人工智能實驗室建設(shè)研究

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摘要:通過對新工科背景下，專業(yè)人才培養(yǎng)的方向和目標(biāo)的分析，結(jié)合目前的實驗教學(xué)效果和實驗室教學(xué)資源情況，探討構(gòu)建人工智能方向的科學(xué)研究和實踐教學(xué)相結(jié)合的實驗體系，以硬件平臺資源為基底，以人工智能復(fù)合型實驗室為載體，以培養(yǎng)跨界復(fù)合型人才為目標(biāo)。同時人工智能實驗室的構(gòu)建也體現(xiàn)在實驗室的建設(shè)和管理中，為其提供技術(shù)上的支持。

關(guān)鍵詞:人才培養(yǎng);實驗室;人工智能復(fù)合型

引言

為了適應(yīng)應(yīng)用型本科院校在新工科背景下的發(fā)展，我院對人工智能實驗室的建設(shè)正在規(guī)劃部署中。人工智能實驗室依托計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，學(xué)院投入大量人力和物力，建設(shè)新工科下的人工智能方向的實踐教學(xué)和科學(xué)研究相結(jié)合的實驗體系［1］。本科院校的教育也同當(dāng)前國家經(jīng)濟的發(fā)展緊密結(jié)合，包括教育的內(nèi)容、形式、教育方式等。應(yīng)用型本科院校以學(xué)生為主體，注重培養(yǎng)學(xué)生的能力、提高學(xué)生全面發(fā)展，以適應(yīng)經(jīng)濟的發(fā)展趨勢［2］。本實驗室為數(shù)字化、智能化的開放式實驗室，引進(jìn)先進(jìn)的計算機技術(shù)和人工智能技術(shù)等相關(guān)技術(shù)，實驗資源將開放式，為學(xué)生提供一個數(shù)字化和智能化的開放式實驗室平臺［3］。教師和學(xué)生可以通過此實驗室完成教學(xué)任務(wù)以及科研探討。如何通過當(dāng)前的人工智能技術(shù)和計算機硬件資源，構(gòu)建一個開放式的人工智能實驗室，是當(dāng)前實驗室構(gòu)建中遇到的最重要的問題［4］。通過調(diào)研本院實驗室的建設(shè)和發(fā)展情況，提出應(yīng)用型高校建設(shè)人工智能實驗室的設(shè)計規(guī)劃和實施方案，具有一定的參考價值［5］。

1實驗室現(xiàn)狀分析

面對新工科人工智能方面人才的急切需求，如何能培養(yǎng)出具有地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的新工科人才是本專業(yè)建設(shè)中的最重要的問題［6］。應(yīng)用型本科院校要將專業(yè)特色同地方經(jīng)濟結(jié)合，培養(yǎng)適應(yīng)新工科下的復(fù)合型寬口徑專業(yè)人才。通過產(chǎn)教融合、實踐教學(xué)，有效推進(jìn)人才培養(yǎng)質(zhì)量。目前人工智能相關(guān)課程的實驗實訓(xùn)多數(shù)通過軟件模擬仿真，缺少大量的行業(yè)數(shù)據(jù)或者案例，不能達(dá)到很好的教學(xué)效果。學(xué)生無法理解抽象的數(shù)據(jù)背后的原理和應(yīng)用，更無法學(xué)以致用。我校現(xiàn)有的實驗實訓(xùn)教學(xué)資源都是陳舊的硬件設(shè)備，基本不能適應(yīng)人工智能相關(guān)課程的需求和技術(shù)的發(fā)展，所以建設(shè)人工智能實驗室迫在眉睫［7］。本專業(yè)課程開設(shè)了人工智能、智能信息處理、機器學(xué)習(xí)等課程，《人工智能》是人工智能相關(guān)課程的理論知識課程;《智能信息處理》是人工智能應(yīng)用方面的課程;《機器學(xué)習(xí)》是一門多領(lǐng)域交叉學(xué)科，涉及概率論、統(tǒng)計學(xué)、逼近論、凸分析、算法復(fù)雜度理論等多門學(xué)科。人工智能的應(yīng)用領(lǐng)域有機器視覺、語音識別、自然語言處理、圖片分類等。目前人工智能的相關(guān)實驗課均在機房教學(xué)，使用的教學(xué)設(shè)備均為臺式計算機，軟件平臺為常用的教學(xué)軟件。

2人工智能實驗室建設(shè)方案

實驗室建設(shè)在布局和規(guī)劃過程中，一定要定位在本專業(yè)的人才培養(yǎng)方案上，根據(jù)人才培養(yǎng)的目標(biāo)，瞄準(zhǔn)新工科下當(dāng)?shù)亟?jīng)濟和科學(xué)發(fā)展的前沿問題，方可有規(guī)模、有計劃、有目標(biāo)的建設(shè)。根據(jù)人工智能相關(guān)課程的人才培養(yǎng)方案，結(jié)合人工智能相關(guān)課程的實驗環(huán)境需要，規(guī)劃出集課程內(nèi)容、實踐教學(xué)案例、實驗教學(xué)環(huán)境一體的人工智能實驗室，涉及到實驗室的硬件資源、實驗教學(xué)資源、實驗軟件平臺等［8］。

2．1人才培養(yǎng)方案

該平臺從實踐教學(xué)和科學(xué)研究兩個方面進(jìn)行建設(shè)，通過該平臺，學(xué)生在新工科的人才培養(yǎng)體系中具有了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的能力。目前已開設(shè)的《計算智能實訓(xùn)》、《智能信息處理實訓(xùn)》課程，由于實驗資源的陳舊，實驗的綜合性、創(chuàng)新性、實踐性相對薄弱，缺乏理論聯(lián)系實際的案例訓(xùn)練，導(dǎo)致在培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用人工智能理論知識來解決實際問題的應(yīng)用能力比較欠缺。對此，2019版計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)方案中提出本專業(yè)針對國家“實施大數(shù)據(jù)發(fā)展行動，加強新一代人工智能研發(fā)應(yīng)用”發(fā)展戰(zhàn)略和山西數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃對計算機科學(xué)與技術(shù)人才的需求，培養(yǎng)具備自然科學(xué)知識、人文綜合知識和計算機科學(xué)理論，掌握計算機軟件硬件系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計、應(yīng)用開發(fā)、運營維護的方法和技術(shù)，接受大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能的基礎(chǔ)訓(xùn)練，具有工程實踐、組織管理與知識創(chuàng)新能力的應(yīng)用型技術(shù)人才［9］。實踐教學(xué)建立以課程實驗教學(xué)為基礎(chǔ)，課程設(shè)計、綜合實驗、實驗項目開發(fā)和專業(yè)實習(xí)為補充，畢業(yè)設(shè)計為重點，競賽為引導(dǎo)的多層次實踐教學(xué)內(nèi)容體系，如圖1所示。該體系將理論知識與實踐應(yīng)用很好的結(jié)合，有效提高學(xué)生的興趣和應(yīng)用能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。從而專業(yè)知識、創(chuàng)新能力得到不斷的提高。該體系中的平臺建設(shè)包括學(xué)科平臺、專業(yè)平臺和通識平臺。人工智能實驗室建設(shè)就是專業(yè)平臺的建設(shè)。

2．2硬件資源

我校欲構(gòu)建“大數(shù)據(jù)與智能計算”實驗平臺，該平臺包括大數(shù)據(jù)和計算智能的相關(guān)課程，包括理論知識驗證、科研開發(fā)、提供大量的數(shù)據(jù)集和軟件系統(tǒng)，為地方經(jīng)濟發(fā)展助力。實驗實訓(xùn)平臺包括三層，分別是基礎(chǔ)層、服務(wù)層、交互層?；A(chǔ)層使用虛擬化技術(shù)管理;交互層為用戶提供友好界面;服務(wù)層為用戶交互接口。交互層客戶端可直接在平臺操作，無需配置繁瑣的本地環(huán)境，隨時隨地在線流暢使用［10］。交互層支撐所有人工智能和大數(shù)據(jù)相關(guān)的專業(yè)課程的教學(xué)與實踐，統(tǒng)一管理在線資源。例如課程管理、各科目考試題目、在線答疑、教學(xué)視頻播放等功能，同時具有代碼批判功能。該平臺為人工智能以及大數(shù)據(jù)等相關(guān)課程的學(xué)習(xí)提供專業(yè)學(xué)習(xí)模塊，包括實驗課程、實訓(xùn)課程、實訓(xùn)項目、實訓(xùn)開發(fā)等內(nèi)容。資源庫為學(xué)生和教師提供了實驗的資源和軟件平臺。為了更好的培養(yǎng)專業(yè)人才，資源庫建設(shè)的目標(biāo)就是形成“大數(shù)據(jù)與智能計算”能力的標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)體系。人工智能實驗資源有實驗指導(dǎo)書、源代碼、數(shù)據(jù)集、硬件資源、軟件平臺等。人工智能和大數(shù)據(jù)相關(guān)的課程有人工智能基礎(chǔ)、Python、智能計算、數(shù)據(jù)挖掘等。實訓(xùn)環(huán)節(jié)可設(shè)置一些圖像識別、貝葉斯分類數(shù)據(jù)、專家診斷系統(tǒng)等，可以結(jié)合企業(yè)或者專業(yè)領(lǐng)域的資源或者數(shù)據(jù)集，設(shè)置實訓(xùn)環(huán)節(jié)。通過人工智能實驗室建設(shè)提供的平臺，學(xué)生可以在整個培養(yǎng)階段學(xué)習(xí)項目實踐、數(shù)據(jù)分析、提高創(chuàng)新、學(xué)習(xí)的能力。

2．3方案特色

一門課僅需一臺服務(wù)器。基于虛擬機多用戶共享，和CPU/GPU計算資源的動態(tài)調(diào)度技術(shù)，極大節(jié)約計算資源，一臺服務(wù)器支撐300人同時在線實驗。軟件平臺與硬件耦合，并且可以獨立建設(shè)、獨立維護和更新?lián)Q代;平臺對專業(yè)課全面覆蓋，可支持人工智能課程體系內(nèi)所有課程的教學(xué)與實驗;輕松自檢教學(xué)和實驗資源，拋棄傳統(tǒng)的教學(xué)與實驗資源固化;試驗環(huán)境基于B/S模式，覆蓋人工智能通識課程。人工智能實驗室建設(shè)，是應(yīng)用型高校實驗室建設(shè)的趨勢。人工智能實驗室根據(jù)本專業(yè)人才培養(yǎng)的目標(biāo)需要而設(shè)定，能夠解決傳統(tǒng)實驗室的弊端，實現(xiàn)實驗室的智能化、數(shù)字化、有序化，并且為專業(yè)人才的培養(yǎng)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

3人工智能技術(shù)在實驗室管理中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的實驗室管理，環(huán)境完全靠管理員人為控制和調(diào)節(jié)，實驗室對環(huán)境的要求比較高，可通過人工智能技術(shù)實現(xiàn)實驗室溫度、濕度智能控制，從而對設(shè)備的損害降低，延長實驗儀器和設(shè)備的使用周期。系統(tǒng)采集實驗室各項參數(shù)信息通過互聯(lián)網(wǎng)更新到實驗室網(wǎng)絡(luò)平臺上，通過云計算，利用人工智能技術(shù)對智能終端的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對各個信息通道的實際傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘。例如實驗室的窗戶、電源、通風(fēng)口等部位，一旦有數(shù)據(jù)異常，就會對實驗室的安全造成威脅。因此，可利用人工智能技術(shù)將錄像機嵌入顯示設(shè)備，提高聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控功能。從而更加靈活、直觀管理實驗室。同時可以裝置感煙探測器，一旦有煙霧濃度達(dá)到設(shè)定值，系統(tǒng)自動控制并提醒，保證實驗室的安全。實驗室的考勤登記信息，可以通過電子眼攝像頭識別進(jìn)出人的面部信息和數(shù)據(jù)庫中信息對比，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和管理，方便人員管理。如果采集到的面部數(shù)據(jù)為實驗室管理人員，則有相應(yīng)的自動識別功能，例如:“開電源、關(guān)電源”。利用人工智能技術(shù)實現(xiàn)智能配電。當(dāng)發(fā)電不足或者斷電情況下，利用太陽能，系統(tǒng)會智能識別，自動切換為正常電壓，從而不影響正常的教學(xué)工作。

4結(jié)語

人工智能實驗室的建設(shè)，不僅滿足了學(xué)生在人工智能、機器學(xué)習(xí)、智能計算等專業(yè)課上的實訓(xùn)教學(xué)，同時也為教師提供了科學(xué)研究的平臺，是學(xué)生和教師共用的復(fù)合型實驗室。人工智能實驗室的建設(shè)不僅可以應(yīng)用到教學(xué)和科研管理中，同時可以將人工智能技術(shù)應(yīng)用于實驗的安全管理中，將實驗室設(shè)備與管理實現(xiàn)自動化和智能化，為實驗室建設(shè)和日常的管理工作提供了技術(shù)上的支持。

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作者：周任軍 王文晶 單位：山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院信息學(xué)院