淺談新工科下的人工智能實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的研究*

周任軍，王文晶

(山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院信息學(xué)院，山西 太原 030031)

0 引言

為了適應(yīng)應(yīng)用型本科院校在新工科背景下的發(fā)展，我院對(duì)人工智能實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)正在規(guī)劃部署中。人工智能實(shí)驗(yàn)室依托計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，學(xué)院投入大量人力和物力，建設(shè)新工科下的人工智能方向的實(shí)踐教學(xué)和科學(xué)研究相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)體系[1]。本科院校的教育也同當(dāng)前國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展緊密結(jié)合，包括教育的內(nèi)容、形式、教育方式等。應(yīng)用型本科院校以學(xué)生為主體，注重培養(yǎng)學(xué)生的能力、提高學(xué)生全面發(fā)展，以適應(yīng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展趨勢(shì)[2]。

本實(shí)驗(yàn)室為數(shù)字化、智能化的開放式實(shí)驗(yàn)室，引進(jìn)先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)等相關(guān)技術(shù)，實(shí)驗(yàn)資源將開放式，為學(xué)生提供一個(gè)數(shù)字化和智能化的開放式實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)[3]。教師和學(xué)生可以通過(guò)此實(shí)驗(yàn)室完成教學(xué)任務(wù)以及科研探討。如何通過(guò)當(dāng)前的人工智能技術(shù)和計(jì)算機(jī)硬件資源，構(gòu)建一個(gè)開放式的人工智能實(shí)驗(yàn)室，是當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建中遇到的最重要的問(wèn)題[4]。通過(guò)調(diào)研本院實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和發(fā)展情況，提出應(yīng)用型高校建設(shè)人工智能實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)規(guī)劃和實(shí)施方案，具有一定的參考價(jià)值[5]。

1 實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)狀分析

面對(duì)新工科人工智能方面人才的急切需求，如何能培養(yǎng)出具有地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新工科人才是本專業(yè)建設(shè)中的最重要的問(wèn)題[6]。應(yīng)用型本科院校要將專業(yè)特色同地方經(jīng)濟(jì)結(jié)合，培養(yǎng)適應(yīng)新工科下的復(fù)合型寬口徑專業(yè)人才。通過(guò)產(chǎn)教融合、實(shí)踐教學(xué)，有效推進(jìn)人才培養(yǎng)質(zhì)量。目前人工智能相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)多數(shù)通過(guò)軟件模擬仿真，缺少大量的行業(yè)數(shù)據(jù)或者案例，不能達(dá)到很好的教學(xué)效果。學(xué)生無(wú)法理解抽象的數(shù)據(jù)背后的原理和應(yīng)用，更無(wú)法學(xué)以致用。我校現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源都是陳舊的硬件設(shè)備，基本不能適應(yīng)人工智能相關(guān)課程的需求和技術(shù)的發(fā)展，所以建設(shè)人工智能實(shí)驗(yàn)室迫在眉睫[7]。

本專業(yè)課程開設(shè)了人工智能、智能信息處理、機(jī)器學(xué)習(xí)等課程，《人工智能》是人工智能相關(guān)課程的理論知識(shí)課程；《智能信息處理》是人工智能應(yīng)用方面的課程；《機(jī)器學(xué)習(xí)》是一門多領(lǐng)域交叉學(xué)科，涉及概率論、統(tǒng)計(jì)學(xué)、逼近論、凸分析、算法復(fù)雜度理論等多門學(xué)科。人工智能的應(yīng)用領(lǐng)域有機(jī)器視覺(jué)、語(yǔ)音識(shí)別、自然語(yǔ)言處理、圖片分類等。目前人工智能的相關(guān)實(shí)驗(yàn)課均在機(jī)房教學(xué)，使用的教學(xué)設(shè)備均為臺(tái)式計(jì)算機(jī)，軟件平臺(tái)為常用的教學(xué)軟件。

2 人工智能實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案

實(shí)驗(yàn)室建設(shè)在布局和規(guī)劃過(guò)程中，一定要定位在本專業(yè)的人才培養(yǎng)方案上，根據(jù)人才培養(yǎng)的目標(biāo)，瞄準(zhǔn)新工科下當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和科學(xué)發(fā)展的前沿問(wèn)題，方可有規(guī)模、有計(jì)劃、有目標(biāo)的建設(shè)。根據(jù)人工智能相關(guān)課程的人才培養(yǎng)方案，結(jié)合人工智能相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)境需要，規(guī)劃出集課程內(nèi)容、實(shí)踐教學(xué)案例、實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境一體的人工智能實(shí)驗(yàn)室，涉及到實(shí)驗(yàn)室的硬件資源、實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源、實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)等[8]。

2.1 人才培養(yǎng)方案

該平臺(tái)從實(shí)踐教學(xué)和科學(xué)研究?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行建設(shè)，通過(guò)該平臺(tái)，學(xué)生在新工科的人才培養(yǎng)體系中具有了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的能力。目前已開設(shè)的《計(jì)算智能實(shí)訓(xùn)》、《智能信息處理實(shí)訓(xùn)》課程，由于實(shí)驗(yàn)資源的陳舊，實(shí)驗(yàn)的綜合性、創(chuàng)新性、實(shí)踐性相對(duì)薄弱，缺乏理論聯(lián)系實(shí)際的案例訓(xùn)練，導(dǎo)致在培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用人工智能理論知識(shí)來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題的應(yīng)用能力比較欠缺。對(duì)此，2019版計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)方案中提出本專業(yè)針對(duì)國(guó)家“實(shí)施大數(shù)據(jù)發(fā)展行動(dòng)，加強(qiáng)新一代人工智能研發(fā)應(yīng)用”發(fā)展戰(zhàn)略和山西數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)人才的需求，培養(yǎng)具備自然科學(xué)知識(shí)、人文綜合知識(shí)和計(jì)算機(jī)科學(xué)理論，掌握計(jì)算機(jī)軟件硬件系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計(jì)、應(yīng)用開發(fā)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)的方法和技術(shù)，接受大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能的基礎(chǔ)訓(xùn)練，具有工程實(shí)踐、組織管理與知識(shí)創(chuàng)新能力的應(yīng)用型技術(shù)人才[9]。

實(shí)踐教學(xué)建立以課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)為基礎(chǔ)，課程設(shè)計(jì)、綜合實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)和專業(yè)實(shí)習(xí)為補(bǔ)充，畢業(yè)設(shè)計(jì)為重點(diǎn)，競(jìng)賽為引導(dǎo)的多層次實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容體系，如圖1所示。該體系將理論知識(shí)與實(shí)踐應(yīng)用很好的結(jié)合，有效提高學(xué)生的興趣和應(yīng)用能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。從而專業(yè)知識(shí)、創(chuàng)新能力得到不斷的提高。該體系中的平臺(tái)建設(shè)包括學(xué)科平臺(tái)、專業(yè)平臺(tái)和通識(shí)平臺(tái)。人工智能實(shí)驗(yàn)室建設(shè)就是專業(yè)平臺(tái)的建設(shè)。

圖1 彈性波信號(hào)的檢測(cè)原理

2.2 硬件資源

我校欲構(gòu)建“大數(shù)據(jù)與智能計(jì)算”實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)包括大數(shù)據(jù)和計(jì)算智能的相關(guān)課程，包括理論知識(shí)驗(yàn)證、科研開發(fā)、提供大量的數(shù)據(jù)集和軟件系統(tǒng)，為地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展助力。

實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)包括三層，分別是基礎(chǔ)層、服務(wù)層、交互層?；A(chǔ)層使用虛擬化技術(shù)管理；交互層為用戶提供友好界面；服務(wù)層為用戶交互接口。交互層客戶端可直接在平臺(tái)操作，無(wú)需配置繁瑣的本地環(huán)境，隨時(shí)隨地在線流暢使用[10]。交互層支撐所有人工智能和大數(shù)據(jù)相關(guān)的專業(yè)課程的教學(xué)與實(shí)踐，統(tǒng)一管理在線資源。例如課程管理、各科目考試題目、在線答疑、教學(xué)視頻播放等功能，同時(shí)具有代碼批判功能。該平臺(tái)為人工智能以及大數(shù)據(jù)等相關(guān)課程的學(xué)習(xí)提供專業(yè)學(xué)習(xí)模塊，包括實(shí)驗(yàn)課程、實(shí)訓(xùn)課程、實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目、實(shí)訓(xùn)開發(fā)等內(nèi)容。資源庫(kù)為學(xué)生和教師提供了實(shí)驗(yàn)的資源和軟件平臺(tái)。為了更好的培養(yǎng)專業(yè)人才，資源庫(kù)建設(shè)的目標(biāo)就是形成“大數(shù)據(jù)與智能計(jì)算”能力的標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)體系。人工智能實(shí)驗(yàn)資源有實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、源代碼、數(shù)據(jù)集、硬件資源、軟件平臺(tái)等。

人工智能和大數(shù)據(jù)相關(guān)的課程有人工智能基礎(chǔ)、Python、智能計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘等。實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)可設(shè)置一些圖像識(shí)別、貝葉斯分類數(shù)據(jù)、專家診斷系統(tǒng)等，可以結(jié)合企業(yè)或者專業(yè)領(lǐng)域的資源或者數(shù)據(jù)集，設(shè)置實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)。通過(guò)人工智能實(shí)驗(yàn)室建設(shè)提供的平臺(tái)，學(xué)生可以在整個(gè)培養(yǎng)階段學(xué)習(xí)項(xiàng)目實(shí)踐、數(shù)據(jù)分析、提高創(chuàng)新、學(xué)習(xí)的能力。

2.3 方案特色

一門課僅需一臺(tái)服務(wù)器?；谔摂M機(jī)多用戶共享，和CPU/GPU計(jì)算資源的動(dòng)態(tài)調(diào)度技術(shù)，極大節(jié)約計(jì)算資源，一臺(tái)服務(wù)器支撐300人同時(shí)在線實(shí)驗(yàn)。軟件平臺(tái)與硬件耦合，并且可以獨(dú)立建設(shè)、獨(dú)立維護(hù)和更新?lián)Q代；平臺(tái)對(duì)專業(yè)課全面覆蓋，可支持人工智能課程體系內(nèi)所有課程的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)；輕松自檢教學(xué)和實(shí)驗(yàn)資源，拋棄傳統(tǒng)的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)資源固化；試驗(yàn)環(huán)境基于B/S模式，覆蓋人工智能通識(shí)課程。

人工智能實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，是應(yīng)用型高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的趨勢(shì)。人工智能實(shí)驗(yàn)室根據(jù)本專業(yè)人才培養(yǎng)的目標(biāo)需要而設(shè)定，能夠解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的弊端，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的智能化、數(shù)字化、有序化，并且為專業(yè)人才的培養(yǎng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 人工智能技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室管理中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室管理，環(huán)境完全靠管理員人為控制和調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)室對(duì)環(huán)境的要求比較高，可通過(guò)人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室溫度、濕度智能控制，從而對(duì)設(shè)備的損害降低，延長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備的使用周期。系統(tǒng)采集實(shí)驗(yàn)室各項(xiàng)參數(shù)信息通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)更新到實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上，通過(guò)云計(jì)算，利用人工智能技術(shù)對(duì)智能終端的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)各個(gè)信息通道的實(shí)際傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘。例如實(shí)驗(yàn)室的窗戶、電源、通風(fēng)口等部位，一旦有數(shù)據(jù)異常，就會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的安全造成威脅。因此，可利用人工智能技術(shù)將錄像機(jī)嵌入顯示設(shè)備，提高聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控功能。從而更加靈活、直觀管理實(shí)驗(yàn)室。同時(shí)可以裝置感煙探測(cè)器，一旦有煙霧濃度達(dá)到設(shè)定值，系統(tǒng)自動(dòng)控制并提醒，保證實(shí)驗(yàn)室的安全。

實(shí)驗(yàn)室的考勤登記信息，可以通過(guò)電子眼攝像頭識(shí)別進(jìn)出人的面部信息和數(shù)據(jù)庫(kù)中信息對(duì)比，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和管理，方便人員管理。如果采集到的面部數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)室管理人員，則有相應(yīng)的自動(dòng)識(shí)別功能，例如：“開電源、關(guān)電源”。

利用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能配電。當(dāng)發(fā)電不足或者斷電情況下，利用太陽(yáng)能，系統(tǒng)會(huì)智能識(shí)別，自動(dòng)切換為正常電壓，從而不影響正常的教學(xué)工作。

4 結(jié)語(yǔ)

人工智能實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，不僅滿足了學(xué)生在人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、智能計(jì)算等專業(yè)課上的實(shí)訓(xùn)教學(xué)，同時(shí)也為教師提供了科學(xué)研究的平臺(tái)，是學(xué)生和教師共用的復(fù)合型實(shí)驗(yàn)室。人工智能實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)不僅可以應(yīng)用到教學(xué)和科研管理中，同時(shí)可以將人工智能技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)的安全管理中，將實(shí)驗(yàn)室設(shè)備與管理實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化，為實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和日常的管理工作提供了技術(shù)上的支持。