高校智慧實(shí)驗(yàn)室信息生態(tài)模型構(gòu)建*

覃 馮 楊 寧

1.廣西民族大學(xué)國有資產(chǎn)管理處 廣西 南寧 2.廣西開放大學(xué)科研處 廣西 南寧

一、引言

隨著信息的爆炸式增長和信息技術(shù)的快速發(fā)展，信息生態(tài)學(xué)的概念應(yīng)運(yùn)而生。信息生態(tài)學(xué)是信息學(xué)和生態(tài)學(xué)的交叉學(xué)科，是生態(tài)學(xué)概念在信息社會建模中的應(yīng)用，將信息空間視為一種生態(tài)系統(tǒng)。這種信息生態(tài)系統(tǒng)是由若干相互關(guān)聯(lián)、相互作用、互相補(bǔ)充的子系統(tǒng)組成的，開放的、綜合的動態(tài)系統(tǒng)，涉及不同的主體和客體，具有多樣性的特征，基本特點(diǎn)是各種因素相互關(guān)聯(lián)、彼此影響、相互促進(jìn)。本文以高校智慧實(shí)驗(yàn)室信息生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，介紹了國內(nèi)智慧實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了基于人工智能技術(shù)構(gòu)建高校智慧實(shí)驗(yàn)室生態(tài)模型的建設(shè)內(nèi)容和具體框架，以期為高校智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)提供新的思路。

二、高校智慧實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展現(xiàn)狀

高校智慧實(shí)驗(yàn)室作為培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新思維、意識和能力的重要陣地，在信息生態(tài)學(xué)應(yīng)用的過程中發(fā)揮著重要作用；建立完整的信息生態(tài)系統(tǒng)、構(gòu)建信息生態(tài)模型，是保證高校智慧實(shí)驗(yàn)室快速發(fā)展的基礎(chǔ)，也是提升高校實(shí)驗(yàn)室管理水平的有效途徑。

高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)過多年的探索和改革，已基本完成從人工管理向現(xiàn)代智能化管理的轉(zhuǎn)變，能借助現(xiàn)代信息技術(shù)對海量的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析和挖掘，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理的可視化和智能化，將實(shí)驗(yàn)室“統(tǒng)一規(guī)劃、集中管理、協(xié)同共享”的理論規(guī)劃變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。但是，目前我國高校智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)還處于初級階段，存在許多亟待解決的問題。

當(dāng)前關(guān)于高校智慧實(shí)驗(yàn)室信息生態(tài)學(xué)的研究主要集中在理論討論和提高服務(wù)質(zhì)量、增強(qiáng)創(chuàng)新能力等方面。依托人工智能技術(shù)，信息生態(tài)模型將在智慧實(shí)驗(yàn)室管理、智能識別、實(shí)驗(yàn)預(yù)測等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。高效、科學(xué)的信息生態(tài)模型構(gòu)建后，高校實(shí)驗(yàn)室可以將人工智能技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和管理，從而持續(xù)提高智慧實(shí)驗(yàn)室的智能化程度，不斷促進(jìn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室管理在時(shí)間、空間、內(nèi)容、形式上的全面智慧化，最終提升用戶的使用體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)智慧實(shí)驗(yàn)室全開放的目標(biāo)，為實(shí)驗(yàn)室用戶提供更加個性化、多樣化的服務(wù)。

隨著高校數(shù)字化轉(zhuǎn)型的加快，基于云計(jì)算與移動互聯(lián)的新一代信息技術(shù)成為推動高校信息化進(jìn)程的新動力，如何運(yùn)用新技術(shù)滿足師生日益增長的信息需求成為高校實(shí)驗(yàn)室的重要課題。社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及科學(xué)技術(shù)水平的提高，以及數(shù)字化時(shí)代的到來，給高校智慧實(shí)驗(yàn)室?guī)砹饲八从械陌l(fā)展機(jī)遇。作為一種新型教學(xué)模式，基于互聯(lián)網(wǎng)的高校智慧實(shí)驗(yàn)室是對傳統(tǒng)教學(xué)理念與方法的革新，不僅能為用戶提供豐富多樣的學(xué)習(xí)資源，還能搭建個性化學(xué)習(xí)平臺。智慧實(shí)驗(yàn)室需要借助信息生態(tài)系統(tǒng)才能發(fā)揮更大的效能，因此，構(gòu)建一個完整的信息生態(tài)模型，完善信息生態(tài)系統(tǒng)是當(dāng)下高校智慧實(shí)驗(yàn)室的主要任務(wù)。

三、智慧實(shí)驗(yàn)室信息生態(tài)模型建設(shè)的內(nèi)容

高校智慧實(shí)驗(yàn)室用戶的信息需求可分為實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息服務(wù)需求、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理需求、實(shí)驗(yàn)教學(xué)交互需求、實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果分析需求等類型。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息服務(wù)需求主要是實(shí)驗(yàn)軟件個性化安裝、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)科學(xué)推送、實(shí)驗(yàn)信息交互等。智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)可通過人工智能技術(shù)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)硬件資源的調(diào)度和管控，充分利用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和相關(guān)設(shè)備、平臺，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧化實(shí)驗(yàn)環(huán)境。同時(shí)，要建立開放共享機(jī)制，將科研創(chuàng)新成果及時(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐教學(xué)，讓學(xué)生參與其中并自主學(xué)習(xí)；構(gòu)建“平臺+模塊”的應(yīng)用模式，以用戶體驗(yàn)為主線，提供多種應(yīng)用形式的開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境；優(yōu)化教師角色與學(xué)生身份認(rèn)證機(jī)制，提高師生的協(xié)同效率，從而加強(qiáng)師生的基礎(chǔ)能力培養(yǎng)，提升綜合素質(zhì)，促進(jìn)學(xué)科交叉融合發(fā)展。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理需求主要是實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)、實(shí)驗(yàn)技術(shù)文件更新、實(shí)驗(yàn)資源調(diào)度及實(shí)驗(yàn)硬件資源管控、實(shí)驗(yàn)環(huán)境營造等，根據(jù)學(xué)校教學(xué)目標(biāo)和專業(yè)設(shè)置要求安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并對課程安排和教學(xué)方法提出建議。設(shè)備配置和維護(hù)時(shí)要制定完善的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備管理制度，規(guī)范各類實(shí)驗(yàn)儀器名稱、型號、規(guī)格、使用期限、更換周期和保養(yǎng)方法等。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)交互需求主要是實(shí)驗(yàn)課堂討論和答疑、實(shí)驗(yàn)課后交流互動、實(shí)時(shí)掌控實(shí)驗(yàn)課堂討論、及時(shí)評價(jià)實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)等。在具體實(shí)踐中，可通過人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)教師全天候答疑輔導(dǎo)、師生共同管理和評價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果報(bào)告；教師要利用基于深度學(xué)習(xí)模型開發(fā)的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對課堂教學(xué)過程進(jìn)行全程監(jiān)控與記錄，并以圖像、聲音或文字形式呈現(xiàn)給學(xué)生；學(xué)生要熟練掌握智能語音控制系統(tǒng)，對老師提出的問題及時(shí)做出響應(yīng)，還要完成實(shí)驗(yàn)教師布置的課后作業(yè)并開展交流互動。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果分析需求主要是實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的配置、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的共享等，可通過人工智能技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)評價(jià)科學(xué)匹配。自動生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告與評分系統(tǒng)是高校智慧實(shí)驗(yàn)室信息生態(tài)系統(tǒng)的重要功能，可實(shí)現(xiàn)智能統(tǒng)計(jì)及分析，支持?jǐn)?shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等操作；基于數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)分析技術(shù)開發(fā)的智能化智慧實(shí)驗(yàn)室信息生態(tài)系統(tǒng)，還可為不同需求的用戶提供個性化的服務(wù)。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智慧實(shí)驗(yàn)室信息生態(tài)系統(tǒng)須與時(shí)俱進(jìn)地提高信息處理能力，以應(yīng)對瞬息萬變的信息生態(tài)環(huán)境。因此，高校智慧實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和管理要聚焦人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等現(xiàn)代信息處理技術(shù)，將其納入智慧實(shí)驗(yàn)室信息生態(tài)模型的構(gòu)架，充分發(fā)揮智慧化信息處理技術(shù)的優(yōu)勢。為滿足實(shí)驗(yàn)室用戶的需求，將人工智能技術(shù)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)用于復(fù)雜數(shù)據(jù)的處理是非常必要的，資源篩選和資源傳遞應(yīng)成為智慧實(shí)驗(yàn)室信息生態(tài)的主要任務(wù)。

隨著智慧實(shí)驗(yàn)室智慧化程度的提升，智慧實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境、空間環(huán)境、管理環(huán)境之間關(guān)系日趨緊密、復(fù)雜，針對用戶的信息需求，智慧實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)首先要考慮如何按照用戶需求來完成實(shí)驗(yàn)室資源的合理配置和高效管理。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的思維模式下，實(shí)驗(yàn)室的各系統(tǒng)和平臺自成體系，相互之間處于一種割裂狀態(tài)，難以形成合力，容易造成“系統(tǒng)為主、用戶為客”的日常使用狀態(tài)；用戶使用時(shí)有“處處受限、時(shí)時(shí)被管”感覺，不但不能提高用戶的工作效率，還無法實(shí)現(xiàn)信息化、智能化、智慧化的建設(shè)目標(biāo)。因此，基于人工智能技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的信息生態(tài)系統(tǒng)建構(gòu)方案成為高校智慧實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)和建設(shè)的首選，從頂層設(shè)計(jì)到基層應(yīng)用，處處體現(xiàn)信息生態(tài)建設(shè)和管理的理念。

四、智慧實(shí)驗(yàn)室信息生態(tài)模型的基本框架

當(dāng)前對高校智慧實(shí)驗(yàn)室信息生態(tài)系統(tǒng)的硬件生態(tài)、管理生態(tài)和空間生態(tài)研究已趨于完善，但如何將這三種生態(tài)有機(jī)融合、如何從各種資源中完成資源的智慧篩選和交互卻鮮有涉足，這也是今后高校智慧實(shí)驗(yàn)室信息生態(tài)化發(fā)展的重點(diǎn)。基于此，本文從生態(tài)學(xué)理論的角度對智慧實(shí)驗(yàn)室信息生態(tài)模型的功能模塊進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)。

1.資源智慧篩選和交互功能模塊設(shè)計(jì)

高校智慧實(shí)驗(yàn)室信息生態(tài)是以實(shí)驗(yàn)室用戶為中心架構(gòu)起來的，實(shí)驗(yàn)室用戶生態(tài)位是整個實(shí)驗(yàn)室信息生態(tài)模型的核心，是其他擴(kuò)展生態(tài)位構(gòu)建的基礎(chǔ)。因此，實(shí)驗(yàn)室資源智慧篩選和交互功能的實(shí)現(xiàn)，首要任務(wù)是必須完成對智慧實(shí)驗(yàn)室大數(shù)據(jù)的分類，為實(shí)驗(yàn)室用戶提供科學(xué)、高效的實(shí)驗(yàn)室資源數(shù)據(jù)。一般情況下，可將實(shí)驗(yàn)室用戶分三類：大學(xué)教師、教務(wù)督導(dǎo)員和大學(xué)生；用戶屬性可按學(xué)科專業(yè)、職級層次、需求偏好等分類?？紤]到高校智慧實(shí)驗(yàn)室資源智慧篩選和交互的特點(diǎn)，對此功能模塊設(shè)計(jì)時(shí)可采用決策樹算法來完成。

實(shí)驗(yàn)室用戶分類決策樹的每個非葉節(jié)點(diǎn)表示一個實(shí)驗(yàn)室用戶的特征屬性；每個分支代表這個特征屬性的值域，即實(shí)驗(yàn)室三大用戶具體的學(xué)科專業(yè)值、職級層次值、需求偏好值等；而每個葉節(jié)點(diǎn)則代表一個類別，即細(xì)化程度最高的實(shí)驗(yàn)室用戶類型。使用決策樹算法對實(shí)驗(yàn)室用戶進(jìn)行分類的過程就是從決策樹最頂部的根節(jié)點(diǎn)開始，從上到下，測試待分類項(xiàng)中相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室用戶特征屬性，并按照測試值選擇輸出分支和葉節(jié)點(diǎn)，并將葉節(jié)點(diǎn)存放的不同類別作為實(shí)驗(yàn)室用戶的最終分類結(jié)果。

2.硬件智慧管理及配置功能模塊設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)極大地推動了實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)備的智慧化管理，且管理的效率得到了顯著提高。針對高校智慧實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)備管理及配置需要進(jìn)一步優(yōu)化的問題，應(yīng)以實(shí)驗(yàn)室用戶硬件需求預(yù)測為出發(fā)點(diǎn)，將實(shí)驗(yàn)室用戶生態(tài)位作為整個智慧實(shí)驗(yàn)室信息生態(tài)模型構(gòu)建的核心，遵循這個基本原則和思路，進(jìn)一步推演高校智慧實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理智能化的基本構(gòu)成原理：即實(shí)驗(yàn)室用戶通過智能化管理平臺可以實(shí)現(xiàn)智能化預(yù)約、智能化審批、設(shè)備使用和設(shè)備歸還，實(shí)驗(yàn)室管理員也能通過平臺完成設(shè)備狀態(tài)獲取、人工智能統(tǒng)計(jì)、實(shí)驗(yàn)室用戶需求分析、設(shè)備出借等工作。

五、智慧實(shí)驗(yàn)室信息生態(tài)模型實(shí)證分析

高校應(yīng)基于實(shí)驗(yàn)室用戶分類的決策樹算法和對實(shí)驗(yàn)室用戶需求預(yù)測的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，構(gòu)建智慧實(shí)驗(yàn)室信息生態(tài)模型。以廣西某高校智慧實(shí)驗(yàn)室為例，樣本選取“年級、職級、學(xué)院、民族、專業(yè)”5個屬性作為初步分類指標(biāo)，根據(jù)申請使用固定資產(chǎn)類別的不同將實(shí)驗(yàn)室用戶分為5類，即房屋、儀器、設(shè)備、家具、模型等；隨機(jī)選取200名在編教師和在籍學(xué)生作為數(shù)據(jù)集，借助信息生態(tài)模型進(jìn)行驗(yàn)證，其中160人用于網(wǎng)絡(luò)模擬，其余40人用于網(wǎng)絡(luò)預(yù)測。

結(jié)果表明，該信息生態(tài)模型的分類算法誤差小于5%，基本上驗(yàn)證了該分類算法的有效性。同時(shí)，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法展開的實(shí)驗(yàn)室用戶需求預(yù)測結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)室用戶需求類別與實(shí)驗(yàn)室用戶實(shí)際類別的分歧低于13.3%，說明實(shí)驗(yàn)室用戶需求預(yù)測任務(wù)也完成得較為出色。

六、結(jié)語

智慧實(shí)驗(yàn)室信息生態(tài)模型構(gòu)建是高校實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的必然趨勢；科學(xué)的智慧實(shí)驗(yàn)室信息生態(tài)系統(tǒng)，是高校發(fā)展提質(zhì)增效的重要基礎(chǔ)。針對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室信息系統(tǒng)對實(shí)驗(yàn)室用戶關(guān)注不夠、平臺智慧化程度低、智慧管理不易實(shí)現(xiàn)等問題，高校應(yīng)堅(jiān)持以實(shí)驗(yàn)室用戶為核心、采用決策樹和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，完成智慧實(shí)驗(yàn)室信息生態(tài)模型的設(shè)計(jì)與完善，為高校智慧實(shí)驗(yàn)室信息生態(tài)系統(tǒng)的高效構(gòu)建和開發(fā)利用打下良好的基礎(chǔ)。