開放式實驗室數字化智能化建設的研究

劉學平, 王亞杰, 尹 航

(1. 沈陽航空航天大學 工程訓練中心, 遼寧 沈陽 110136；2. 南京航空航天大學 自動化學院, 江蘇 南京 210016)

近二十年來,很多高校隨著招生人數的增加，擴大了學校的建設規模。實驗室[1-2]作為學校重要的實驗教學基地,在高校擴建規劃里都作為了重點擴建對象。當前,隨著人工智能時代的到來,作為面向學生開放的大型實驗室[3-4],在規模擴大的過程中,數字化和智能化的水平也需要進一步提高。以沈陽航空航天大學的教學實驗改革為例,工程訓練中心下屬的開放式實驗室也發生了巨大的變化,原來整個實驗室只有100多臺計算機,如今已經發展成為擁有900多臺計算機的大型開放式實驗教學基地,接待全校的教師和學生自由上機,為全校師生提供了一個開放的教學和科研工作學習平臺。

目前,實驗室每年接待的上機人時數超過了30萬,同時,還承擔了全國計算機等級考試、職稱計算機考試、學校大學計算機課程考試、學校各種程序語言類課程考試和學校各種軟件培訓等工作,這些工作涉及到很多具體的實施方法,如何能夠把這些工作做好、做得更合理，一直是實驗室建設的重點和出發點。數字化、智能化開放式實驗室[5-6]是在原有實驗室的基礎上,利用先進的計算機技術和人工智能技術等相關技術手段,將開放式實驗室更多的實驗資源實現數字化和智能化,最終能夠為全校師生提供一個數字化和智能化的開放式實驗室教學場所[7]。教師可以通過實驗室提供的數字化和智能化平臺,很好地完成教學和科研的相關工作；學生可以通過實驗室平臺提供的數字化和智能化資源更便捷、更高效地完成學習工作和創新項目。那么,如何通過當前的人工智能技術手段和現有的計算機軟硬件資源,建設一個現代化的開放式實驗室[8-10],從而提升開放式實驗室的服務水平,是當前開放式實驗室建設中需要重點解決的課題。本文分析了當前高等學校開放式實驗室的特點,通過沈陽航空航天大學實驗室的發展和建設情況,闡述了高校實驗室的數字化、智能化建設的一些設計理念和實施方案,具有一定的實際意義。

1 實驗室的開放性特點

開放式的實驗室有很多共性,通過對這些共性特點的分析和發掘來建設開放式實驗室是我們研究的重要出發點[11-12]。通過對我校開放式實驗室這些年建設經驗的研究,總結了開放式實驗室一些共性特點如下:

1.1 多種實驗形式

實驗室的開放性特點使得教師和學生可以擁有多種參與實驗形式。教師可以根據自己的科研和教學安排,設計自己的實驗形式,制定實驗安排,布置實驗內容。學生可以根據學習課程的安排,聯系自己實際情況,選擇各種參與實驗的形式,例如課內實驗、課外自由實驗、課外集體自由實驗等各種實驗的參與形式。正是多種參與實驗形式的存在,為教師和學生提供了充足的實驗資源,可以使實驗室設備得到充分利用,這也是開放式實驗室存在的重要意義。

1.2 多種實驗資源

實驗室為全校師生提供了多種多樣的實驗資源。根據教師和學生提出的需求,實驗室提供給師生各種硬件資源和軟件資源。根據科研和實際課程的安排,實驗室為教師的專業部門、學生的專業和年級提供不同的資源平臺。當教師和學生使用實驗室的資源時,只要根據相應的類別即可找到自己需要的相應實驗室資源,這是開放式實驗室提供的一項基本服務。

1.3 多種考試形式

當前,隨著實驗室規模的擴大,能夠承接各種考試的能力也越來越強。由于計算機考試具備無紙化優勢及答題方便、閱卷效率高等優點,很多考試都已經采用計算機進行,如全國計算機等級考試、各種職稱晉級考試、各種外語口語考試、各種專業課的考試等。如何能夠承接好這些考試,解決好這些考試出現的相關問題,像考試系統的安裝、多種考試同時進行、考試監考等問題,都是開放式實驗室需要解決的。

1.4 多種實驗參與人員

開放式實驗室是一個面向全校師生的實驗室。教師要分學院、分系別、分專業來安排實驗,教師一般要有課程號、職工號、姓名等不同的基本信息。學生要分學院、分系別、分專業、分年級、分班級來完成實驗,學生一般要有班號、學號、姓名等不同的基本信息。在實驗室里,往往這些復雜的數據資源有時需要統一使用,有時需要分門別類,有時又需要共享。為了解決實驗室數據出現的各種共享、缺失和冗余等問題,實驗室需要對復雜的人員數據做好統一規劃、統一設計和統一管理。

1.5 多種軟件同時使用

由于實驗室需要接待各種形式的實驗,每個實驗需要的軟件不同,這也就需要安裝各種各樣的軟件。例如,上機軟件系統、教師授課軟件系統、各種實驗軟件系統,各種考試軟件系統、各種培訓軟件和專業考試系統等,這些軟件需要在實驗室的各種實驗平臺上使用,給實驗室的軟件平臺環境提出了很高的要求。高校的實驗室需要提供一個好的多樣的軟件服務平臺,具備這樣的平臺才能更好地為教師和學生服務。現在,往往一個開放式實驗室具有軟件的多少也可以體現出這個實驗室的服務能力。

1.6 多種網絡的并存

實驗室為教師和學生提供服務往往需要在網絡環境下,由于開放式實驗室服務的復雜性,這就要求實驗室具備提供多種網絡的服務能力。實驗室需要一個主網絡,這樣可以在培訓和考試等服務中統一使用。實驗室也需要具備多個子網絡功能,在子網絡里便于實現各種不同的網絡管理功能,如在上網、授課和實驗等不同網絡環境下實現不同網絡功能。這些網絡設計在開放式實驗室里很復雜,但是都需要考慮。

1.7 多種服務器的提供

在實驗室里,由于各種資源的需要,對服務器的使用也就有了更高的要求。服務器需要提供各種共享的教學和科研資源,各種考試軟件、培訓軟件的發布,各種數據庫資源,各種資源的管理和數據的備份等。服務器的數量和提供服務性能的優劣是開放式實驗室開放能力的一個重要考量。

1.8 智能化的程度

當前,人工智能技術進入了快速發展階段,很多實驗室都在把人工智能的相關技術應用到實驗室建設中,特別是開放式實驗室的建設。開放式實驗室具有很多優勢,如實驗人員數量多、實驗室的利用率高、資源豐富、功能強大等。如何利用好這些優勢,把人工智能技術和開放式實驗室的優勢結合起來,更好地為教學科研服務,是當前很多高校實驗室積極努力建設的方向。

2 數字化建設

2.1 數字化網絡服務平臺建設

我們的開放式實驗室是國家級實驗教學示范中心下屬的一個實驗室。該實驗室現有900多臺計算機、5臺高性能服務器。根據開放式實驗室的特點,結合學校實驗室的實際情況,我們建立了一個多網絡服務資源共享的平臺。

針對當前實驗室網絡服務的需要,我們搭建了一個雙模式的服務提供平臺。通過客戶機/服務器模式的建設,完成了實驗室的開放管理和實驗教學等服務；通過瀏覽器/服務器模式的建設,完成了實驗室信息發布和網絡教學等服務。

我們采用了多服務器鏡像的服務模式。在服務器端,我們自己安裝了服務器母機,母機包括Microsoft Windows Server 2008 R2、Microsoft SQL Server 2008 R2等系統,并且配置了相應的網絡服務功能,如打印服務、資源共享服務、動態主機配置協議(DHCP)服務等。當需要一個這樣的服務器單獨作為實驗服務器的時候,我們只需要2 min的時間就可以鏡像一個服務器提供給教師使用。如果該服務器已經不再需要使用,我們僅僅需要幾秒鐘就可把它刪除掉。

我們搭建了一個服務器和客戶機共享資源的平臺。為了解決服務器硬盤存儲量不夠用的問題,在共享資源平臺下,服務器提供更多的是全校師生常用的、需求量大的數字化資源,客戶機提供了不常用的、需求量小的數字化資源。在這樣的平臺下,通過客戶機代替服務器為整個實驗室提供資源共享服務,有效地解決了服務器存儲空間不夠用的問題,為實驗室增加更多的共享資源提供了有效保障。整個數字化網絡服務平臺框架如圖1所示。

圖1 數字化網絡服務平臺架構

2.2 數字化軟件資源建設

實驗室的軟件資源是開放式實驗室提供的重要資源,我們實驗室充分利用當前實驗室的軟、硬件資源和網絡模式,在兩種不同模式下自主開發了多種實驗系統軟件。這些軟件的應用為實驗室的數字化資源建設打下了重要的基礎,依據這些軟件平臺開展了很多相關的實驗、培訓和考試,方便了教師的授課和學生的課程學習,提高了實驗室的工作效率。近些年實驗室開發使用的軟件詳細情況如表1所示。

表1 開放式實驗室軟件列表

通過對表1的實驗室自主開發軟件的使用情況做分析,獲取當前實驗室軟件資源建設情況,為實驗室以后的數字化軟件資源建設提供了參考依據。

3 智能化建設

開放式實驗室可充分利用人工智能技術提高實驗室的各方面技術水平。通過人工智能技術的應用提高了實驗室的管理水平,更加快了實驗室的工作效率,方便了教師授課,更人性化地實現了實驗教學的不同教學方法,為實驗室的未來發展打下了一個堅實的基礎。

3.1 智能化無人監考平臺建設

考試是學生學習效果的重要考核方法,通過十幾年的努力,我們基本上已經把考核方式從紙質卷子轉變成無紙化的考核方式,這一進步為我們節省了很多資源,也提高了教師出題、測試和閱卷的效率。但是,當前無紙化考試的監考方式還是采用人工方式。為了充分利用實驗室的計算機資源和人工智能技術,我們設計了智能化無人監考平臺,該平臺具體架構如圖2所示。

圖2 智能化無人監考平臺架構

無人監考平臺是在每臺計算機上安裝一個攝像頭,充分利用人臉識別技術,實現實時跟蹤考生考試狀態,查驗考生準考證和監督考試串座等違紀現象,并通過網絡實時將考場情況反饋給主控室。這樣主控室總監考人員就可以實時了解考生在考場的相關行為,同時也實現了無須證件自動驗證身份等無人監考模式。在考試過程中,學生也可以通過攝像頭的語音系統與總監考人員遠程交流,解答考生提出的問題。

3.2 智能化授課平臺建設

很多教師授課要通過多媒體技術來完成,PPT就是很多教師使用的重要教學手段。但是在講課過程中,對PPT的操作又會影響教學效果。對于這種情況,我們充分利用當前使用較多的Kinect設備,基于Kinect提取的骨架技術,充分利用了現有的比較成熟的人體動作識別技術,實現教師授課過程中無須手動翻頁,通過一個簡單動作就可以實現翻頁功能,使得教師上課更自然,授課效率更高效。

3.3 智能化學生上課管理平臺建設

近幾年,隨著人臉識別技術和Kinect技術的成熟發展,我們利用了現有的一些成熟技術,建立了一個智能化學生上課管理平臺。該平臺解決了教師上課點名、查看缺席學生浪費時間問題,快速提供了當前上課人數、遲到和早退等上課違紀情況。人臉識別技術和Kinect混合應用上課管理模式總體設計如圖3所示。

圖3 智能化學生上課管理平臺

3.4 智能化學生上課動態監測平臺建設

在3.1研究的基礎上,我們搭建了上課狀態下實現學生上課自動監控功能,如學生上課低頭看手機、說話、睡覺、早退等,系統會發出自動語音警告提示,屏幕界面會顯示警告內容。

3.5 智能化遠程值班平臺

基于Kinect和人臉識別技術,實現實驗室無人值班平臺,即學生的整個上機過程通過劃卡上機系統,學生進出實驗室有專門的監控,每臺計算機也有對應的監控,這些設備都保證了實驗室上機秩序。當出現問題時,學生可以通過自己的計算機或實驗室提供的固定計算機與遠程實驗管理人員直接視頻交流。

4 結語

通過在現有的開放式實驗室數字化和網絡化建設上的進一步研究,充分利用現有成熟的人工智能技術,提高實驗室在數字化和智能化上的建設水平,促進實驗室各方面工作的高效有序進行,提高實驗室為教師和學生的服務水平。