高校大學生實驗室安全意識評價模型的構建

王 堅， 王清清， 啜鵬杰， 黃富貴

（華僑大學a.保衛處；b.實驗室與設備管理處，福建 泉州 362000）

0 引 言

近年來，實驗室安全事故頻發，但導致實驗室安全事故發生的原因各不相同。李志紅［1］通過對2001-2013 年發生的100 起實驗室安全事故發生的原因進行統計分析，發現化學試劑的使用和儲存、廢棄物處理和儀器設備的使用是導致實驗室安全事故發生的主要原因；董繼業等［2］對2010 ～2015 年發生的46 起實驗室安全事故進行研究，發現設備無人運行、實驗后未斷水電和關閉實驗設備等不安全動作發生約占52%；Walters等［3］發現人的因素是導致實驗室安全事故發生的重要原因之一，并且人員安全意識的提高有助于減少實驗室安全事故發生。綜上所述，實驗操作和實驗管理等人為因素是導致實驗室安全事故發生的主要原因之一，大學生是高校實驗室安全管理和建設的直接參與者，因此對大學生進行實驗室安全意識評價，提高大學生實驗室安全意識至關重要。雖然目前有很多關于大學生實驗室安全方面的研究，但大多數集中在實驗室安全教育體系建設、實驗室安全教育課程設計等，關于大學生實驗室安全意識評價相關方面的研究還較少，因此本文利用層次分析法-熵權法（AHPEWM）相結合，從主觀和客觀兩方面來建立高校大學生實驗室安全意識評價體系，通過主成分分析法（PCA）處理后選取累計貢獻率超過95%的評價指標進行布谷鳥搜索（CS）算法優化并建立PCA-CS-SVM大學生實驗室安全意識評價模型，為減少實驗室安全事故發生和提高大學生實驗室安全意識提供理論支撐和參考依據。

1 大學生實驗室安全研究現狀

實驗室既是培養大學生實踐能力和綜合素質的搖籃［4］，也是科研教學的重要場所。隨著國家對科研能力和創新創造力的重視，高校逐漸加大實驗室建設力度，但實驗室中會涉及大量危險化學品和特種設備，稍有不慎，極易引發系列安全事故［5］。文獻［6-7］中研究發現人為因素是引發實驗室事故的主要因素；據不完全統計約70%安全事故的發生與人的因素密切相關；文獻［8-9］中發現人的安全意識對實驗室安全影響較大，需加強安全意識教育。學生是學校教育的主體，為減少實驗室安全事故的發生、提高學生的安全意識，目前關于大學生實驗室安全意識教育的研究逐漸增多。白哈達等［10］對化學實驗室安全教育管理現狀和實驗人員安全意識進行了研究并提出相關建議和對策；古旭等［11］以目前實驗室安全教育中存在的不足為出發點，提出了一種大學生實驗室安全意識培養的新模式；謝虎等［12］針對目前實驗室安全教育現狀，建立了一種高校實驗室安全教育成熟度模型；屈泳等［13］為增強實驗室教師和學生的綜合素質及安全意識，構建了新型理科實驗室安全教育體系；葛少衛等［14］從人因工程理論出發建立了實驗室評估指標體系。目前對于大學生實驗室安全意識評價指標體系的研究較少。

2 大學生實驗室安全意識影響因素評價體系的構建

《華僑大學實驗室安全準入制度（試行）》《華僑大學實驗室技術安全管理辦法》等相關管理制度及多位專家建議，從實驗室安全知識與技能、實驗室規章制度與培訓、實驗室安全意識與能力和實驗室建設與管理4大方面（共33 個評價指標）建立大學生實驗室安全意識影響因素評價體系，具體見圖1。

圖1 大學生實驗室安全意識影響因素評價體系

3 大學生實驗室安全意識影響因素問卷調查

3.1 實驗室安全意識影響因素的問卷設計

利用大學生實驗室安全意識影響因素評價體系設計實驗室安全意識評價因素調查問卷。該問卷共包括儀器設備操作、化學品儲存與使用、化學品觸眼或皮膚急救方法、廢棄物處理能力等33 個3 級因素。問卷對每個評價指標設定統一評分標準（5 個等級），評分標準詳見表1。

表1 評分標準及分數

3.2 調研對象

以華僑大學、廈門理工學院、廈門大學、福州大學等7 所高校的一線教師、實驗員、參與實驗室管理的行政人員（共102 名）為調研對象。納入標準是專業為理工科，知情同意且愿意參與調查研究，并愿意提供研究所需的相關信息。排除標準是不愿參與本次研究，不愿提供與調查相關的個人信息。

3.3 問卷發放與回收

本研究在問卷的發放前對被調查者進行相關知識和問卷要求開展統一培訓，共發放102 份問卷，其中有效問卷83 份，具體調查結果如圖2 所示。由圖可知，C5氣瓶操作方法、C24 社會實驗室安全教育和C25 家庭實驗室安全教育的評價等級低于較好（3.1 ～4 分）等級，對其進行剔除。

圖2 大學生實驗室安全意識影響因素評價

4 大學生實驗室安全意識評價模型的構建

4.1 實驗室安全意識調查問卷設計

本文以實驗室安全意識影響因素評分結果為基礎進行高校大學生實驗室安全意識評價調查問卷的設計與發放。該問卷包含基礎操作與技能、?；氛J知與使用、實驗室制度與守則、實驗室安全培訓內容、消防與水電安全知識、化學品安全等內容共100 分，并建立如表2 所示的實驗室安全意識等級評價體系。該問卷通過信度分析和可靠性分析后分別對本科生、碩士和博士共200 名學生發放，回收有效問卷140 份，具體評價結果如圖3 所示。

表2 實驗室安全意識評價分數及等級

表3 1-9 標度表

圖3 大學生實驗室安全意識等級評價

4.2 模型構建原則

由于影響大學生實驗室安全意識的因素較多且各因素間相互影響，因此本模型的構建需遵守客觀性、科學性和系統性等原則，以確保各評價指標具有代表性、合理性和準確性。

4.3 實驗室安全意識評價體系的構建

以大學生實驗室安全意識影響因素評價體系為基礎并結合大學生實驗室安全意識評價指標調查問卷的評價結果，建立大學生實驗室安全意識評價體系（共30 個評價指標），如圖4 所示。

圖4 大學生實驗室安全意識評價體系

4.4 權重的計算

層次分析法（AHP）主要利用專家對各指標進行兩兩比較，通過構建判斷矩陣并進行一致性檢驗后計算出評價指標的權重，具有一定的主觀性；熵權法（EWM）指通過計算評價指標的熵權值和差異化系數來計算該評價指標的權重值，具有客觀性。由于本文評價指標較多，因此采用主客觀相結合的計算方法即層次分析法-熵權法（AHP-EWM）進行權重的計算。

4.4.1 層次分析法權重W1j的計算

（1）判斷矩陣的構建。表1 所示為1-9 標度法。

判斷矩陣的構建：

對式（1）進行歸一化處理：

（2）計算最大特征值λmax及其特征向量W：

（3）利用以下公式進行一致性檢驗：

4.4.2 熵權法權重W2j的計算

（1）構建判斷矩陣X′并對利用下式對該矩陣進行歸一化處理：

（2）利用以下公式對各評價指標的熵值ej及信息熵冗余度進行計算：

4.4.3 AHP-EWM組合權重W的計算

通過對4.4.1 和4.4.2 方法計算得出的權重W1j和W2j，并利用下式計算得出綜合權重Wj：

表4 所示為實驗室安全意識評價體系具體結果。

表4 實驗室安全意識評價體系

5 高校實驗室安全意識評價模型的構建

5.1 PCA-CS-SVM評價模型的構建

由于評價指標過多，且各指標間具有一定關聯性，因此本文先進行PCA處理，選取累計貢獻率超過95%的評價指標進行CS算法優化后建立SVM大學生實驗室安全意識評價模型，具體流程如圖5 所示。

圖5 PCA-CS-SVM評價模型的構建

5.2 參數的確定

利用spss 22.0 軟件進行PCA 分析，具體見表5。由分析結果可知，前8 個主成分的累積貢獻率為96.52%，已超過95.00%，因此本文使用前8 種主成分進行評價模型的構建和分析。

表5 PCA分析

5.3 和函數的確定及參數訓練

參考黃港港等［15］的方法尋找最優參數并進行訓練。利用實驗室安全意識問卷調查評價結果進行實驗室安全意識評價矩陣的構建（見表5），并使用不同類型核函數，隱含層節點數從20 開始，以預測結果的相對誤差為評價指標進行訓練，結果見圖6。由圖可知，Radial basis核函數的相對誤差較小，且在隱含層節點數為140 時基本保持穩定，因此函數選擇Radial basis核函數、隱含層節點數選擇140 進行后續分析研究。

圖6 核函數隱含層節點數

6 實例驗證

本文以140 份實驗室安全意識評價結果為例，前127 組作為訓練集進行PCA-LS-SVM、PCA-CS-SVM 和PCA-GA-SVM模型訓練，剩下的13 組作為驗證集進行結果驗證，具體結果見圖7。由圖可知，PCA-LS-SVM和PCA-GA-SVM 模型的預測值與實際值間存在較大誤差，等級評價結果的準確性較低，這說明這兩種預測模型的穩定性和準確性較差；PCA-CS-SVM 模型的預測值與實際值的誤差較小，且評價等級與實際值保持一致，具有較高的準確性和可靠性，可用于高校大學生是實驗室安全意識評價。

圖7 預測值與實際值誤差

7 結 語

由于影響大學生實驗室安全意識的因素較多且各因素間存在相互影響，本文參考相關管理制度，并參考多位專家建議，從實驗室安全知識與技能、實驗室規章制度與培訓、實驗室安全意識與能力和實驗室建設與管理四大方面（共30 個評價指標）建立了大學生實驗室安全意識評價體系，運用主成分分析法處理后選取累計貢獻率超過95%的評價指標進行CS算法優化并混合優化支持向量機（SVM）后建立PCA-CS-SVM 大學生實驗室安全意識評價模型，并對該模型進行驗證發現，PCA-CS-SVM模型不僅減小了在學生安全評價過程中使用主觀賦權法的偏向性，同時也可以降低數據變化導致權重值的波動，具有較高準確性和客觀性，可以為學生實驗室安全意識評價和實驗室安全建設工作提供一種兼顧科學性與實用性的評價方法。