基于AHP和灰色系统理论的实验课程教学安全性评价机制及解决策略

李龙海 刘丽丽 陈跃 蔡智皓 郭华锋 孙伟

*项目来源：2022年度徐州工程学院校级教研课程思政专项立项课题“基于AHP和灰色系统理论的实验课程教学安全性评价机制及解决策略”（项目编号：YGJ2238）；江苏省现代教育技术研究课题“基于移动终端的混合式教学模式研究与实

践——以江苏省一流本科课程《机械制造技术基础》为例”（编号：2020-R-80439）；教育部产学合作协同育人项目“新工科背景下机械制造技术基础课程建设及教学改革探索”（编号：202101187007）。

作者简介：李龙海，通信作者，博士，讲师；刘丽丽、郭华锋，博士，副教授；陈跃，博士，教授。

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

摘  要  针对高校实验课程教学缺乏科学安全性评价机制问题，建立基于AHP和灰色系统理论的实验课程教学安全性评价模型。该模型以定量分析为主，定量分析与定性分析相结合，既充分考虑专家丰富经验，又减少人为主观因素影响。运用该模型对机械制造技术基础实验课程教学进行分析，得出影响实验课程教学安全性各项指标关联度及重要度，结合该模型指标与实验课程教学安全关联系数，提出安全性保障策略。结果表明，此方法具有很好的实用性和有效性。

关键词  机械制造技术基础；实验课程教学；安全性评价；AHP；灰色系统理论；虚拟仿真实验平台

中图分类号：G642.423    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2024）10-0121-07

0  引言

实验课程教学是指学生在教师指导下，利用特定仪器设备，对实验对象某些变化进行观测、计算和分析，从而获得知识或验证知识的教学方法[1-4]。通过实验课程，学生可以验证并巩固书本知识，并掌握科学实验观测的基本方法。此外，实验课程还可以帮助学生从实验的角度研究自然规律，解决本学科领域的工程技术难题。这样，学生就可以遵循工程规范原则和核心思想，并培养良好的科研作风和创新精神。因此，实验课程对于学生的综合素质提升和未来职业发展至关重要。

但是，由于多数学科实验设备本身存在危险以及工作状态不稳定，加上实验人员可能出现操作不当现象，使得实验过程充满危险性。近几年，高校实验课程教学安全事故频发，给师生人身安全和财产造成巨大损失，严重威胁校园生活[5]。原因在于学校或学院管理部门仅对部分实验室进行抽查，实验室负责人只针对实验前或实验中的安全隐患进行巡视和检查，这样既不能全面客观地对实验课程教学安全进行评价，也不能及时诊断实验课程教学过程中存在的安全隐患。对此，彭华宋等[6]以问卷调查的形式系统分析当前高校实验室安全教育缺乏的原因并提出对应建议和策略；屈泳等[7]在理工科实验室安全教育工作中运用管理决策GROW模型构建安全教育体系，以保障理科实验室良好安全环境；刘宝勇等[8]介绍了“三一七”管理模式来提升实验室安全管理水平并通过实践取得成效。

实际上，实验室环境安全并不能保证实验课程教学的安全，实验课程教学安全性并未得到充分重视且缺乏科学合理的评价标准。因此，迫切需要一种科学评价机制来评判实验课程教学是否达到应有的安全性[9]。

1  基于AHP和灰色系统理论综合评价模型

1.1  建立多级递阶实验课程教学安全性评价体系

建立科学指标评价机制是评价实验课程教学安全性的关键任务。实验课程教学是由教师、学生、实验室环境、实验资源等多方面因素构成的复杂系统，各影响因素通过相互作用决定实验课程教学的安全性。根据实验课程教学安全性调研和分析，可将评价系统设计各要素分层排列，建立图1所示多级递阶层次结构分布图。

1.2  AHP确定指标权重

运用AHP（Analytic Hierarchy Process，层次分析法）确定指标权重步骤如下。

Step1：确定系统层次结构。将评价指标体系中各指标按支配关系、从属关系分组为多级递进阶级结构，从而形成多层分析模型。

Step2：构建两两对比判断矩阵。采用1～9标度法体现同一水平中各因素相对重要性，具体数值情况如表1所示。构建两两对比判断矩阵，将不同因素两两重要性反映出来。

Step3：计算最大特征值λmax及其特征向量W。

Step4：层次单排序及一致性检验。根据对比判断矩阵计算被比较元素归一化后（使向量中各元素之和为1）的相对权重W=（w1，w2，…，wn）。进行判断矩阵一致性检验，定义一致性指标CI：

CI越趋近于0，一致性越好。

定义平均随机一致性指标RI来度量CI规模：

平均随机一致性指标RI部分数值如表2所示。

定义一致性比率CR：

CR＜0.10，一致性检验通过。

Step5：求出总排序权重。尽管单排序后各层次均能通过一致性检验，但经过综合考量，仍然存在各层次累计后不一致的可能性，导致最终分析结果严重不协调。设A层m个因素A1，A2，…，Am对总目标的排序为a1，a2，…，am。B层中与Aj指标因素单排序后通过一致性检验，得到单排序一致性指标CIj，其平均随机一致性指标为RIj，定义B层总排序随机一致性比率CR：

CR＜0.10，层次总排序一致性检验通过。

1.3  灰色关联分析评价模型构建

灰色关联分析评价模型步骤如下[10-11]。

Step1：确定分析数列。依据分析目的选取体现系统特性的参考数列和影响系统特性的比较数列。设n个数列构成如下矩阵：

其中m为指标个数，。以各指标评价得分构成比较数列，以各指标最佳分数构成参考数列。也可以选取各指标最大值（或最小值）作为参考数列，或者由评价目的来决定其他参考数列，记作

。

Step2：原始数列无量纲化处理。因为模型中各指标现实意义不同，造成数据量纲不尽相同，不利于比较。无量纲化处理包括初值化和均值化，分别如式（6）和式（7）所示：

本文选用式（6），得到数列构成如下矩阵：

Step3：计算关联系数。通过逐项计算各评价对

象中对应元素在比较数列和参考数列中绝对差值

，进而确定两级最小差以及两级最大差。根据式（9）计算各指标因素关联系数：

其中，ρ为分辨系数，ρ取0.5。

如选取各指标最大值（或最小值）计算关联系数，可使用公式（10）计算关联系数。

该公式简化了计算过程，避免了无量纲化的负面影响。

Step4：计算关联度。传统灰色关联分析法将各个关联系数等权平均值作为参考序列与比较序列之间的关联系数，没有考虑不同指标贡献程度，准确性较差。将关联系数加权处理后得到各指标的权重系数，能够充分考虑各指标对评价系统不同贡献，可提高评价结果准确性和客观性。本文采用层次分析法加权平均值作为关联度，计算公式如式（11）。

其中Wk为层次分析法所得各指标权重。

Step5：关联度排序。各指标间关联程度主要取决于关联度大小顺序。

1.4  综合评价模型流程

结合AHP和灰色系统理论建立实验课程教学安全性评价机制，具体流程如图2所示。

2  评价机制应用

以机械制造技术基础实验课的夹具拆装实验为例，利用上述评价模型计算实验教学安全性指标。通过评估这些指标，能够更全面地了解该课程实验教学安全性表现。

2.1  AHP计算指标权重

计算获取同一层次中各因素的相对重要性数据，依据评价体系内容制作调查问卷。由于调研内容具有一定的专业性和针对性，因此，要求被调查对象有与该实验相关的经验。调查问卷对象主要为上过实验课程的学生、进行过实验课程教学指导的教师和实验室管理人员。发放调查问卷380份，回收320份，回收率约为84.2%。对回收信息整理汇总后得到同一层次指标两两对比重要性数据。一级指标与其对应二级指标判断矩阵如表3～6所示。

计算判断矩阵，归一化处理后权重为（0.136 5，0.238 5，0.625 0），λmax为3.018 3，CI为0.009 1，

CR=0.017 6＜0.10，一致性检验通过。

归一化处理后权重为（0.044 2，0.419 8，0.084 1，

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

CR=0.076 7＜0.10，一致性检验通过。

归一化处理后权重为（0.397 7，0.129 7，0.059 7，

0.287 1，0.125 9），λmax为5.439 0，CI为0.109 7，CR=0.098 0＜0.10，一致性检验通过。

归一化处理后权重为（0.406 0，0.236 6，0.116 6，

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

CR=0.046 3＜0.10，一致性检验通过。

通过对一级和二级指标的计算，得出实验课程教学安全性各项指标总权重，如表7所示。

2.2  综合权重灰色关联分析

由授课教师、授课班级学生及实验室管理人员对实验课程教学安全性进行评价，取各项指标打分平均值作为最终指标得分，每项指标参考分数设为10分。

参考数列X0=（10，10，10，10，10，10，10，

10，10，10，10，10，10，10，10），指标得分比较数列X1=（3，7，2，3，3，4，2，2，5，5，7，8，6，5，6）。

为使数据之间运算更加科学合理，减少数据绝对差异性，对指标进行无量纲化处理。处理后参考数列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），指标得分

比较数列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）。

逐个计算比较数列与参考数列绝对差值，构建差序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中两级最小差值minΔ01=0.2和两级最大差值maxΔ01=0.8。取ρ为0.5，根据公式（9）进行关联系数计算，结果为（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）。

综合AHP权重计算各指标灰色关联系数，如表8所示。

通过对总灰色关联系数进行排序和整合，可得出一级指标中重要程度为：实验过程操作行为C＞实验室教学环境状况B＞实验指导教师水平A。实验指导教师水平中二级指标重要程度为：教学实践水平A2＞应急处理水平A5＞安全意识水平A4＞交流沟通水平A3＞专业知识水平A1。实验室教学环境状况中二级指标重要程度为：安全管理制度B4＞

设备安全可靠B1＞消防设备设施B5＞设备布置合理B2＞实验室整洁性B3。实验过程操作行为中二级指标重要程度为：学生操作经验C1＞学生执行能力C2＞教师纠错能力C5＞学生重视程度C3＞教师排查能力C4。

3  高校实验课程教学安全性保障策略

3.1  建设虚拟仿真实验平台

一级指标中关联度最大的为实验过程操作行为。基于此，可以建设网络虚拟仿真实验平台。传统机械专业实验存在成本高、时间长、效率低和安全性差等问题，使学生难以在短时间内对工程机械的结构特点形成感观认知，较难掌握工程机械复杂运用方式和设计方法，且实验过程中存在大量安全问题。以机械制造技术基础课程中夹具拆装实验为例，建立“四位一体”网络虚拟仿真实验平台，将实验流程分工作原理掌握、零件结构认识、虚拟仿真装配和实际实验操作四步走。具体执行方案为实验指导教师在实验课程教学前带领学生前往实验中心，在虚拟仿真实验平台上熟悉实验流程。首先讲解该实验中夹具工作原理和操作过程注意事项，引导学生认识夹具设备各零部件及形位公差关系；然后让每位学生在虚拟仿真实验平台上进行虚拟夹具零件拆装操作；待学生具备一定操作经验和执行能力后，最后进行实际夹具实验操作。

建设虚拟仿真实验平台，可以有效降低实验课程教学成本，优化实验课程教学资源，增强实验课程教学效果，并避免实验过程中由于操作不当引起的实验安全事故。随着虚拟仿真实验平台深入推广，学生及教师专业技能和解决实际问题的能力得到显著提升，实现理论知识与工程实践的有效结合。

3.2  多教师协同教学

协同教学是由多位教师合作完成课程全部或部分教学任务的组织形式。在高校实验课程教学中，实验指导教师通常由理论授课教师担任，不一定为从事实验课程教学专业人员或实验课程教学经验不足人员担任。实验课程教学中，一位教师通常无法兼顾参与所有学生实验过程并及时提供答疑和错误纠正，且每位教师擅长领域和掌握技能程度不同，从而在实验课程教学过程中可能出现“心有余而力不足”的情况。因此，实施多教师协同教学，一方面有助于实验教学顺利开展，增强学生在实验过程中对课程理论知识的掌握和提高动手实践能力；另一方面能够及时发现学生实验操作中不规范行为。

本文建立“一心双环”多教师协同教学模式，以理论授课教师讲解教学为“内环”，以实验指导教师实践教学为“外环”，构建以保障实验课程教学安全性为中心的多教师协同教学模式，如图3所示。

理论授课教师主要进行实验前安全教育、实验涉及原理讲解、实验课程要求和实验案例分析；实验指导教师主要进行实际实践教学，包括从实验流程设计—操作演示—结果分析—小组答疑等一系列步骤。多教师协同教学，既能发挥综合教师团体力量，弥补学科教师实践能力的不足，又能极大降低实验课程教学过程中由学生操作不当而引发的安全问题，将安全事故扼杀在摇篮中。

3.3  改进实验室安全管理模式

高校实验室安全体系是一套复杂的系统模式，包括实验室管理、实验室工作环境、安全宣传、应急事故处理和规章制度等多方面内容。根据对实验课程教学安全风险因素分析和计算，采用因果分析图能够形象地描述实验课程教学安全性与各指标的相关性，如图4所示。

依据因果分析图和灰色关联系数重要程度排序结果，改进实验室安全管理模式主要体现在以下两个方面。

1）完善管理制度体系。高校整体实验课程教学专业广、涉及领域较宽，因此，实验室安全管理制度构建必须具有较强包容性，既要包含基础实验操作事项，还应包含实验设施材料及操作人员监督管理。明确实验室操作流程，对实验室实验全过程操作进行标准化管理，将安全融入实验每一个环节。

2）重视实验设备管理。具有完备的实验室安全管理制度后，造成事故发生的主要原因依然为实验设备设施。此外，现有设备安排定期检查，以避免因设备老化、接线破损等情况引起诸多事故。

4  结论

本文从模型方法和系统角度，研究高校实验课程教学安全性评价方法，建立基于AHP和灰色系统理论的实验课程教学安全性评价机制，利用灰色关联法建立评价模型，引入AHP计算所得指标权重。相比传统评价机制有两大优点：

1）化定性分析为定性分析与定量分析相结合，可以有效降低传统评价中的人为主观性；

2）克服传统灰色关联评价采用等权值处理方法计算各评价指标权重，忽略重要程度差异，导致评价结果不客观问题。

运用此评价模型对机械制造技术基础实验课程进行验证，通过对高校实验课程教学的充分观测和探索，选取能够代表实验课程教学安全性的3个一级指标及相应15个二级指标，验证效果良好。最后，根据关联度大小排序，提出高校实验课程教学安全性保障策略，即建设虚拟仿真实验平台、实施多教师协同教学和改进实验室安全管理模式，以保证实验课程教学过程中的安全性，对今后各学科实验课程教学安全性评价提供指导意义。

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