人工智能開放式實驗室建設與管理探索

劉潔怡， 周佳社， 王新懷， 徐 茵， 許 輝， 吳 潔

(西安電子科技大學 電子工程學院， 西安 710071)

0 引 言

中國教育正邁向4.0時代，新時期下新工科教育的重要任務就是培養(yǎng)擁有活躍思維、具有創(chuàng)新精神、具備綜合實踐能力的創(chuàng)新性人才[1]。其中培養(yǎng)創(chuàng)新能力和綜合實踐能力的本質(zhì)就是鼓勵學生多動手實踐，只有動手的過程才能促進大學教育中綜合能力的協(xié)調(diào)發(fā)展[2]。因此，實驗教學作為培養(yǎng)學生動手能力、實踐能力和創(chuàng)新能力的有效載體，在工科教學體系中占據(jù)重要地位，現(xiàn)有的實驗教學模式能較好地對大多數(shù)學生完成實踐教育。但由于缺乏實驗場地、固定的實驗時間、單一的課程安排等多方面因素制約，現(xiàn)有統(tǒng)一的實驗教學方式在學生核心素養(yǎng)、個性化、自主化、分層次教學上存在明顯不足，已無法滿足應用型、綜合型拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的要求。近年來，盡管各高校紛紛對開放實驗教學模式建設進行積極探索，通過全面開放實驗室、線上線下視頻指導、虛擬仿真實驗等教學模式彌補現(xiàn)有不足，但依舊將學生和教師從時間、空間割裂開來，無法有針對性察覺學生實驗過程的問題，無法形成能普及推廣的實驗教學機制[3]。

人工智能(Artificial Intelligence，AI)經(jīng)過60多年的演進已成為當前社會的研究熱點。在互聯(lián)網(wǎng)、腦科學、大數(shù)據(jù)、傳感網(wǎng)、超級計算等領域發(fā)展需求的驅(qū)動下，人工智能技術高速演變，呈現(xiàn)出人機協(xié)同、群智開放、深度學習、跨界融合、自主操控等新特征[4]。同時，受腦科學研究成果啟發(fā)的類腦智能蓄勢待發(fā)，在大數(shù)據(jù)驅(qū)動知識學習、跨媒體協(xié)同處理、人機協(xié)同增強智能、群體集成智能、自主智能系統(tǒng)等多個方向均發(fā)展進入研發(fā)新階段。國務院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確指出，人工智能成為國際競爭的新焦點[5-6]。

將人工智能與實驗室建設相融合，構建智能化的開放性實驗室成為實驗教育發(fā)展的未來方向[7-9]。將AI引入教學各環(huán)節(jié)，向課前、課中、課后各環(huán)節(jié)滲透，實現(xiàn)智能輔助AI 算法和教育的協(xié)同配合系統(tǒng)。通過實驗平臺建設與教學方法的重塑與再造，建設“AI實驗系統(tǒng)”，進一步提升學校實驗室信息化水平，從而實現(xiàn)學生學習方法的轉(zhuǎn)變，提升學生自主實驗能力與創(chuàng)新能力，是擺在教育者面前的頭等大事[10-11]。

本文通過AI的授課模式，以專業(yè)基礎課程模擬電子技術實驗為典型課程，梳理模擬電子技術及其實驗知識圖譜，建立知識模型，以新型全開放性實驗室環(huán)境為支撐，以智慧設備為依托，利用現(xiàn)代智能技術實現(xiàn)物理空間與網(wǎng)絡虛擬空間的融合，有效緩解實驗課程教師匱乏、學生時間難以安排等教學瓶頸，從而增強實踐能力的培養(yǎng)效果，提升學生工程應用素質(zhì)。

1 傳統(tǒng)實驗室管理的不足及思考

大多數(shù)高校已經(jīng)充分認識到實驗教學是整個本科教學體系的重要部分，尤其針對工科學生，實驗能夠提高學生自身科學研發(fā)能力、增強動手能力，鍛煉自主學習意識。但是現(xiàn)有教學模式依舊受到傳統(tǒng)“重理論、輕實踐”思想的影響，且實驗教學過程需要投入更多人力、物力和財力，學生的能力提升也需要一個較長的培養(yǎng)過程，所以實驗教學的發(fā)展較為緩慢，難以充分激發(fā)學生的專業(yè)知識理解和動手能力提升。因此，針對現(xiàn)有實驗教學環(huán)境，面臨兩個較為突出的教學思考：

(1) 學生學習課程多，實驗課時間很難保障。如何建設人工智能教育實驗環(huán)境、平臺及資源，真正把時間還給學生，讓學生根據(jù)自己的時間自由安排實驗，正確引導學生自主學習，提高動手能力。有效緩解學生實驗課程時間難以安排的實際問題，從而提高實踐培養(yǎng)效果，提升學生工程素質(zhì)。

(2) 高校實驗教師任務繁重。由于教師長期從事重復的、單調(diào)的、規(guī)范的工作，降低了教師的工作熱情，耽誤了新實驗的開發(fā)研制。如何利用人工智能替代教師日常工作中的重復工作，緩解教師各項工作的壓力，使教師能夠處理以前無法處理的復雜事項，對學生提供有針對性、精準的支持，使得傳授知識效率大幅度提升，有效解決實驗教師匱乏的教學瓶頸。

2 智慧實驗室建設內(nèi)容

針對以上問題，學校建設AI+模電實驗新平臺，開發(fā)課前+課中+課后相結合的實驗室管理系統(tǒng)，研究與開發(fā)智能化模電實驗箱，后臺對學生實驗中的接線狀態(tài)實時監(jiān)測，并通過屏幕及語音實時提示接線是否正確，實現(xiàn)實驗室管理與學生實驗無人值守，自主完成。

與此同時，將AI對于圖像的智能算法引入實驗教學領域，開發(fā)用于實驗過程監(jiān)督、評判管理系統(tǒng)，實時檢測學生狀態(tài)，自動統(tǒng)計學生實驗過程并予以評定，給出過程分數(shù)，減少教師重復勞動，實驗室具體設計框架如圖1所示。

圖1 智能實驗室系統(tǒng)框架

2.1 智慧化環(huán)境建設

新型AI教育需要新型實驗室環(huán)境支撐[12-13]，利用現(xiàn)代智能技術實現(xiàn)物理空間與網(wǎng)絡虛擬空間的融合，以智能設備為依托，建立支持多樣化需求的智能感知能力與服務能力，實現(xiàn)以泛化性、情境性、適應性、連接性為核心特征的學習環(huán)境，包括智能門禁(二維碼、一卡通、人臉識別)、智能窗簾、智能溫濕度、燈光智能控制系統(tǒng)、遠程聯(lián)網(wǎng)多媒體音視頻系統(tǒng)、智能插座、智能安防監(jiān)控等。學生通過刷卡/人臉識別授權進入實驗室，窗簾自動拉開，燈光亮度調(diào)到適宜亮度，溫濕度自動調(diào)整到最佳狀態(tài)。顯示多媒體視頻播放實驗室須知等，實驗室整體呈現(xiàn)現(xiàn)代化、智慧化。

在智能實驗室中，學生通過APP或網(wǎng)絡平臺申請時段和座位，老師通過APP或網(wǎng)絡授權，授權通過后刷二維碼、一卡通進入實驗室，實驗室自動適配最佳亮度溫濕度，進入座位后，掃描二維碼綁定實驗桌，放置一卡通，匹配后座位才通電，自動運行儀器，并自動打開實驗柜，取出計算機開始實驗。計算機已裝有課件PPT、試做視頻、儀器操作規(guī)范等，從系統(tǒng)中調(diào)出選題任務書和自己提交的方案。根據(jù)相關資料，自助式完成實驗過程。實驗室中所有電子設備均接入物聯(lián)網(wǎng)中，自動達到適宜的實驗條件，具體實驗室布局設計如圖2、3所示。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)智能實驗室平面布置圖

圖3 物聯(lián)網(wǎng)智能實驗室效果圖

2.2 信息化實驗平臺建設

構建儀器一體化平臺將儀器與桌子等整合在一起，其中儀器包括110M信號源，200M示波器，多路穩(wěn)壓電源，5 1/2多用表，工控機等。平臺背后安裝空氣開關，臺面安裝讀卡器、平板電腦，桌前安裝攝像頭，麥克風，音響喇叭，儀器與臺面設備通過局域網(wǎng)連入互聯(lián)網(wǎng)。實驗平臺效果如圖4、5所示。

圖4 實驗平臺效果圖

圖5 實驗平臺整體效果圖

實驗過程中，臺上攝像頭與教室空間攝像頭采集學生操作儀器及實驗平臺全過程視頻，后臺進行行為分析。臺上儀器實時檢測按鈕按鍵狀態(tài)以及儀器采集輸出的數(shù)據(jù)，測試儀器對實驗中異常數(shù)據(jù)進行報警，提醒學生規(guī)范操作。教師通過視頻可觀察每個同學是否正常操作，學生實驗中可實時通過平臺或面對面與教師交流討論。后臺自動記錄學生信息，同時地板智能感知記錄進出人數(shù)。通過儀器節(jié)點、平臺節(jié)點以及視頻行為分析等手段，綜合評定實驗過程分數(shù)。

2.3 智能化實時檢測實驗箱設計

AI實驗系統(tǒng)旨在提高學生的實驗效率和教師的教學效率，將傳統(tǒng)實驗箱與智能教學相結合，實現(xiàn)實驗過程參數(shù)選擇智能判斷，實驗結果智能評估，從而提高學生的實驗效率，加強對實驗課程的理解。實驗箱結構如圖6所示。

(1) 器件板模塊。學生可根據(jù)不同實驗選擇不同參數(shù)器件插于相應的電路位置；器件板上只有單個器件或者小模塊及接線插口，面積小并保證方便連線。

(2) 實驗線路板模塊?？筛鶕?jù)不同的實驗課程，更換不同的實驗線路板與器件板，如同相放大器，反相放大器，反相積分器，基礎放大器等實驗；線路板模塊上具備多個示波器測量端口和信號源輸入端口，方便實驗測試。

(3) 測量板模塊。連接于實驗平臺中控電腦，通過USB接口與LAN接口相連，用于判斷對應實驗學生所選擇的器件參數(shù)是否正確。測量板模塊配置液晶顯示屏、指示燈及提示喇叭，支持直接顯示測量結果，可通過按鍵切換測量模式或通過觸摸控制顯示。

圖6 實驗箱結構圖

測量板與實驗線路通過自定義標準接口進行連接，其接口為易損接口，可隨時更換連接線。實驗平臺中控電腦配置上位機軟件，上位機軟件或顯示屏能夠讀取當前實驗板。學生實驗過程的具體實驗步驟為：通過上位機軟件選擇實驗；選擇相應實驗課程的實驗子板；通過上位機軟件設定實驗參數(shù)，并在子板器件層插上相對應的實驗元器件；判斷電路值，即實驗元器件是否選擇正確。

2.4 實驗平臺綜合管理系統(tǒng)建設

實驗室管理、學生試驗數(shù)據(jù)采集、實驗環(huán)境監(jiān)控的相關工作嚴重消耗教師的時間及精力，現(xiàn)構建“AI+模電實驗”智能化綜合性實驗室管理系統(tǒng)，將智慧化、信息化、智能化引入教學的課前、課中、課后，實現(xiàn)智能輔助教育協(xié)同配合的實驗室管理[14-15]，部分管理系統(tǒng)展示如圖7、8所示。

圖7 管理系統(tǒng)儀器查看頁面

圖8 管理系統(tǒng)設備查詢頁面

該系統(tǒng)具有如下功能：

(1) 系統(tǒng)分為教師、學生、管理員3種角色；具有開放預約、實驗教學、實驗教務、教學資源管理等功能模塊；

(2) 管理員端支持配置課時，課程管理，排課管理，配置系統(tǒng)角色等功能；教師端支持定義實驗模版，添加課程實驗，查看排課，查看學生預習情況和提交的報告數(shù)據(jù)等；學生端支持查看實驗課程及實驗詳情，參加實驗預習，查看實驗過程，提交實驗數(shù)據(jù)報告，填寫實驗報告等；

(3) 學生通過掃描二維碼，添加關注，實驗室和課程介紹信息即出現(xiàn)，刷卡(學生一卡通)上電，掃碼打開實驗箱智能柜；

(4) 教師能夠通過系統(tǒng)實時監(jiān)測各儀器的設置，了解及輔助學生實驗情況；

(5) 系統(tǒng)可以查看并保存在線數(shù)據(jù)及測試結果，自動生成實驗報告，并在線提交實驗報告，便于學生記錄試驗結果，并及時根據(jù)數(shù)據(jù)進行分析；

(6) 系統(tǒng)支持平臺內(nèi)資源共享，下載實驗模板，實驗背景介紹PPT，成功實驗案例介紹等。

3 智慧實驗室的建設意義及社會價值

基于人工智能的開放式實驗室建設是校企協(xié)同、科教融合的具體呈現(xiàn)，通過設計與構建AI+模電實驗新平臺，開發(fā)課前+課中+課后相結合的實驗室管理系統(tǒng)，從而打造全天候、開放式、智慧化實驗教學環(huán)境。與此同時，將AI與現(xiàn)有教學方式相結合，研究與開發(fā)智能化模電實驗箱，后臺對學生實驗中的接線狀態(tài)實時監(jiān)測，并通過屏幕及語音實時提示接線是否正確，結合常見問題AI語音實時交互播放系統(tǒng)，實現(xiàn)實驗室管理與學生實驗無人值守，自主完成，該環(huán)境能夠鼓勵學生自由安排實驗時間，方便學生利用碎片化時間驗證理論學習內(nèi)容。其具體優(yōu)點為：① 緊跟國家及學校改革步伐，針對模電實驗進行改革，依托電子技術發(fā)展，與時俱進，將電子信息領域新技術與學生創(chuàng)新項目相結合，將人工智能與實驗課程內(nèi)容相結合，將AI應用到實驗課程全過程，推動實踐教學內(nèi)容及模式的改革，大力推進學生自主實驗，使大面積學生受益。② 讓更多教師擺脫重復勞動，積極參與實驗內(nèi)容開發(fā)，促進實驗教師隊伍穩(wěn)定與發(fā)展，保障實驗長效運轉(zhuǎn)，使更多學生受益，提高本科教學內(nèi)在質(zhì)量。③ 克服傳統(tǒng)模電實驗的各方面缺陷，促進教學內(nèi)容更新，改進教學與指導方法，具有較好的引領與推廣價值。

4 結 語

針對各高校實驗教師匱乏、學生實驗課時間難以保障、實驗過程監(jiān)督考核困難等問題，提出一種智能化開放式實驗室建設與實驗教學評估方法，通過AI的授課模式，以專業(yè)基礎課程模擬電子技術實驗為典型課程，梳理模擬電子技術及其實驗知識圖譜，建立知識模型，將AI引入教學各環(huán)節(jié)，向課前、課中、課后各環(huán)節(jié)滲透，實現(xiàn)智能輔助AI和教育的協(xié)同配合，達到實驗平臺建設與教學評估方法的重塑與再造。通過“AI實驗系統(tǒng)”，將人工智能與實驗室建設相融合，進一步提升實驗室信息化水平，推進開放性實驗教學模式的改革，實現(xiàn)學生學習方法的轉(zhuǎn)變，提升學生自主實驗能力與創(chuàng)新能力。與智能化教學評價方式的優(yōu)勢相結合，雙管齊下，真正實現(xiàn)人才培養(yǎng)的發(fā)展目標。