浅谈新工科下的人工智能实验室建设的研究*

周任军，王文晶

(山西大学商务学院信息学院，山西 太原 030031)

0 引言

为了适应应用型本科院校在新工科背景下的发展，我院对人工智能实验室的建设正在规划部署中。人工智能实验室依托计算机科学与技术专业，学院投入大量人力和物力，建设新工科下的人工智能方向的实践教学和科学研究相结合的实验体系[1]。本科院校的教育也同当前国家经济的发展紧密结合，包括教育的内容、形式、教育方式等。应用型本科院校以学生为主体，注重培养学生的能力、提高学生全面发展，以适应经济的发展趋势[2]。

本实验室为数字化、智能化的开放式实验室，引进先进的计算机技术和人工智能技术等相关技术，实验资源将开放式，为学生提供一个数字化和智能化的开放式实验室平台[3]。教师和学生可以通过此实验室完成教学任务以及科研探讨。如何通过当前的人工智能技术和计算机硬件资源，构建一个开放式的人工智能实验室，是当前实验室构建中遇到的最重要的问题[4]。通过调研本院实验室的建设和发展情况，提出应用型高校建设人工智能实验室的设计规划和实施方案，具有一定的参考价值[5]。

1 实验室现状分析

面对新工科人工智能方面人才的急切需求，如何能培养出具有地区经济发展的新工科人才是本专业建设中的最重要的问题[6]。应用型本科院校要将专业特色同地方经济结合，培养适应新工科下的复合型宽口径专业人才。通过产教融合、实践教学，有效推进人才培养质量。目前人工智能相关课程的实验实训多数通过软件模拟仿真，缺少大量的行业数据或者案例，不能达到很好的教学效果。学生无法理解抽象的数据背后的原理和应用，更无法学以致用。我校现有的实验实训教学资源都是陈旧的硬件设备，基本不能适应人工智能相关课程的需求和技术的发展，所以建设人工智能实验室迫在眉睫[7]。

本专业课程开设了人工智能、智能信息处理、机器学习等课程，《人工智能》是人工智能相关课程的理论知识课程；《智能信息处理》是人工智能应用方面的课程；《机器学习》是一门多领域交叉学科，涉及概率论、统计学、逼近论、凸分析、算法复杂度理论等多门学科。人工智能的应用领域有机器视觉、语音识别、自然语言处理、图片分类等。目前人工智能的相关实验课均在机房教学，使用的教学设备均为台式计算机，软件平台为常用的教学软件。

2 人工智能实验室建设方案

实验室建设在布局和规划过程中，一定要定位在本专业的人才培养方案上，根据人才培养的目标，瞄准新工科下当地经济和科学发展的前沿问题，方可有规模、有计划、有目标的建设。根据人工智能相关课程的人才培养方案，结合人工智能相关课程的实验环境需要，规划出集课程内容、实践教学案例、实验教学环境一体的人工智能实验室，涉及到实验室的硬件资源、实验教学资源、实验软件平台等[8]。

2.1 人才培养方案

该平台从实践教学和科学研究两个方面进行建设，通过该平台，学生在新工科的人才培养体系中具有了创新创业的能力。目前已开设的《计算智能实训》、《智能信息处理实训》课程，由于实验资源的陈旧，实验的综合性、创新性、实践性相对薄弱，缺乏理论联系实际的案例训练，导致在培养学生应用人工智能理论知识来解决实际问题的应用能力比较欠缺。对此，2019版计算机科学与技术专业人才培养方案中提出本专业针对国家“实施大数据发展行动，加强新一代人工智能研发应用”发展战略和山西数字经济发展规划对计算机科学与技术人才的需求，培养具备自然科学知识、人文综合知识和计算机科学理论，掌握计算机软件硬件系统的协同设计、应用开发、运营维护的方法和技术，接受大数据技术和人工智能的基础训练，具有工程实践、组织管理与知识创新能力的应用型技术人才[9]。

实践教学建立以课程实验教学为基础，课程设计、综合实验、实验项目开发和专业实习为补充，毕业设计为重点，竞赛为引导的多层次实践教学内容体系，如图1所示。该体系将理论知识与实践应用很好的结合，有效提高学生的兴趣和应用能力，培养学生的创新意识。从而专业知识、创新能力得到不断的提高。该体系中的平台建设包括学科平台、专业平台和通识平台。人工智能实验室建设就是专业平台的建设。

图1 弹性波信号的检测原理

2.2 硬件资源

我校欲构建“大数据与智能计算”实验平台，该平台包括大数据和计算智能的相关课程，包括理论知识验证、科研开发、提供大量的数据集和软件系统，为地方经济发展助力。

实验实训平台包括三层，分别是基础层、服务层、交互层。基础层使用虚拟化技术管理；交互层为用户提供友好界面；服务层为用户交互接口。交互层客户端可直接在平台操作，无需配置繁琐的本地环境，随时随地在线流畅使用[10]。交互层支撑所有人工智能和大数据相关的专业课程的教学与实践，统一管理在线资源。例如课程管理、各科目考试题目、在线答疑、教学视频播放等功能，同时具有代码批判功能。该平台为人工智能以及大数据等相关课程的学习提供专业学习模块，包括实验课程、实训课程、实训项目、实训开发等内容。资源库为学生和教师提供了实验的资源和软件平台。为了更好的培养专业人才，资源库建设的目标就是形成“大数据与智能计算”能力的标准培养体系。人工智能实验资源有实验指导书、源代码、数据集、硬件资源、软件平台等。

人工智能和大数据相关的课程有人工智能基础、Python、智能计算、数据挖掘等。实训环节可设置一些图像识别、贝叶斯分类数据、专家诊断系统等，可以结合企业或者专业领域的资源或者数据集，设置实训环节。通过人工智能实验室建设提供的平台，学生可以在整个培养阶段学习项目实践、数据分析、提高创新、学习的能力。

2.3 方案特色

一门课仅需一台服务器。基于虚拟机多用户共享，和CPU/GPU计算资源的动态调度技术，极大节约计算资源，一台服务器支撑300人同时在线实验。软件平台与硬件耦合，并且可以独立建设、独立维护和更新换代；平台对专业课全面覆盖，可支持人工智能课程体系内所有课程的教学与实验；轻松自检教学和实验资源，抛弃传统的教学与实验资源固化；试验环境基于B/S模式，覆盖人工智能通识课程。

人工智能实验室建设，是应用型高校实验室建设的趋势。人工智能实验室根据本专业人才培养的目标需要而设定，能够解决传统实验室的弊端，实现实验室的智能化、数字化、有序化，并且为专业人才的培养奠定了坚实的基础。

3 人工智能技术在实验室管理中的应用

传统的实验室管理，环境完全靠管理员人为控制和调节，实验室对环境的要求比较高，可通过人工智能技术实现实验室温度、湿度智能控制，从而对设备的损害降低，延长实验仪器和设备的使用周期。系统采集实验室各项参数信息通过互联网更新到实验室网络平台上，通过云计算，利用人工智能技术对智能终端的大量数据进行分析，对各个信息通道的实际传输数据进行数据分析和数据挖掘。例如实验室的窗户、电源、通风口等部位，一旦有数据异常，就会对实验室的安全造成威胁。因此，可利用人工智能技术将录像机嵌入显示设备，提高联网监控功能。从而更加灵活、直观管理实验室。同时可以装置感烟探测器，一旦有烟雾浓度达到设定值，系统自动控制并提醒，保证实验室的安全。

实验室的考勤登记信息，可以通过电子眼摄像头识别进出人的面部信息和数据库中信息对比，对采集数据进行统计和管理，方便人员管理。如果采集到的面部数据为实验室管理人员，则有相应的自动识别功能，例如：“开电源、关电源”。

利用人工智能技术实现智能配电。当发电不足或者断电情况下，利用太阳能，系统会智能识别，自动切换为正常电压，从而不影响正常的教学工作。

4 结语

人工智能实验室的建设，不仅满足了学生在人工智能、机器学习、智能计算等专业课上的实训教学，同时也为教师提供了科学研究的平台，是学生和教师共用的复合型实验室。人工智能实验室的建设不仅可以应用到教学和科研管理中，同时可以将人工智能技术应用于实验的安全管理中，将实验室设备与管理实现自动化和智能化，为实验室建设和日常的管理工作提供了技术上的支持。