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

踐——以江蘇省一流本科課程《機械制造技術基礎》為例”（編號：2020-R-80439）；教育部產學合作協同育人項目“新工科背景下機械制造技術基礎課程建設及教學改革探索”（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缺乏科學安全性評價機制問題，建立基于AHP和灰色系統理論的實驗課程教學安全性評價模型。該模型以定量分析為主，定量分析與定性分析相結合，既充分考慮專家豐富經驗，又減少人為主觀因素影響。運用該模型對機械制造技術基礎實驗課程教學進行分析，得出影響實驗課程教學安全性各項指標關聯度及重要度，結合該模型指標與實驗課程教學安全關聯系數，提出安全性保障策略。結果表明，此方法具有很好的實用性和有效性。

關鍵詞? 機械制造技術基礎；實驗課程教學；安全性評價；AHP；灰色系統理論；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

實驗課程教學是指學生在教師指導下，利用特定儀器設備，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方法[1-4]。通過實驗課程，學生可以驗證并鞏固書本知識，并掌握科學實驗觀測的基本方法。此外，實驗課程還可以幫助學生從實驗的角度研究自然規律，解決本學科領域的工程技術難題。這樣，學生就可以遵循工程規范原則和核心思想，并培養良好的科研作風和創新精神。因此，實驗課程對于學生的綜合素質提升和未來職業發展至關重要。

但是，由于多數學科實驗設備本身存在危險以及工作狀態不穩定，加上實驗人員可能出現操作不當現象，使得實驗過程充滿危險性。近幾年，高校實驗課程教學安全事故頻發，給師生人身安全和財產造成巨大損失，嚴重威脅校園生活[5]。原因在于學校或學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實驗中的安全隱患進行巡視和檢查，這樣既不能全面客觀地對實驗課程教學安全進行評價，也不能及時診斷實驗課程教學過程中存在的安全隱患。對此，彭華宋等[6]以問卷調查的形式系統分析當前高校實驗室安全教育缺乏的原因并提出對應建議和策略；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模型構建安全教育體系，以保障理科實驗室良好安全環境；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，實驗室環境安全并不能保證實驗課程教學的安全，實驗課程教學安全性并未得到充分重視且缺乏科學合理的評價標準。因此，迫切需要一種科學評價機制來評判實驗課程教學是否達到應有的安全性[9]。

1? 基于AHP和灰色系統理論綜合評價模型

1.1? 建立多級遞階實驗課程教學安全性評價體系

建立科學指標評價機制是評價實驗課程教學安全性的關鍵任務。實驗課程教學是由教師、學生、實驗室環境、實驗資源等多方面因素構成的復雜系統，各影響因素通過相互作用決定實驗課程教學的安全性。根據實驗課程教學安全性調研和分析，可將評價系統設計各要素分層排列，建立圖1所示多級遞階層次結構分布圖。

1.2? AHP確定指標權重

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

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

Step2：構建兩兩對比判斷矩陣。采用1～9標度法體現同一水平中各因素相對重要性，具體數值情況如表1所示。構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規模：

平均隨機一致性指標RI部分數值如表2所示。

定義一致性比率CR：

CR＜0.10，一致性檢驗通過。

Step5：求出總排序權重。盡管單排序后各層次均能通過一致性檢驗，但經過綜合考量，仍然存在各層次累計后不一致的可能性，導致最終分析結果嚴重不協調。設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? 灰色關聯分析評價模型構建

灰色關聯分析評價模型步驟如下[10-11]。

Step1：確定分析數列。依據分析目的選取體現系統特性的參考數列和影響系統特性的比較數列。設n個數列構成如下矩陣：

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

。

Step2：原始數列無量綱化處理。因為模型中各指標現實意義不同，造成數據量綱不盡相同，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），得到數列構成如下矩陣：

Step3：計算關聯系數。通過逐項計算各評價對

象中對應元素在比較數列和參考數列中絕對差值

，進而確定兩級最小差以及兩級最大差。根據式（9）計算各指標因素關聯系數：

其中，ρ為分辨系數，ρ取0.5。

如選取各指標最大值（或最小值）計算關聯系數，可使用公式（10）計算關聯系數。

該公式簡化了計算過程，避免了無量綱化的負面影響。

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

其中Wk為層次分析法所得各指標權重。

Step5：關聯度排序。各指標間關聯程度主要取決于關聯度大小順序。

1.4? 綜合評價模型流程

結合AHP和灰色系統理論建立實驗課程教學安全性評價機制，具體流程如圖2所示。

2? 評價機制應用

以機械制造技術基礎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安全性表現。

2.1? AHP計算指標權重

計算獲取同一層次中各因素的相對重要性數據，依據評價體系內容制作調查問卷。由于調研內容具有一定的專業性和針對性，因此，要求被調查對象有與該實驗相關的經驗。調查問卷對象主要為上過實驗課程的學生、進行過實驗課程教學指導的教師和實驗室管理人員。發放調查問卷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據。一級指標與其對應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，得出實驗課程教學安全性各項指標總權重，如表7所示。

2.2? 綜合權重灰色關聯分析

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

參考數列X0=（10，10，10，10，10，10，10，

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

為使數據之間運算更加科學合理，減少數據絕對差異性，對指標進行無量綱化處理。處理后參考數列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）。

逐個計算比較數列與參考數列絕對差值，構建差序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，根據公式（9）進行關聯系數計算，結果為（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權重計算各指標灰色關聯系數，如表8所示。

通過對總灰色關聯系數進行排序和整合，可得出一級指標中重要程度為：實驗過程操作行為C＞實驗室教學環境狀況B＞實驗指導教師水平A。實驗指導教師水平中二級指標重要程度為：教學實踐水平A2＞應急處理水平A5＞安全意識水平A4＞交流溝通水平A3＞專業知識水平A1。實驗室教學環境狀況中二級指標重要程度為：安全管理制度B4＞

設備安全可靠B1＞消防設備設施B5＞設備布置合理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：學生操作經驗C1＞學生執行能力C2＞教師糾錯能力C5＞學生重視程度C3＞教師排查能力C4。

3? 高校實驗課程教學安全性保障策略

3.1? 建設虛擬仿真實驗平臺

一級指標中關聯度最大的為實驗過程操作行為。基于此，可以建設網絡虛擬仿真實驗平臺。傳統機械專業實驗存在成本高、時間長、效率低和安全性差等問題，使學生難以在短時間內對工程機械的結構特點形成感觀認知，較難掌握工程機械復雜運用方式和設計方法，且實驗過程中存在大量安全問題。以機械制造技術基礎課程中夾具拆裝實驗為例，建立“四位一體”網絡虛擬仿真實驗平臺，將實驗流程分工作原理掌握、零件結構認識、虛擬仿真裝配和實際實驗操作四步走。具體執行方案為實驗指導教師在實驗課程教學前帶領學生前往實驗中心，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，引導學生認識夾具設備各零部件及形位公差關系；然后讓每位學生在虛擬仿真實驗平臺上進行虛擬夾具零件拆裝操作；待學生具備一定操作經驗和執行能力后，最后進行實際夾具實驗操作。

建設虛擬仿真實驗平臺，可以有效降低實驗課程教學成本，優化實驗課程教學資源，增強實驗課程教學效果，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，學生及教師專業技能和解決實際問題的能力得到顯著提升，實現理論知識與工程實踐的有效結合。

3.2? 多教師協同教學

協同教學是由多位教師合作完成課程全部或部分教學任務的組織形式。在高校實驗課程教學中，實驗指導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專業人員或實驗課程教學經驗不足人員擔任。實驗課程教學中，一位教師通常無法兼顧參與所有學生實驗過程并及時提供答疑和錯誤糾正，且每位教師擅長領域和掌握技能程度不同，從而在實驗課程教學過程中可能出現“心有余而力不足”的情況。因此，實施多教師協同教學，一方面有助于實驗教學順利開展，增強學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現學生實驗操作中不規范行為。

本文建立“一心雙環”多教師協同教學模式，以理論授課教師講解教學為“內環”，以實驗指導教師實踐教學為“外環”，構建以保障實驗課程教學安全性為中心的多教師協同教學模式，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；實驗指導教師主要進行實際實踐教學，包括從實驗流程設計—操作演示—結果分析—小組答疑等一系列步驟。多教師協同教學，既能發揮綜合教師團體力量，彌補學科教師實踐能力的不足，又能極大降低實驗課程教學過程中由學生操作不當而引發的安全問題，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雜的系統模式，包括實驗室管理、實驗室工作環境、安全宣傳、應急事故處理和規章制度等多方面內容。根據對實驗課程教學安全風險因素分析和計算，采用因果分析圖能夠形象地描述實驗課程教學安全性與各指標的相關性，如圖4所示。

依據因果分析圖和灰色關聯系數重要程度排序結果，改進實驗室安全管理模式主要體現在以下兩個方面。

1）完善管理制度體系。高校整體實驗課程教學專業廣、涉及領域較寬，因此，實驗室安全管理制度構建必須具有較強包容性，既要包含基礎實驗操作事項，還應包含實驗設施材料及操作人員監督管理。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節。

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

4? 結論

本文從模型方法和系統角度，研究高校實驗課程教學安全性評價方法，建立基于AHP和灰色系統理論的實驗課程教學安全性評價機制，利用灰色關聯法建立評價模型，引入AHP計算所得指標權重。相比傳統評價機制有兩大優點：

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

2）克服傳統灰色關聯評價采用等權值處理方法計算各評價指標權重，忽略重要程度差異，導致評價結果不客觀問題。

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

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