高校大學(xué)生實驗室安全意識評價模型的構(gòu)建

王 堅， 王清清， 啜鵬杰， 黃富貴

（華僑大學(xué)a.保衛(wèi)處；b.實驗室與設(shè)備管理處，福建 泉州 362000）

0 引 言

近年來，實驗室安全事故頻發(fā)，但導(dǎo)致實驗室安全事故發(fā)生的原因各不相同。李志紅［1］通過對2001-2013 年發(fā)生的100 起實驗室安全事故發(fā)生的原因進(jìn)行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)化學(xué)試劑的使用和儲存、廢棄物處理和儀器設(shè)備的使用是導(dǎo)致實驗室安全事故發(fā)生的主要原因；董繼業(yè)等［2］對2010 ～2015 年發(fā)生的46 起實驗室安全事故進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)設(shè)備無人運行、實驗后未斷水電和關(guān)閉實驗設(shè)備等不安全動作發(fā)生約占52%；Walters等［3］發(fā)現(xiàn)人的因素是導(dǎo)致實驗室安全事故發(fā)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(fā)生。綜上所述，實驗操作和實驗管理等人為因素是導(dǎo)致實驗室安全事故發(fā)生的主要原因之一，大學(xué)生是高校實驗室安全管理和建設(shè)的直接參與者，因此對大學(xué)生進(jìn)行實驗室安全意識評價，提高大學(xué)生實驗室安全意識至關(guān)重要。雖然目前有很多關(guān)于大學(xué)生實驗室安全方面的研究，但大多數(shù)集中在實驗室安全教育體系建設(shè)、實驗室安全教育課程設(shè)計等，關(guān)于大學(xué)生實驗室安全意識評價相關(guān)方面的研究還較少，因此本文利用層次分析法-熵權(quán)法（AHPEWM）相結(jié)合，從主觀和客觀兩方面來建立高校大學(xué)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(xiàn)率超過95%的評價指標(biāo)進(jìn)行布谷鳥搜索（CS）算法優(yōu)化并建立PCA-CS-SVM大學(xué)生實驗室安全意識評價模型，為減少實驗室安全事故發(fā)生和提高大學(xué)生實驗室安全意識提供理論支撐和參考依據(jù)。

1 大學(xué)生實驗室安全研究現(xiàn)狀

實驗室既是培養(yǎng)大學(xué)生實踐能力和綜合素質(zhì)的搖籃［4］，也是科研教學(xué)的重要場所。隨著國家對科研能力和創(chuàng)新創(chuàng)造力的重視，高校逐漸加大實驗室建設(shè)力度，但實驗室中會涉及大量危險化學(xué)品和特種設(shè)備，稍有不慎，極易引發(fā)系列安全事故［5］。文獻(xiàn)［6-7］中研究發(fā)現(xiàn)人為因素是引發(fā)實驗室事故的主要因素；據(jù)不完全統(tǒng)計約70%安全事故的發(fā)生與人的因素密切相關(guān)；文獻(xiàn)［8-9］中發(fā)現(xiàn)人的安全意識對實驗室安全影響較大，需加強(qiáng)安全意識教育。學(xué)生是學(xué)校教育的主體，為減少實驗室安全事故的發(fā)生、提高學(xué)生的安全意識，目前關(guān)于大學(xué)生實驗室安全意識教育的研究逐漸增多。白哈達(dá)等［10］對化學(xué)實驗室安全教育管理現(xiàn)狀和實驗人員安全意識進(jìn)行了研究并提出相關(guān)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(fā)點，提出了一種大學(xué)生實驗室安全意識培養(yǎng)的新模式；謝虎等［12］針對目前實驗室安全教育現(xiàn)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(qiáng)實驗室教師和學(xué)生的綜合素質(zhì)及安全意識，構(gòu)建了新型理科實驗室安全教育體系；葛少衛(wèi)等［14］從人因工程理論出發(fā)建立了實驗室評估指標(biāo)體系。目前對于大學(xué)生實驗室安全意識評價指標(biāo)體系的研究較少。

2 大學(xué)生實驗室安全意識影響因素評價體系的構(gòu)建

《華僑大學(xué)實驗室安全準(zhǔn)入制度（試行）》《華僑大學(xué)實驗室技術(shù)安全管理辦法》等相關(guān)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(guī)章制度與培訓(xùn)、實驗室安全意識與能力和實驗室建設(shè)與管理4大方面（共33 個評價指標(biāo)）建立大學(xué)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(xué)生實驗室安全意識影響因素評價體系

3 大學(xué)生實驗室安全意識影響因素問卷調(diào)查

3.1 實驗室安全意識影響因素的問卷設(shè)計

利用大學(xué)生實驗室安全意識影響因素評價體系設(shè)計實驗室安全意識評價因素調(diào)查問卷。該問卷共包括儀器設(shè)備操作、化學(xué)品儲存與使用、化學(xué)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(biāo)設(shè)定統(tǒng)一評分標(biāo)準(zhǔn)（5 個等級），評分標(biāo)準(zhǔn)詳見表1。

表1 評分標(biāo)準(zhǔn)及分?jǐn)?shù)

3.2 調(diào)研對象

以華僑大學(xué)、廈門理工學(xué)院、廈門大學(xué)、福州大學(xué)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(diào)研對象。納入標(biāo)準(zhǔn)是專業(yè)為理工科，知情同意且愿意參與調(diào)查研究，并愿意提供研究所需的相關(guān)信息。排除標(biāo)準(zhǔn)是不愿參與本次研究，不愿提供與調(diào)查相關(guān)的個人信息。

3.3 問卷發(fā)放與回收

本研究在問卷的發(fā)放前對被調(diào)查者進(jìn)行相關(guān)知識和問卷要求開展統(tǒng)一培訓(xùn)，共發(fā)放102 份問卷，其中有效問卷83 份，具體調(diào)查結(jié)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(jìn)行剔除。

圖2 大學(xué)生實驗室安全意識影響因素評價

4 大學(xué)生實驗室安全意識評價模型的構(gòu)建

4.1 實驗室安全意識調(diào)查問卷設(shè)計

本文以實驗室安全意識影響因素評分結(jié)果為基礎(chǔ)進(jìn)行高校大學(xué)生實驗室安全意識評價調(diào)查問卷的設(shè)計與發(fā)放。該問卷包含基礎(chǔ)操作與技能、?；氛J(rèn)知與使用、實驗室制度與守則、實驗室安全培訓(xùn)內(nèi)容、消防與水電安全知識、化學(xué)品安全等內(nèi)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(xué)生發(fā)放，回收有效問卷140 份，具體評價結(jié)果如圖3 所示。

表2 實驗室安全意識評價分?jǐn)?shù)及等級

表3 1-9 標(biāo)度表

圖3 大學(xué)生實驗室安全意識等級評價

4.2 模型構(gòu)建原則

由于影響大學(xué)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(gòu)建需遵守客觀性、科學(xué)性和系統(tǒng)性等原則，以確保各評價指標(biāo)具有代表性、合理性和準(zhǔn)確性。

4.3 實驗室安全意識評價體系的構(gòu)建

以大學(xué)生實驗室安全意識影響因素評價體系為基礎(chǔ)并結(jié)合大學(xué)生實驗室安全意識評價指標(biāo)調(diào)查問卷的評價結(jié)果，建立大學(xué)生實驗室安全意識評價體系（共30 個評價指標(biāo)），如圖4 所示。

圖4 大學(xué)生實驗室安全意識評價體系

4.4 權(quán)重的計算

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

4.4.1 層次分析法權(quán)重W1j的計算

（1）判斷矩陣的構(gòu)建。表1 所示為1-9 標(biāo)度法。

判斷矩陣的構(gòu)建：

對式（1）進(jìn)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(jìn)行一致性檢驗：

4.4.2 熵權(quán)法權(quán)重W2j的計算

（1）構(gòu)建判斷矩陣X′并對利用下式對該矩陣進(jìn)行歸一化處理：

（2）利用以下公式對各評價指標(biāo)的熵值ej及信息熵冗余度進(jìn)行計算：

4.4.3 AHP-EWM組合權(quán)重W的計算

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

表4 所示為實驗室安全意識評價體系具體結(jié)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(gòu)建

5.1 PCA-CS-SVM評價模型的構(gòu)建

由于評價指標(biāo)過多，且各指標(biāo)間具有一定關(guān)聯(lián)性，因此本文先進(jìn)行PCA處理，選取累計貢獻(xiàn)率超過95%的評價指標(biāo)進(jìn)行CS算法優(yōu)化后建立SVM大學(xué)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(gòu)建

5.2 參數(shù)的確定

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

表5 PCA分析

5.3 和函數(shù)的確定及參數(shù)訓(xùn)練

參考黃港港等［15］的方法尋找最優(yōu)參數(shù)并進(jìn)行訓(xùn)練。利用實驗室安全意識問卷調(diào)查評價結(jié)果進(jìn)行實驗室安全意識評價矩陣的構(gòu)建（見表5），并使用不同類型核函數(shù)，隱含層節(jié)點數(shù)從20 開始，以預(yù)測結(jié)果的相對誤差為評價指標(biāo)進(jìn)行訓(xùn)練，結(jié)果見圖6。由圖可知，Radial basis核函數(shù)的相對誤差較小，且在隱含層節(jié)點數(shù)為140 時基本保持穩(wěn)定，因此函數(shù)選擇Radial basis核函數(shù)、隱含層節(jié)點數(shù)選擇140 進(jìn)行后續(xù)分析研究。

圖6 核函數(shù)隱含層節(jié)點數(shù)

6 實例驗證

本文以140 份實驗室安全意識評價結(jié)果為例，前127 組作為訓(xùn)練集進(jìn)行PCA-LS-SVM、PCA-CS-SVM 和PCA-GA-SVM模型訓(xùn)練，剩下的13 組作為驗證集進(jìn)行結(jié)果驗證，具體結(jié)果見圖7。由圖可知，PCA-LS-SVM和PCA-GA-SVM 模型的預(yù)測值與實際值間存在較大誤差，等級評價結(jié)果的準(zhǔn)確性較低，這說明這兩種預(yù)測模型的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性較差；PCA-CS-SVM 模型的預(yù)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(zhǔn)確性和可靠性，可用于高校大學(xué)生是實驗室安全意識評價。

圖7 預(yù)測值與實際值誤差

7 結(jié) 語

由于影響大學(xué)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(guān)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(guī)章制度與培訓(xùn)、實驗室安全意識與能力和實驗室建設(shè)與管理四大方面（共30 個評價指標(biāo)）建立了大學(xué)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(xiàn)率超過95%的評價指標(biāo)進(jìn)行CS算法優(yōu)化并混合優(yōu)化支持向量機(jī)（SVM）后建立PCA-CS-SVM 大學(xué)生實驗室安全意識評價模型，并對該模型進(jìn)行驗證發(fā)現(xiàn)，PCA-CS-SVM模型不僅減小了在學(xué)生安全評價過程中使用主觀賦權(quán)法的偏向性，同時也可以降低數(shù)據(jù)變化導(dǎo)致權(quán)重值的波動，具有較高準(zhǔn)確性和客觀性，可以為學(xué)生實驗室安全意識評價和實驗室安全建設(shè)工作提供一種兼顧科學(xué)性與實用性的評價方法。