高校大学生实验室安全意识评价模型的构建

王 坚， 王清清， 啜鹏杰， 黄富贵

（华侨大学a.保卫处；b.实验室与设备管理处，福建 泉州 362000）

0 引 言

近年来，实验室安全事故频发，但导致实验室安全事故发生的原因各不相同。李志红［1］通过对2001-2013 年发生的100 起实验室安全事故发生的原因进行统计分析，发现化学试剂的使用和储存、废弃物处理和仪器设备的使用是导致实验室安全事故发生的主要原因；董继业等［2］对2010 ～2015 年发生的46 起实验室安全事故进行研究，发现设备无人运行、实验后未断水电和关闭实验设备等不安全动作发生约占52%；Walters等［3］发现人的因素是导致实验室安全事故发生的重要原因之一，并且人员安全意识的提高有助于减少实验室安全事故发生。综上所述，实验操作和实验管理等人为因素是导致实验室安全事故发生的主要原因之一，大学生是高校实验室安全管理和建设的直接参与者，因此对大学生进行实验室安全意识评价，提高大学生实验室安全意识至关重要。虽然目前有很多关于大学生实验室安全方面的研究，但大多数集中在实验室安全教育体系建设、实验室安全教育课程设计等，关于大学生实验室安全意识评价相关方面的研究还较少，因此本文利用层次分析法-熵权法（AHPEWM）相结合，从主观和客观两方面来建立高校大学生实验室安全意识评价体系，通过主成分分析法（PCA）处理后选取累计贡献率超过95%的评价指标进行布谷鸟搜索（CS）算法优化并建立PCA-CS-SVM大学生实验室安全意识评价模型，为减少实验室安全事故发生和提高大学生实验室安全意识提供理论支撑和参考依据。

1 大学生实验室安全研究现状

实验室既是培养大学生实践能力和综合素质的摇篮［4］，也是科研教学的重要场所。随着国家对科研能力和创新创造力的重视，高校逐渐加大实验室建设力度，但实验室中会涉及大量危险化学品和特种设备，稍有不慎，极易引发系列安全事故［5］。文献［6-7］中研究发现人为因素是引发实验室事故的主要因素；据不完全统计约70%安全事故的发生与人的因素密切相关；文献［8-9］中发现人的安全意识对实验室安全影响较大，需加强安全意识教育。学生是学校教育的主体，为减少实验室安全事故的发生、提高学生的安全意识，目前关于大学生实验室安全意识教育的研究逐渐增多。白哈达等［10］对化学实验室安全教育管理现状和实验人员安全意识进行了研究并提出相关建议和对策；古旭等［11］以目前实验室安全教育中存在的不足为出发点，提出了一种大学生实验室安全意识培养的新模式；谢虎等［12］针对目前实验室安全教育现状，建立了一种高校实验室安全教育成熟度模型；屈泳等［13］为增强实验室教师和学生的综合素质及安全意识，构建了新型理科实验室安全教育体系；葛少卫等［14］从人因工程理论出发建立了实验室评估指标体系。目前对于大学生实验室安全意识评价指标体系的研究较少。

2 大学生实验室安全意识影响因素评价体系的构建

《华侨大学实验室安全准入制度（试行）》《华侨大学实验室技术安全管理办法》等相关管理制度及多位专家建议，从实验室安全知识与技能、实验室规章制度与培训、实验室安全意识与能力和实验室建设与管理4大方面（共33 个评价指标）建立大学生实验室安全意识影响因素评价体系，具体见图1。

图1 大学生实验室安全意识影响因素评价体系

3 大学生实验室安全意识影响因素问卷调查

3.1 实验室安全意识影响因素的问卷设计

利用大学生实验室安全意识影响因素评价体系设计实验室安全意识评价因素调查问卷。该问卷共包括仪器设备操作、化学品储存与使用、化学品触眼或皮肤急救方法、废弃物处理能力等33 个3 级因素。问卷对每个评价指标设定统一评分标准（5 个等级），评分标准详见表1。

表1 评分标准及分数

3.2 调研对象

以华侨大学、厦门理工学院、厦门大学、福州大学等7 所高校的一线教师、实验员、参与实验室管理的行政人员（共102 名）为调研对象。纳入标准是专业为理工科，知情同意且愿意参与调查研究，并愿意提供研究所需的相关信息。排除标准是不愿参与本次研究，不愿提供与调查相关的个人信息。

3.3 问卷发放与回收

本研究在问卷的发放前对被调查者进行相关知识和问卷要求开展统一培训，共发放102 份问卷，其中有效问卷83 份，具体调查结果如图2 所示。由图可知，C5气瓶操作方法、C24 社会实验室安全教育和C25 家庭实验室安全教育的评价等级低于较好（3.1 ～4 分）等级，对其进行剔除。

图2 大学生实验室安全意识影响因素评价

4 大学生实验室安全意识评价模型的构建

4.1 实验室安全意识调查问卷设计

本文以实验室安全意识影响因素评分结果为基础进行高校大学生实验室安全意识评价调查问卷的设计与发放。该问卷包含基础操作与技能、危化品认知与使用、实验室制度与守则、实验室安全培训内容、消防与水电安全知识、化学品安全等内容共100 分，并建立如表2 所示的实验室安全意识等级评价体系。该问卷通过信度分析和可靠性分析后分别对本科生、硕士和博士共200 名学生发放，回收有效问卷140 份，具体评价结果如图3 所示。

表2 实验室安全意识评价分数及等级

表3 1-9 标度表

图3 大学生实验室安全意识等级评价

4.2 模型构建原则

由于影响大学生实验室安全意识的因素较多且各因素间相互影响，因此本模型的构建需遵守客观性、科学性和系统性等原则，以确保各评价指标具有代表性、合理性和准确性。

4.3 实验室安全意识评价体系的构建

以大学生实验室安全意识影响因素评价体系为基础并结合大学生实验室安全意识评价指标调查问卷的评价结果，建立大学生实验室安全意识评价体系（共30 个评价指标），如图4 所示。

图4 大学生实验室安全意识评价体系

4.4 权重的计算

层次分析法（AHP）主要利用专家对各指标进行两两比较，通过构建判断矩阵并进行一致性检验后计算出评价指标的权重，具有一定的主观性；熵权法（EWM）指通过计算评价指标的熵权值和差异化系数来计算该评价指标的权重值，具有客观性。由于本文评价指标较多，因此采用主客观相结合的计算方法即层次分析法-熵权法（AHP-EWM）进行权重的计算。

4.4.1 层次分析法权重W1j的计算

（1）判断矩阵的构建。表1 所示为1-9 标度法。

判断矩阵的构建：

对式（1）进行归一化处理：

（2）计算最大特征值λmax及其特征向量W：

（3）利用以下公式进行一致性检验：

4.4.2 熵权法权重W2j的计算

（1）构建判断矩阵X′并对利用下式对该矩阵进行归一化处理：

（2）利用以下公式对各评价指标的熵值ej及信息熵冗余度进行计算：

4.4.3 AHP-EWM组合权重W的计算

通过对4.4.1 和4.4.2 方法计算得出的权重W1j和W2j，并利用下式计算得出综合权重Wj：

表4 所示为实验室安全意识评价体系具体结果。

表4 实验室安全意识评价体系

5 高校实验室安全意识评价模型的构建

5.1 PCA-CS-SVM评价模型的构建

由于评价指标过多，且各指标间具有一定关联性，因此本文先进行PCA处理，选取累计贡献率超过95%的评价指标进行CS算法优化后建立SVM大学生实验室安全意识评价模型，具体流程如图5 所示。

图5 PCA-CS-SVM评价模型的构建

5.2 参数的确定

利用spss 22.0 软件进行PCA 分析，具体见表5。由分析结果可知，前8 个主成分的累积贡献率为96.52%，已超过95.00%，因此本文使用前8 种主成分进行评价模型的构建和分析。

表5 PCA分析

5.3 和函数的确定及参数训练

参考黄港港等［15］的方法寻找最优参数并进行训练。利用实验室安全意识问卷调查评价结果进行实验室安全意识评价矩阵的构建（见表5），并使用不同类型核函数，隐含层节点数从20 开始，以预测结果的相对误差为评价指标进行训练，结果见图6。由图可知，Radial basis核函数的相对误差较小，且在隐含层节点数为140 时基本保持稳定，因此函数选择Radial basis核函数、隐含层节点数选择140 进行后续分析研究。

图6 核函数隐含层节点数

6 实例验证

本文以140 份实验室安全意识评价结果为例，前127 组作为训练集进行PCA-LS-SVM、PCA-CS-SVM 和PCA-GA-SVM模型训练，剩下的13 组作为验证集进行结果验证，具体结果见图7。由图可知，PCA-LS-SVM和PCA-GA-SVM 模型的预测值与实际值间存在较大误差，等级评价结果的准确性较低，这说明这两种预测模型的稳定性和准确性较差；PCA-CS-SVM 模型的预测值与实际值的误差较小，且评价等级与实际值保持一致，具有较高的准确性和可靠性，可用于高校大学生是实验室安全意识评价。

图7 预测值与实际值误差

7 结 语

由于影响大学生实验室安全意识的因素较多且各因素间存在相互影响，本文参考相关管理制度，并参考多位专家建议，从实验室安全知识与技能、实验室规章制度与培训、实验室安全意识与能力和实验室建设与管理四大方面（共30 个评价指标）建立了大学生实验室安全意识评价体系，运用主成分分析法处理后选取累计贡献率超过95%的评价指标进行CS算法优化并混合优化支持向量机（SVM）后建立PCA-CS-SVM 大学生实验室安全意识评价模型，并对该模型进行验证发现，PCA-CS-SVM模型不仅减小了在学生安全评价过程中使用主观赋权法的偏向性，同时也可以降低数据变化导致权重值的波动，具有较高准确性和客观性，可以为学生实验室安全意识评价和实验室安全建设工作提供一种兼顾科学性与实用性的评价方法。