开放式实验室数字化智能化建设的研究

2018-11-08刘学平王亚杰

实验技术与管理 2018年10期

刘学平, 王亚杰, 尹航

(1. 沈阳航空航天大学工程训练中心, 辽宁沈阳 110136；2. 南京航空航天大学自动化学院, 江苏南京 210016)

近二十年来,很多高校随着招生人数的增加，扩大了学校的建设规模。实验室[1-2]作为学校重要的实验教学基地,在高校扩建规划里都作为了重点扩建对象。当前,随着人工智能时代的到来,作为面向学生开放的大型实验室[3-4],在规模扩大的过程中,数字化和智能化的水平也需要进一步提高。以沈阳航空航天大学的教学实验改革为例,工程训练中心下属的开放式实验室也发生了巨大的变化,原来整个实验室只有100多台计算机,如今已经发展成为拥有900多台计算机的大型开放式实验教学基地,接待全校的教师和学生自由上机,为全校师生提供了一个开放的教学和科研工作学习平台。

目前,实验室每年接待的上机人时数超过了30万,同时,还承担了全国计算机等级考试、职称计算机考试、学校大学计算机课程考试、学校各种程序语言类课程考试和学校各种软件培训等工作,这些工作涉及到很多具体的实施方法,如何能够把这些工作做好、做得更合理，一直是实验室建设的重点和出发点。数字化、智能化开放式实验室[5-6]是在原有实验室的基础上,利用先进的计算机技术和人工智能技术等相关技术手段,将开放式实验室更多的实验资源实现数字化和智能化,最终能够为全校师生提供一个数字化和智能化的开放式实验室教学场所[7]。教师可以通过实验室提供的数字化和智能化平台,很好地完成教学和科研的相关工作；学生可以通过实验室平台提供的数字化和智能化资源更便捷、更高效地完成学习工作和创新项目。那么,如何通过当前的人工智能技术手段和现有的计算机软硬件资源,建设一个现代化的开放式实验室[8-10],从而提升开放式实验室的服务水平,是当前开放式实验室建设中需要重点解决的课题。本文分析了当前高等学校开放式实验室的特点,通过沈阳航空航天大学实验室的发展和建设情况,阐述了高校实验室的数字化、智能化建设的一些设计理念和实施方案,具有一定的实际意义。

1 实验室的开放性特点

开放式的实验室有很多共性,通过对这些共性特点的分析和发掘来建设开放式实验室是我们研究的重要出发点[11-12]。通过对我校开放式实验室这些年建设经验的研究,总结了开放式实验室一些共性特点如下:

1.1 多种实验形式

实验室的开放性特点使得教师和学生可以拥有多种参与实验形式。教师可以根据自己的科研和教学安排,设计自己的实验形式,制定实验安排,布置实验内容。学生可以根据学习课程的安排,联系自己实际情况,选择各种参与实验的形式,例如课内实验、课外自由实验、课外集体自由实验等各种实验的参与形式。正是多种参与实验形式的存在,为教师和学生提供了充足的实验资源,可以使实验室设备得到充分利用,这也是开放式实验室存在的重要意义。

1.2 多种实验资源

实验室为全校师生提供了多种多样的实验资源。根据教师和学生提出的需求,实验室提供给师生各种硬件资源和软件资源。根据科研和实际课程的安排,实验室为教师的专业部门、学生的专业和年级提供不同的资源平台。当教师和学生使用实验室的资源时,只要根据相应的类别即可找到自己需要的相应实验室资源,这是开放式实验室提供的一项基本服务。

1.3 多种考试形式

当前,随着实验室规模的扩大,能够承接各种考试的能力也越来越强。由于计算机考试具备无纸化优势及答题方便、阅卷效率高等优点,很多考试都已经采用计算机进行,如全国计算机等级考试、各种职称晋级考试、各种外语口语考试、各种专业课的考试等。如何能够承接好这些考试,解决好这些考试出现的相关问题,像考试系统的安装、多种考试同时进行、考试监考等问题,都是开放式实验室需要解决的。

1.4 多种实验参与人员

开放式实验室是一个面向全校师生的实验室。教师要分学院、分系别、分专业来安排实验,教师一般要有课程号、职工号、姓名等不同的基本信息。学生要分学院、分系别、分专业、分年级、分班级来完成实验,学生一般要有班号、学号、姓名等不同的基本信息。在实验室里,往往这些复杂的数据资源有时需要统一使用,有时需要分门别类,有时又需要共享。为了解决实验室数据出现的各种共享、缺失和冗余等问题,实验室需要对复杂的人员数据做好统一规划、统一设计和统一管理。

1.5 多种软件同时使用

由于实验室需要接待各种形式的实验,每个实验需要的软件不同,这也就需要安装各种各样的软件。例如,上机软件系统、教师授课软件系统、各种实验软件系统,各种考试软件系统、各种培训软件和专业考试系统等,这些软件需要在实验室的各种实验平台上使用,给实验室的软件平台环境提出了很高的要求。高校的实验室需要提供一个好的多样的软件服务平台,具备这样的平台才能更好地为教师和学生服务。现在,往往一个开放式实验室具有软件的多少也可以体现出这个实验室的服务能力。

1.6 多种网络的并存

实验室为教师和学生提供服务往往需要在网络环境下,由于开放式实验室服务的复杂性,这就要求实验室具备提供多种网络的服务能力。实验室需要一个主网络,这样可以在培训和考试等服务中统一使用。实验室也需要具备多个子网络功能,在子网络里便于实现各种不同的网络管理功能,如在上网、授课和实验等不同网络环境下实现不同网络功能。这些网络设计在开放式实验室里很复杂,但是都需要考虑。

1.7 多种服务器的提供

在实验室里,由于各种资源的需要,对服务器的使用也就有了更高的要求。服务器需要提供各种共享的教学和科研资源,各种考试软件、培训软件的发布,各种数据库资源,各种资源的管理和数据的备份等。服务器的数量和提供服务性能的优劣是开放式实验室开放能力的一个重要考量。

1.8 智能化的程度

当前,人工智能技术进入了快速发展阶段,很多实验室都在把人工智能的相关技术应用到实验室建设中,特别是开放式实验室的建设。开放式实验室具有很多优势,如实验人员数量多、实验室的利用率高、资源丰富、功能强大等。如何利用好这些优势,把人工智能技术和开放式实验室的优势结合起来,更好地为教学科研服务,是当前很多高校实验室积极努力建设的方向。

2 数字化建设

2.1 数字化网络服务平台建设

我们的开放式实验室是国家级实验教学示范中心下属的一个实验室。该实验室现有900多台计算机、5台高性能服务器。根据开放式实验室的特点,结合学校实验室的实际情况,我们建立了一个多网络服务资源共享的平台。

针对当前实验室网络服务的需要,我们搭建了一个双模式的服务提供平台。通过客户机/服务器模式的建设,完成了实验室的开放管理和实验教学等服务；通过浏览器/服务器模式的建设,完成了实验室信息发布和网络教学等服务。

我们采用了多服务器镜像的服务模式。在服务器端,我们自己安装了服务器母机,母机包括Microsoft Windows Server 2008 R2、Microsoft SQL Server 2008 R2等系统,并且配置了相应的网络服务功能,如打印服务、资源共享服务、动态主机配置协议(DHCP)服务等。当需要一个这样的服务器单独作为实验服务器的时候,我们只需要2 min的时间就可以镜像一个服务器提供给教师使用。如果该服务器已经不再需要使用,我们仅仅需要几秒钟就可把它删除掉。

我们搭建了一个服务器和客户机共享资源的平台。为了解决服务器硬盘存储量不够用的问题,在共享资源平台下,服务器提供更多的是全校师生常用的、需求量大的数字化资源,客户机提供了不常用的、需求量小的数字化资源。在这样的平台下,通过客户机代替服务器为整个实验室提供资源共享服务,有效地解决了服务器存储空间不够用的问题,为实验室增加更多的共享资源提供了有效保障。整个数字化网络服务平台框架如图1所示。

图1 数字化网络服务平台架构

2.2 数字化软件资源建设

实验室的软件资源是开放式实验室提供的重要资源,我们实验室充分利用当前实验室的软、硬件资源和网络模式,在两种不同模式下自主开发了多种实验系统软件。这些软件的应用为实验室的数字化资源建设打下了重要的基础,依据这些软件平台开展了很多相关的实验、培训和考试,方便了教师的授课和学生的课程学习,提高了实验室的工作效率。近些年实验室开发使用的软件详细情况如表1所示。

表1 开放式实验室软件列表

通过对表1的实验室自主开发软件的使用情况做分析,获取当前实验室软件资源建设情况,为实验室以后的数字化软件资源建设提供了参考依据。

3 智能化建设

开放式实验室可充分利用人工智能技术提高实验室的各方面技术水平。通过人工智能技术的应用提高了实验室的管理水平,更加快了实验室的工作效率,方便了教师授课,更人性化地实现了实验教学的不同教学方法,为实验室的未来发展打下了一个坚实的基础。

3.1 智能化无人监考平台建设

考试是学生学习效果的重要考核方法,通过十几年的努力,我们基本上已经把考核方式从纸质卷子转变成无纸化的考核方式,这一进步为我们节省了很多资源,也提高了教师出题、测试和阅卷的效率。但是,当前无纸化考试的监考方式还是采用人工方式。为了充分利用实验室的计算机资源和人工智能技术,我们设计了智能化无人监考平台,该平台具体架构如图2所示。

图2 智能化无人监考平台架构

无人监考平台是在每台计算机上安装一个摄像头,充分利用人脸识别技术,实现实时跟踪考生考试状态,查验考生准考证和监督考试串座等违纪现象,并通过网络实时将考场情况反馈给主控室。这样主控室总监考人员就可以实时了解考生在考场的相关行为,同时也实现了无须证件自动验证身份等无人监考模式。在考试过程中,学生也可以通过摄像头的语音系统与总监考人员远程交流,解答考生提出的问题。

3.2 智能化授课平台建设

很多教师授课要通过多媒体技术来完成,PPT就是很多教师使用的重要教学手段。但是在讲课过程中,对PPT的操作又会影响教学效果。对于这种情况,我们充分利用当前使用较多的Kinect设备,基于Kinect提取的骨架技术,充分利用了现有的比较成熟的人体动作识别技术,实现教师授课过程中无须手动翻页,通过一个简单动作就可以实现翻页功能,使得教师上课更自然,授课效率更高效。