知識，并掌握科學(xué)實驗觀測的基本方法。此外，實驗課程還可以幫助學(xué)生從實驗的角度研究自然規(guī)律，解決本學(xué)科領(lǐng)域的工程技術(shù)難題。這樣，學(xué)生就可以遵循工程規(guī)范原則和核心思想，并培養(yǎng)良好的科研作風(fēng)和創(chuàng)新精神。因此，實驗課程對于學(xué)生的綜合素質(zhì)提升和未來職業(yè)發(fā)展至關(guān)重要。

但是，由于多數(shù)學(xué)科實驗設(shè)備本身存在危險以及工作狀態(tài)不穩(wěn)定，加上實驗人員可能出現(xiàn)操作不當現(xiàn)象，使得實驗過程充滿危險性。近幾年，高校實驗課程教學(xué)安全事故頻發(fā)，給師生人身安全和財產(chǎn)造成巨大損失，嚴重威脅校園生活[5]。原因在于學(xué)?；?qū)W院管理部門僅對部分實驗室進行抽查，實驗室負責人只針對實驗前或?qū)嶒炛械陌踩[患進行巡視和檢查，這樣既不能全面客觀地對實驗課程教學(xué)安全進行評價，也不能及時診斷實驗課程教學(xué)過程中存在的安全隱患。對此，彭華宋等[6]以問卷調(diào)查的形式系統(tǒng)分析當前高校實驗室安全教育缺乏的原因并提出對應(yīng)建議和策略；屈泳等[7]在理工科實驗室安全教育工作中運用管理決策GROW模型構(gòu)建安全教育體系，以保障理科實驗室良好安全環(huán)境；劉寶勇等[8]介紹了“三一七”管理模式來提升實驗室安全管理水平并通過實踐取得成效。

實際上，實驗室環(huán)境安全并不能保證實驗課程教學(xué)的安全，實驗課程教學(xué)安全性并未得到充分重視且缺乏科學(xué)合理的評價標準。因此，迫切需要一種科學(xué)評價機制來評判實驗課程教學(xué)是否達到應(yīng)有的安全性[9]。

1? 基于AHP和灰色系統(tǒng)理論綜合評價模型

1.1? 建立多級遞階實驗課程教學(xué)安全性評價體系

建立科學(xué)指標評價機制是評價實驗課程教學(xué)安全性的關(guān)鍵任務(wù)。實驗課程教學(xué)是由教師、學(xué)生、實驗室環(huán)境、實驗資源等多方面因素構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，各影響因素通過相互作用決定實驗課程教學(xué)的安全性。根據(jù)實驗課程教學(xué)安全性調(diào)研和分析，可將評價系統(tǒng)設(shè)計各要素分層排列，建立圖1所示多級遞階層次結(jié)構(gòu)分布圖。

1.2? AHP確定指標權(quán)重

運用AHP（Analytic Hierarchy Process，層次分析法）確定指標權(quán)重步驟如下。

Step1：確定系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)。將評價指標體系中各指標按支配關(guān)系、從屬關(guān)系分組為多級遞進階級結(jié)構(gòu)，從而形成多層分析模型。

Step2：構(gòu)建兩兩對比判斷矩陣。采用1～9標度法體現(xiàn)同一水平中各因素相對重要性，具體數(shù)值情況如表1所示。構(gòu)建兩兩對比判斷矩陣，將不同因素兩兩重要性反映出來。

Step3：計算最大特征值λmax及其特征向量W。

Step4：層次單排序及一致性檢驗。根據(jù)對比判斷矩陣計算被比較元素歸一化后（使向量中各元素之和為1）的相對權(quán)重W=（w1，w2，…，wn）。進行判斷矩陣一致性檢驗，定義一致性指標CI：

CI越趨近于0，一致性越好。

定義平均隨機一致性指標RI來度量CI規(guī)模：

平均隨機一致性指標RI部分數(shù)值如表2所示。

定義一致性比率CR：

CR＜0.10，一致性檢驗通過。

Step5：求出總排序權(quán)重。盡管單排序后各層次均能通過一致性檢驗，但經(jīng)過綜合考量，仍然存在各層次累計后不一致的可能性，導(dǎo)致最終分析結(jié)果嚴重不協(xié)調(diào)。設(shè)A層m個因素A1，A2，…，Am對總目標的排序為a1，a2，…，am。B層中與Aj指標因素單排序后通過一致性檢驗，得到單排序一致性指標CIj，其平均隨機一致性指標為RIj，定義B層總排序隨機一致性比率CR：

CR＜0.10，層次總排序一致性檢驗通過。

1.3? 灰色關(guān)聯(lián)分析評價模型構(gòu)建

灰色關(guān)聯(lián)分析評價模型步驟如下[10-11]。

Step1：確定分析數(shù)列。依據(jù)分析目的選取體現(xiàn)系統(tǒng)特性的參考數(shù)列和影響系統(tǒng)特性的比較數(shù)列。設(shè)n個數(shù)列構(gòu)成如下矩陣：

其中m為指標個數(shù)，。以各指標評價得分構(gòu)成比較數(shù)列，以各指標最佳分數(shù)構(gòu)成參考數(shù)列。也可以選取各指標最大值（或最小值）作為參考數(shù)列，或者由評價目的來決定其他參考數(shù)列，記作

。

Step2：原始數(shù)列無量綱化處理。因為模型中各指標現(xiàn)實意義不同，造成數(shù)據(jù)量綱不盡相同，不利于比較。無量綱化處理包括初值化和均值化，分別如式（6）和式（7）所示：

本文選用式（6），得到數(shù)列構(gòu)成如下矩陣：

Step3：計算關(guān)聯(lián)系數(shù)。通過逐項計算各評價對

象中對應(yīng)元素在比較數(shù)列和參考數(shù)列中絕對差值

，進而確定兩級最小差以及兩級最大差。根據(jù)式（9）計算各指標因素關(guān)聯(lián)系數(shù)：

其中，ρ為分辨系數(shù)，ρ取0.5。

如選取各指標最大值（或最小值）計算關(guān)聯(lián)系數(shù)，可使用公式（10）計算關(guān)聯(lián)系數(shù)。

該公式簡化了計算過程，避免了無量綱化的負面影響。

Step4：計算關(guān)聯(lián)度。傳統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)分析法將各個關(guān)聯(lián)系數(shù)等權(quán)平均值作為參考序列與比較序列之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)，沒有考慮不同指標貢獻程度，準確性較差。將關(guān)聯(lián)系數(shù)加權(quán)處理后得到各指標的權(quán)重系數(shù)，能夠充分考慮各指標對評價系統(tǒng)不同貢獻，可提高評價結(jié)果準確性和客觀性。本文采用層次分析法加權(quán)平均值作為關(guān)聯(lián)度，計算公式如式（11）。

其中Wk為層次分析法所得各指標權(quán)重。

Step5：關(guān)聯(lián)度排序。各指標間關(guān)聯(lián)程度主要取決于關(guān)聯(lián)度大小順序。

1.4? 綜合評價模型流程

結(jié)合AHP和灰色系統(tǒng)理論建立實驗課程教學(xué)安全性評價機制，具體流程如圖2所示。

2? 評價機制應(yīng)用

以機械制造技術(shù)基礎(chǔ)實驗課的夾具拆裝實驗為例，利用上述評價模型計算實驗教學(xué)安全性指標。通過評估這些指標，能夠更全面地了解該課程實驗教學(xué)安全性表現(xiàn)。

2.1? AHP計算指標權(quán)重

計算獲取同一層次中各因素的相對重要性數(shù)據(jù)，依據(jù)評價體系內(nèi)容制作調(diào)查問卷。由于調(diào)研內(nèi)容具有一定的專業(yè)性和針對性，因此，要求被調(diào)查對象有與該實驗相關(guān)的經(jīng)驗。調(diào)查問卷對象主要為上過實驗課程的學(xué)生、進行過實驗課程教學(xué)指導(dǎo)的教師和實驗室管理人員。發(fā)放調(diào)查問卷380份，回收320份，回收率約為84.2%。對回收信息整理匯總后得到同一層次指標兩兩對比重要性數(shù)據(jù)。一級指標與其對應(yīng)二級指標判斷矩陣如表3～6所示。

計算判斷矩陣，歸一化處理后權(quán)重為（0.136 5，0.238 5，0.625 0），λmax為3.018 3，CI為0.009 1，

CR=0.017 6＜0.10，一致性檢驗通過。

歸一化處理后權(quán)重為（0.044 2，0.419 8，0.084 1，

0.178 3，0.273 6），λmax為5.343 7，CI為0.085 9，

CR=0.076 7＜0.10，一致性檢驗通過。

歸一化處理后權(quán)重為（0.397 7，0.129 7，0.059 7，

0.287 1，0.125 9），λmax為5.439 0，CI為0.109 7，CR=0.098 0＜0.10，一致性檢驗通過。

歸一化處理后權(quán)重為（0.406 0，0.236 6，0.116 6，

0.077 7，0.163 1），λmax為5.207 3，CI為0.051 8，

CR=0.046 3＜0.10，一致性檢驗通過。

通過對一級和二級指標的計算，得出實驗課程教學(xué)安全性各項指標總權(quán)重，如表7所示。

2.2? 綜合權(quán)重灰色關(guān)聯(lián)分析

由授課教師、授課班級學(xué)生及實驗室管理人員對實驗課程教學(xué)安全性進行評價，取各項指標打分平均值作為最終指標得分，每項指標參考分數(shù)設(shè)為10分。

參考數(shù)列X0=（10，10，10，10，10，10，10，

10，10，10，10，10，10，10，10），指標得分比較數(shù)列X1=（3，7，2，3，3，4，2，2，5，5，7，8，6，5，6）。

為使數(shù)據(jù)之間運算更加科學(xué)合理，減少數(shù)據(jù)絕對差異性，對指標進行無量綱化處理。處理后參考數(shù)列X0′=（1.0，1.0，1.0，1.0，1.0，1.0，1.0，1.0，

1.0，1.0，1.0，1.0，1.0，1.0，1.0），指標得分

比較數(shù)列X1′=（0.3，0.7，0.2，0.3，0.3，0.4，0.2，0.2，0.5，0.5，0.7，0.8，0.6，0.5，0.6）。

逐個計算比較數(shù)列與參考數(shù)列絕對差值，構(gòu)建差序Δ01=（0.7，0.3，0.8，0.7，0.7，0.6，0.8，0.8，

0.5，0.5，0.3，0.2，0.4，0.5，0.4），求出差序

Δ01中兩級最小差值minΔ01=0.2和兩級最大差值maxΔ01=0.8。取ρ為0.5，根據(jù)公式（9）進行關(guān)聯(lián)系數(shù)計算，結(jié)果為（0.55，0.86，0.50，0.55，0.55，0.60，0.50，0.50，0.67，0.67，0.86，1.00，0.75，0.67，0.75）。

綜合AHP權(quán)重計算各指標灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，如表8所示。

通過對總灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)進行排序和整合，可得出一級指標中重要程度為：實驗過程操作行為C＞實驗室教學(xué)環(huán)境狀況B＞實驗指導(dǎo)教師水平A。實驗指導(dǎo)教師水平中二級指標重要程度為：教學(xué)實踐水平A2＞應(yīng)急處理水平A5＞安全意識水平A4＞交流溝通水平A3＞專業(yè)知識水平A1。實驗室教學(xué)環(huán)境狀況中二級指標重要程度為：安全管理制度B4＞

設(shè)備安全可靠B1＞消防設(shè)備設(shè)施B5＞設(shè)備布置合理B2＞實驗室整潔性B3。實驗過程操作行為中二級指標重要程度為：學(xué)生操作經(jīng)驗C1＞學(xué)生執(zhí)行能力C2＞教師糾錯能力C5＞學(xué)生重視程度C3＞教師排查能力C4。

3? 高校實驗課程教學(xué)安全性保障策略

3.1? 建設(shè)虛擬仿真實驗平臺

一級指標中關(guān)聯(lián)度最大的為實驗過程操作行為?；诖?，可以建設(shè)網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗平臺。傳統(tǒng)機械專業(yè)實驗存在成本高、時間長、效率低和安全性差等問題，使學(xué)生難以在短時間內(nèi)對工程機械的結(jié)構(gòu)特點形成感觀認知，較難掌握工程機械復(fù)雜運用方式和設(shè)計方法，且實驗過程中存在大量安全問題。以機械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程中夾具拆裝實驗為例，建立“四位一體”網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗平臺，將實驗流程分工作原理掌握、零件結(jié)構(gòu)認識、虛擬仿真裝配和實際實驗操作四步走。具體執(zhí)行方案為實驗指導(dǎo)教師在實驗課程教學(xué)前帶領(lǐng)學(xué)生前往實驗中心，在虛擬仿真實驗平臺上熟悉實驗流程。首先講解該實驗中夾具工作原理和操作過程注意事項，引導(dǎo)學(xué)生認識夾具設(shè)備各零部件及形位公差關(guān)系；然后讓每位學(xué)生在虛擬仿真實驗平臺上進行虛擬夾具零件拆裝操作；待學(xué)生具備一定操作經(jīng)驗和執(zhí)行能力后，最后進行實際夾具實驗操作。

建設(shè)虛擬仿真實驗平臺，可以有效降低實驗課程教學(xué)成本，優(yōu)化實驗課程教學(xué)資源，增強實驗課程教學(xué)效果，并避免實驗過程中由于操作不當引起的實驗安全事故。隨著虛擬仿真實驗平臺深入推廣，學(xué)生及教師專業(yè)技能和解決實際問題的能力得到顯著提升，實現(xiàn)理論知識與工程實踐的有效結(jié)合。

3.2? 多教師協(xié)同教學(xué)

協(xié)同教學(xué)是由多位教師合作完成課程全部或部分教學(xué)任務(wù)的組織形式。在高校實驗課程教學(xué)中，實驗指導(dǎo)教師通常由理論授課教師擔任，不一定為從事實驗課程教學(xué)專業(yè)人員或?qū)嶒炚n程教學(xué)經(jīng)驗不足人員擔任。實驗課程教學(xué)中，一位教師通常無法兼顧參與所有學(xué)生實驗過程并及時提供答疑和錯誤糾正，且每位教師擅長領(lǐng)域和掌握技能程度不同，從而在實驗課程教學(xué)過程中可能出現(xiàn)“心有余而力不足”的情況。因此，實施多教師協(xié)同教學(xué)，一方面有助于實驗教學(xué)順利開展，增強學(xué)生在實驗過程中對課程理論知識的掌握和提高動手實踐能力；另一方面能夠及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生實驗操作中不規(guī)范行為。

本文建立“一心雙環(huán)”多教師協(xié)同教學(xué)模式，以理論授課教師講解教學(xué)為“內(nèi)環(huán)”，以實驗指導(dǎo)教師實踐教學(xué)為“外環(huán)”，構(gòu)建以保障實驗課程教學(xué)安全性為中心的多教師協(xié)同教學(xué)模式，如圖3所示。

理論授課教師主要進行實驗前安全教育、實驗涉及原理講解、實驗課程要求和實驗案例分析；實驗指導(dǎo)教師主要進行實際實踐教學(xué)，包括從實驗流程設(shè)計—操作演示—結(jié)果分析—小組答疑等一系列步驟。多教師協(xié)同教學(xué)，既能發(fā)揮綜合教師團體力量，彌補學(xué)科教師實踐能力的不足，又能極大降低實驗課程教學(xué)過程中由學(xué)生操作不當而引發(fā)的安全問題，將安全事故扼殺在搖籃中。

3.3? 改進實驗室安全管理模式

高校實驗室安全體系是一套復(fù)雜的系統(tǒng)模式，包括實驗室管理、實驗室工作環(huán)境、安全宣傳、應(yīng)急事故處理和規(guī)章制度等多方面內(nèi)容。根據(jù)對實驗課程教學(xué)安全風(fēng)險因素分析和計算，采用因果分析圖能夠形象地描述實驗課程教學(xué)安全性與各指標的相關(guān)性，如圖4所示。

依據(jù)因果分析圖和灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)重要程度排序結(jié)果，改進實驗室安全管理模式主要體現(xiàn)在以下兩個方面。

1）完善管理制度體系。高校整體實驗課程教學(xué)專業(yè)廣、涉及領(lǐng)域較寬，因此，實驗室安全管理制度構(gòu)建必須具有較強包容性，既要包含基礎(chǔ)實驗操作事項，還應(yīng)包含實驗設(shè)施材料及操作人員監(jiān)督管理。明確實驗室操作流程，對實驗室實驗全過程操作進行標準化管理，將安全融入實驗每一個環(huán)節(jié)。

2）重視實驗設(shè)備管理。具有完備的實驗室安全管理制度后，造成事故發(fā)生的主要原因依然為實驗設(shè)備設(shè)施。此外，現(xiàn)有設(shè)備安排定期檢查，以避免因設(shè)備老化、接線破損等情況引起諸多事故。

4? 結(jié)論

本文從模型方法和系統(tǒng)角度，研究高校實驗課程教學(xué)安全性評價方法，建立基于AHP和灰色系統(tǒng)理論的實驗課程教學(xué)安全性評價機制，利用灰色關(guān)聯(lián)法建立評價模型，引入AHP計算所得指標權(quán)重。相比傳統(tǒng)評價機制有兩大優(yōu)點：

1）化定性分析為定性分析與定量分析相結(jié)合，可以有效降低傳統(tǒng)評價中的人為主觀性；

2）克服傳統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)評價采用等權(quán)值處理方法計算各評價指標權(quán)重，忽略重要程度差異，導(dǎo)致評價結(jié)果不客觀問題。

運用此評價模型對機械制造技術(shù)基礎(chǔ)實驗課程進行驗證，通過對高校實驗課程教學(xué)的充分觀測和探索，選取能夠代表實驗課程教學(xué)安全性的3個一級指標及相應(yīng)15個二級指標，驗證效果良好。最后，根據(jù)關(guān)聯(lián)度大小排序，提出高校實驗課程教學(xué)安全性保障策略，即建設(shè)虛擬仿真實驗平臺、實施多教師協(xié)同教學(xué)和改進實驗室安全管理模式，以保證實驗課程教學(xué)過程中的安全性，對今后各學(xué)科實驗課程教學(xué)安全性評價提供指導(dǎo)意義。

5? 參考文獻

[1] 王麗梅.基于創(chuàng)新性應(yīng)用型人才培養(yǎng)的實驗教學(xué)方法研究[J].實驗技術(shù)與管理，2014，31（1）：19-21.

[2] 陳語林，童鍵，劉衛(wèi)國.改革實驗教學(xué)方法 培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力[J].實驗室研究與探索，2003（4）：30-31.

[3] 王俊文，郝曉剛，劉世斌.改革實驗教學(xué)方法 增強學(xué)生工程意識[J].實驗技術(shù)與管理，2000（6）：107-110.

[4] 胡昱.高?；瘜W(xué)實驗安全教育方式的探討[J].實驗技術(shù)與管理，2012，29（6）：212-214.

[5] 李志紅.100起實驗室安全事故統(tǒng)計分析及對策研究[J].實驗技術(shù)與管理，2014，31（4）：210-213，216.

[6] 彭華松，許歆瑤，劉闖，等.新工科背景下高校實驗室

安全教育的問題及對策[J].實驗室研究與探索，2021，

40（10）：295-299，304.

[7] 屈泳，霍海葉，阮小軍，等.理科實驗室安全教育體

系的構(gòu)建與創(chuàng)新[J].實驗室研究與探索，2021，40（10）：

300-304.

[8] 劉寶勇，吳衛(wèi)，戴亮，等.基于“三一七”管理模式提

升實驗室安全管理水平[J].實驗室研究與探索，2021，

40（2）：299-302.

[9] 郭嬌.研究生實驗安全事故的影響因素分析[J].實驗技術(shù)與管理，2019（3）：192-195.

[10] 肖新平，毛樹華.灰預(yù)測與決策方法[M].北京：科學(xué)出版社，2013.

[11] 羅黨，王潔方.灰色決策理論與方法[M].北京：科學(xué)出版社，2012.