新工科背景下人工智能实验室建设方案研究

摘要：新工科背景下的人工智能实验室建设方案越来越受到关注，其在众多行业的进步中发挥了极为重要的促进作用。特别是在教育领域，采用人工智能技术的实验室能够辅助教师搜集学生的行为数据、学习喜好、学业信息以及基础资料等。通过对大数据的深度分析，教师可以更全面地理解学生的需求，从而显著提升教学效果。大学计算机实验室作为学生进行教学实操的核心环境，在提升教学水准、培育创新型人才以及推进教学科研等方面发挥着积极影响。伴随时代的进展，面对新工科的背景，大学人工智能实验室的建设和管理正遭遇新的挑战与变迁。

关键词：新工科；人工智能实验室；教学实践

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）19-0046-03

0 引言

人工智能技术是在人类对机器的运用与改造过程中累积的一系列物质方法、操作手段与知识活动的综合体。该产业的构建涵盖数据资源、计算引擎、算法技术，以及依托于人工智能算法和技术进行研究、开发与应用拓展的企业和应用领域。人工智能，亦即机器智能，旨在通过研究与发展那些模拟、增强及扩充人类智能的理论、方法、技术和应用系统的技术科学新领域。数据、算法、算力作为人工智能技术发展的基础性三大支柱，是当前人工智能教育的关键组成部分，其主要应用包含机器视觉、机器学习、语音识别和自然语言处理等领域。

在人工智能时代的不断推进中，其在社会发展中的重要性日益凸显，而社会对高等教育机构培养出能进行专业实践的学生需求日益增长。为此，高等教育机构必须改革现有的教育模式，引入有效的人工智能实践训练教学方法，以增强学生的实践操作能力，进一步提升教育质量。针对人工智能新工科人才的紧迫需求，如何培育能推动区域经济发展的新工科人才，成为人工智能实验室建设的首要问题。

传统上，关于人工智能的课程实验主要通过软件模拟仿真进行，但这种方式未能达到理想的教学效果。学生们往往难以透彻理解抽象数据背后的逻辑及其实际应用，从而难以将知识应用于实践。尽管诸多高校通过推行各种措施，如全面开放实验室资源、线上线下相结合的视频指导、虚拟仿真实验等模式，试图弥补实验教学中存在的缺陷，但这些措施未能彻底解决教学时师生在时间与空间上的割裂，并且缺乏对学生实验过程中问题的有针对性的监测和干预。此外，现有实验室的硬件设备普遍陈旧，缺乏必要的行业数据和案例支持，难以满足人工智能相关课程及技术发展的需求，因而加速推进人工智能实验室的建设显得极其迫切。

1 新工科背景下高校人工智能实验室建设要求

在建设适应新工科要求的人工智能实验室时，需重点培养与地方经济紧密结合的、能适应宽口径复合型专业人才。为此，通过产教融合及实践导向的教学策略，实验室构建应致力于提升人才培养质量。人工智能人才培养在实践中遭遇众多难题，包括但不限于培养模式与课程架构设计的困境、基础设施不足、教师专业发展迟缓、高质量课程体系缺失、实验设计复杂性高、教育与就业要求不对称，以及缺乏行业实战的实训项目等[1]，如图1所示。

具体而言，人工智能实验室的建设首先应深入分析人工智能行业的实际需求，结合高校自身特色与行业发展状况，以及企业对人才技能和素质的具体需求，构建适宜的人才能力素质模型。在此基础上，第二个挑战是缺少恰当的软件集成平台与硬件支持，导致教学与科研活动受限。此外，第三，教师获取更新知识的速度不足，专业技术人才储备不够。第四，现有课程体系难以满足人工智能快速演进的新领域要求，存在缺口。第五，教学生态环境复杂，实验设计和实施成本较高。第六，教学内容与实际职业技能需求脱节，难以实现知行合一。第七，缺少紧贴行业实际需求的实践项目，难以为学生提供将理论知识转化为实践技能的平台。

针对上述问题，人工智能实验室建设应采取系统性策略，包括优化人才培养方案和课程体系、增强基础设施建设、加速教师专业成长、完善课程体系以匹配人工智能的新发展、简化和高效化的实验设计方法、同步教学内容与职业发展的需求，并创造更多接轨产业的实训项目。通过这一系列的努力，实验室建设可以更好地服务于人工智能领域专业人才的培养。

鉴于计算机科学与人工智能之间的密切关联，建设高校计算机科学专业的人工智能实验室，应强调其广泛性与可扩展性，tlNDw21MkQL5tlWdMAGGCY0kKS0S5wdS8/p2486ZPLc=确保教学实践与理论知识交织、融合的实现。该实验室的构建，旨在创造一个适宜的环境，以培育能够满足实验教学、实习培训以及广泛社会实践需求的创新型实践人才[2]。针对这一目标，构建实验室时需遵循的原则包括：

1） 实验室的构建必须涵盖多方面的功能，如计算机数据处理、存储、分析、采集以及资源管理，并具备深度学习计算能力和人工智能服务功能。人工智能服务及数据处理平台的集成应用旨在实现项目管理，同时满足计算机系统配置及平台化开发需求。

2） 该实验室需向学生开放，提供必要的计算资源以进行人工智能相关的实验和实践分析。此外，实验室要有能够跟随人工智能技术进展并提供定制化服务的能力，并构筑出一个能增强学生实践经验的深度学习计算平台。

3） 构建实验室时应综合考量计算机科学专业的学科特性，确保实验室能在人工智能技术的推动下，支持实践学习中的软件开发与应用，同时促进不同课程内容的整合，培养学生在项目开发管理领域的实践技能。

4） 在人工智能技术的背景下，高校应当结合计算机科学专业的发展趋势，利用最新的人工智能工具，构建出一个能够进行学科间应用集成的实践环境。通过这样的跨学科合作，期望能够将计算机专业的理论与实践高效结合，并借助如云计算等新兴技术，培育具备跨领域能力的复合型人才。

2 人工智能实验室建设及管理的探讨

新时代下，新工科教育的主要任务是培养具有活跃思维、创新能力、掌握综合实践能力的创新人才[3]。培养具备创新能力和综合实践能力的关键在于为学生创造更多动手实践的机会，促进学生在大学教育中的协调发展，提升他们的综合应用和实际能力[4]。因此，专业实验室的建设作为培养学生实践和创新能力的有效载体，在工科教学体系下具有重要作用。然而，现有的专业教学受到缺乏实验场地、统一的实验教学方式、单一的课程安排等多方面因素的制约，在学生的个性和自主化培养、核心素养培养、分层次教学培养上存在明显不足，已无法满足应用型、综合型拔尖创新人才培养的要求[5]。

人工智能实验室的建设及管理涉及诸多方面和复杂的决策。从建设过程来看，首先要进行需求分析，明确实验室的定位和目标，并评估现有资源和能力，以确定实验室建设的规模和水平[6]。接着进行规划设计，制定总体规划，包括空间布局、硬件配置、软件环境、网络架构等方面，并考虑安全性、环保性和可持续性。在建设实施阶段，依据规划设计进行具体的建设和装修工作，包括实验室空间的改造、电力和网络的布线、设备的采购和安装等。最后，进行调试与验收，确保设备正常运行，满足设计要求，并进行验收评估[7]。

在建设管理制度方面，需要采用项目管理方法，全面管理和监控实验室建设过程；建立严格的质量管理体系，对每个环节进行质量把控；制定安全管理制度，明确安全责任和操作规程；建立环境管理制度，关注环保和节能问题；建立完善的人员管理制度，确保工作人员具备专业素质和能力；制定设备管理制度，对设备进行规范化管理；建立档案管理制度，对文件资料进行分类管理；制定严格的财务管理制度，对经费进行合理分配和使用；建立风险评估和管理机制，预测和应对可能出现的问题和风险；并定期收集反馈意见和建议，持续改进和完善实验室管理。这些措施有助于提高实验室的运行效率和管理水平[8]。

3 高校人工智能实验室建设和管理方案

3.1 高校人工智能实验室的建设方案

人工智能实验室建设方案需考虑具体目标、资源、用途和所属领域，并结合实际情况进行调整。建立一个人工智能实验室是一项复杂的工程，需要持续的资源投入和专业人员的支持。人工智能实验室建设方案如图2所示，实验室的成功运营不仅在于先进的硬件和软件，还依赖于高素质的管理和科研团队的协同配合。

在软件的购置和建设上，经过对省内多所高校的人工智能学院相关教学实践一体化系统的充分调研，基于该系统，制定了详细的建设规划，重点和要求兼顾经济性和先进性，力求建设一个高水平的在线教学与实验中心平台系统，并且该系统要具备持续的升级发展能力。在前期充分调研的基础上提出相关建设方案；邀请专家对方案进行全面的评估，直至得到充分合理的方案；通过购置合适的软件以及其他配套设施，建立具有特色和先进性的人工智能教学与实验、科研支撑系统。并积极组织教师按照规划建设验证系统的实用性与可靠性，确保平台建设的利用率。

在硬件的建设上，建设人工智能实验室，需要根据规划购置新的实验设备、教学平台。软件平台与硬件设施相结合，不仅能够满足实验实训教学的刚性需求，提升一线教师的教学热情和业务水平，促进相关课程的教学改革，而且对我校人工智能人才培养质量的提升具有重要意义。实验室建设满足可扩展、可兼容的需求，既不过度追求大而全，也不过度追求技术的先进性，以应对人工智能领域技术和应用不断发展革新的问题。

1） 明确实验室致力于人工智能的子领域和主要任务，是研究开发、教学培训、产学研合作还是其他。接着需要选择合适的硬件设备和软件工具，如GPU服务器、CPU服务器、存储设备、操作系统、开发工具、框架与库等，以满足研究需求和性能要求。

2） 聘请经验丰富的研究员、工程师和数据科学家，并建立访问学者和实习生项目，与高校和研究机构合作培养人才。

3） 确保有足够的办公区、会议室和实验区，设立专门的服务器室，并考虑良好的空调与电力供应。

4） 建立快速稳定的互联网连接和安全的内部网络，以保障数据安全和网络稳定。

5） 建立与企业、政府机构的合作关系，以获取实际问题和数据集，参与学术会议和研讨会，促进知识交流。

6） 制定预算，考虑设备购置、维护、升级以及人员薪酬等费用，并寻求外部资金支持。

7） 建立数据安全管理制度，遵守相关的法律法规和伦理准则。

8） 制定实验室管理规范和操作程序，并进行项目管理和成果评估。

3.2 高校人工智能实验室的管理方案

高校人工智能实验室的管理方案需要建立健全的组织结构和管理体系，包括明确的管理层级、职责分工以及科学的资源配置和效率评估。管理方案应确保实验室内部稳定运行，充分激发教师和研究人员的创造力和热情，同时促进合作交流，提高实验室整体创新水平[9]。实验室的管理方案如图3所示，应包括以下几个方面：

1） 建立清晰的组织结构，明确各级管理者的职责和权限，以促进科学决策和高效运作。

2） 建立健全的财务管理体系，确保经费使用合理透明，建立科学的成本控制机制，提高经费利用效率。

3） 建立科学的人才引进和培养机制，激励教师和研究人员的创新研究，提升实验室整体研究水平。

4） 合理配置实验室资源，鼓励资源共享，促进内部交流合作，提高资源利用效率。

5） 建立一套完善的知识产权管理机制，推动科研成果转化和产学研深度融合。

6） 建立健全的实验室安全管理制度，确保实验室内部安全稳定运行。

4 总结

新工科背景下的人工智能实验室建设和管理需要充分考虑人工智能技术的发展需求，满足学生的实践和教学需求，建立健全的管理体系，促进教学科研和产学研结合，培养高素质的人才。通过建设和管理方案的科学规划和有效实施，高校人工智能实验室将能更好地发挥其作用，推动人工智能技术在教育和科研领域的应用和发展。

参考文献：

[1] 郭雯雯，王婕. 农业工程专业实践教学探索[J]. 农业工程，2020，10（1）：82-85.

[2] 周任军，王文晶.浅谈新工科下的人工智能实验室建设的研究[J].山西电子技术，2020（2）：76-78.

[3] 沈明卫，吴晓琴，徐惠荣.应用型专业探究性实验深入开展的探索实践：以浙江大学农业工程专业为例[J].教育教学论坛，2021（3）：109-112.

[4] 刘洁，卫佳，梁秀英.普渡大学农业工程专业本科生创新与实践能力培养的借鉴与思考[J].农业工程，2021，11（3）：128-131.

[5] 刘洁怡，周佳社，王新怀，等.人工智能开放式实验室建设与管理探索[J].实验室研究与探索，2022，41（3）：252-255，265.

[6] 杨念，陈聪.浅谈高校人工智能实验室建设的研究[J].电子制作，2019（18）：67-68.

[7] 宋庆恒，莫林琳，张叶芳，等.地方本科院校人工智能实验室建设及实践教学探索[J].教育教学论坛，2022（20）：128-131.

[8] 王敏.国家示范高职“双师型” 教师队伍建设制度创新[D].长沙：湖南农业大学，2013.

[9] 苗永梅，郝婷，南貌.高职院校共享实验室建设探究[J].科技展望，2016，26（10）：350.

【通联编辑：光文玲】