劉學(xué)平, 王亞杰, 尹 航

(1. 沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 工程訓(xùn)練中心, 遼寧 沈陽(yáng) 110136；2. 南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院, 江蘇 南京 210016)

近二十年來(lái),很多高校隨著招生人數(shù)的增加，擴(kuò)大了學(xué)校的建設(shè)規(guī)模。實(shí)驗(yàn)室[1-2]作為學(xué)校重要的實(shí)驗(yàn)教學(xué)基地,在高校擴(kuò)建規(guī)劃里都作為了重點(diǎn)擴(kuò)建對(duì)象。當(dāng)前,隨著人工智能時(shí)代的到來(lái),作為面向?qū)W生開(kāi)放的大型實(shí)驗(yàn)室[3-4],在規(guī)模擴(kuò)大的過(guò)程中,數(shù)字化和智能化的水平也需要進(jìn)一步提高。以沈陽(yáng)航空航天大學(xué)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)改革為例,工程訓(xùn)練中心下屬的開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室也發(fā)生了巨大的變化,原來(lái)整個(gè)實(shí)驗(yàn)室只有100多臺(tái)計(jì)算機(jī),如今已經(jīng)發(fā)展成為擁有900多臺(tái)計(jì)算機(jī)的大型開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)基地,接待全校的教師和學(xué)生自由上機(jī),為全校師生提供了一個(gè)開(kāi)放的教學(xué)和科研工作學(xué)習(xí)平臺(tái)。

目前,實(shí)驗(yàn)室每年接待的上機(jī)人時(shí)數(shù)超過(guò)了30萬(wàn),同時(shí),還承擔(dān)了全國(guó)計(jì)算機(jī)等級(jí)考試、職稱(chēng)計(jì)算機(jī)考試、學(xué)校大學(xué)計(jì)算機(jī)課程考試、學(xué)校各種程序語(yǔ)言類(lèi)課程考試和學(xué)校各種軟件培訓(xùn)等工作,這些工作涉及到很多具體的實(shí)施方法,如何能夠把這些工作做好、做得更合理，一直是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的重點(diǎn)和出發(fā)點(diǎn)。數(shù)字化、智能化開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室[5-6]是在原有實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)上,利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)等相關(guān)技術(shù)手段,將開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室更多的實(shí)驗(yàn)資源實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和智能化,最終能夠?yàn)槿熒峁┮粋€(gè)數(shù)字化和智能化的開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室教學(xué)場(chǎng)所[7]。教師可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)室提供的數(shù)字化和智能化平臺(tái),很好地完成教學(xué)和科研的相關(guān)工作；學(xué)生可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)提供的數(shù)字化和智能化資源更便捷、更高效地完成學(xué)習(xí)工作和創(chuàng)新項(xiàng)目。那么,如何通過(guò)當(dāng)前的人工智能技術(shù)手段和現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)軟硬件資源,建設(shè)一個(gè)現(xiàn)代化的開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室[8-10],從而提升開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室的服務(wù)水平,是當(dāng)前開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中需要重點(diǎn)解決的課題。本文分析了當(dāng)前高等學(xué)校開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn),通過(guò)沈陽(yáng)航空航天大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展和建設(shè)情況,闡述了高校實(shí)驗(yàn)室的數(shù)字化、智能化建設(shè)的一些設(shè)計(jì)理念和實(shí)施方案,具有一定的實(shí)際意義。

1 實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放性特點(diǎn)

開(kāi)放式的實(shí)驗(yàn)室有很多共性,通過(guò)對(duì)這些共性特點(diǎn)的分析和發(fā)掘來(lái)建設(shè)開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室是我們研究的重要出發(fā)點(diǎn)[11-12]。通過(guò)對(duì)我校開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室這些年建設(shè)經(jīng)驗(yàn)的研究,總結(jié)了開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室一些共性特點(diǎn)如下:

1.1 多種實(shí)驗(yàn)形式

實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放性特點(diǎn)使得教師和學(xué)生可以擁有多種參與實(shí)驗(yàn)形式。教師可以根據(jù)自己的科研和教學(xué)安排,設(shè)計(jì)自己的實(shí)驗(yàn)形式,制定實(shí)驗(yàn)安排,布置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。學(xué)生可以根據(jù)學(xué)習(xí)課程的安排,聯(lián)系自己實(shí)際情況,選擇各種參與實(shí)驗(yàn)的形式,例如課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、課外自由實(shí)驗(yàn)、課外集體自由實(shí)驗(yàn)等各種實(shí)驗(yàn)的參與形式。正是多種參與實(shí)驗(yàn)形式的存在,為教師和學(xué)生提供了充足的實(shí)驗(yàn)資源,可以使實(shí)驗(yàn)室設(shè)備得到充分利用,這也是開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室存在的重要意義。

1.2 多種實(shí)驗(yàn)資源

實(shí)驗(yàn)室為全校師生提供了多種多樣的實(shí)驗(yàn)資源。根據(jù)教師和學(xué)生提出的需求,實(shí)驗(yàn)室提供給師生各種硬件資源和軟件資源。根據(jù)科研和實(shí)際課程的安排,實(shí)驗(yàn)室為教師的專(zhuān)業(yè)部門(mén)、學(xué)生的專(zhuān)業(yè)和年級(jí)提供不同的資源平臺(tái)。當(dāng)教師和學(xué)生使用實(shí)驗(yàn)室的資源時(shí),只要根據(jù)相應(yīng)的類(lèi)別即可找到自己需要的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)室資源,這是開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室提供的一項(xiàng)基本服務(wù)。

1.3 多種考試形式

當(dāng)前,隨著實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的擴(kuò)大,能夠承接各種考試的能力也越來(lái)越強(qiáng)。由于計(jì)算機(jī)考試具備無(wú)紙化優(yōu)勢(shì)及答題方便、閱卷效率高等優(yōu)點(diǎn),很多考試都已經(jīng)采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行,如全國(guó)計(jì)算機(jī)等級(jí)考試、各種職稱(chēng)晉級(jí)考試、各種外語(yǔ)口語(yǔ)考試、各種專(zhuān)業(yè)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(xiàn)的相關(guān)問(wèn)題,像考試系統(tǒng)的安裝、多種考試同時(shí)進(jìn)行、考試監(jiān)考等問(wèn)題,都是開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室需要解決的。

1.4 多種實(shí)驗(yàn)參與人員

開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)面向全校師生的實(shí)驗(yàn)室。教師要分學(xué)院、分系別、分專(zhuān)業(yè)來(lái)安排實(shí)驗(yàn),教師一般要有課程號(hào)、職工號(hào)、姓名等不同的基本信息。學(xué)生要分學(xué)院、分系別、分專(zhuān)業(yè)、分年級(jí)、分班級(jí)來(lái)完成實(shí)驗(yàn),學(xué)生一般要有班號(hào)、學(xué)號(hào)、姓名等不同的基本信息。在實(shí)驗(yàn)室里,往往這些復(fù)雜的數(shù)據(jù)資源有時(shí)需要統(tǒng)一使用,有時(shí)需要分門(mén)別類(lèi),有時(shí)又需要共享。為了解決實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)出現(xiàn)的各種共享、缺失和冗余等問(wèn)題,實(shí)驗(yàn)室需要對(duì)復(fù)雜的人員數(shù)據(jù)做好統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一設(shè)計(jì)和統(tǒng)一管理。

1.5 多種軟件同時(shí)使用

由于實(shí)驗(yàn)室需要接待各種形式的實(shí)驗(yàn),每個(gè)實(shí)驗(yàn)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(jī)軟件系統(tǒng)、教師授課軟件系統(tǒng)、各種實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng),各種考試軟件系統(tǒng)、各種培訓(xùn)軟件和專(zhuān)業(yè)考試系統(tǒng)等,這些軟件需要在實(shí)驗(yàn)室的各種實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上使用,給實(shí)驗(yàn)室的軟件平臺(tái)環(huán)境提出了很高的要求。高校的實(shí)驗(yàn)室需要提供一個(gè)好的多樣的軟件服務(wù)平臺(tái),具備這樣的平臺(tái)才能更好地為教師和學(xué)生服務(wù)。現(xiàn)在,往往一個(gè)開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室具有軟件的多少也可以體現(xiàn)出這個(gè)實(shí)驗(yàn)室的服務(wù)能力。

1.6 多種網(wǎng)絡(luò)的并存

實(shí)驗(yàn)室為教師和學(xué)生提供服務(wù)往往需要在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,由于開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室服務(wù)的復(fù)雜性,這就要求實(shí)驗(yàn)室具備提供多種網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)能力。實(shí)驗(yàn)室需要一個(gè)主網(wǎng)絡(luò),這樣可以在培訓(xùn)和考試等服務(wù)中統(tǒng)一使用。實(shí)驗(yàn)室也需要具備多個(gè)子網(wǎng)絡(luò)功能,在子網(wǎng)絡(luò)里便于實(shí)現(xiàn)各種不同的網(wǎng)絡(luò)管理功能,如在上網(wǎng)、授課和實(shí)驗(yàn)等不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)功能。這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)在開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室里很復(fù)雜,但是都需要考慮。

1.7 多種服務(wù)器的提供

在實(shí)驗(yàn)室里,由于各種資源的需要,對(duì)服務(wù)器的使用也就有了更高的要求。服務(wù)器需要提供各種共享的教學(xué)和科研資源,各種考試軟件、培訓(xùn)軟件的發(fā)布,各種數(shù)據(jù)庫(kù)資源,各種資源的管理和數(shù)據(jù)的備份等。服務(wù)器的數(shù)量和提供服務(wù)性能的優(yōu)劣是開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放能力的一個(gè)重要考量。

1.8 智能化的程度

當(dāng)前,人工智能技術(shù)進(jìn)入了快速發(fā)展階段,很多實(shí)驗(yàn)室都在把人工智能的相關(guān)技術(shù)應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中,特別是開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)。開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室具有很多優(yōu)勢(shì),如實(shí)驗(yàn)人員數(shù)量多、實(shí)驗(yàn)室的利用率高、資源豐富、功能強(qiáng)大等。如何利用好這些優(yōu)勢(shì),把人工智能技術(shù)和開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái),更好地為教學(xué)科研服務(wù),是當(dāng)前很多高校實(shí)驗(yàn)室積極努力建設(shè)的方向。

2 數(shù)字化建設(shè)

2.1 數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)建設(shè)

我們的開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室是國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心下屬的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有900多臺(tái)計(jì)算機(jī)、5臺(tái)高性能服務(wù)器。根據(jù)開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn),結(jié)合學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況,我們建立了一個(gè)多網(wǎng)絡(luò)服務(wù)資源共享的平臺(tái)。

針對(duì)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的需要,我們搭建了一個(gè)雙模式的服務(wù)提供平臺(tái)。通過(guò)客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器模式的建設(shè),完成了實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放管理和實(shí)驗(yàn)教學(xué)等服務(wù)；通過(guò)瀏覽器/服務(wù)器模式的建設(shè),完成了實(shí)驗(yàn)室信息發(fā)布和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)等服務(wù)。

我們采用了多服務(wù)器鏡像的服務(wù)模式。在服務(wù)器端,我們自己安裝了服務(wù)器母機(jī),母機(jī)包括Microsoft Windows Server 2008 R2、Microsoft SQL Server 2008 R2等系統(tǒng),并且配置了相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能,如打印服務(wù)、資源共享服務(wù)、動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議(DHCP)服務(wù)等。當(dāng)需要一個(gè)這樣的服務(wù)器單獨(dú)作為實(shí)驗(yàn)服務(wù)器的時(shí)候,我們只需要2 min的時(shí)間就可以鏡像一個(gè)服務(wù)器提供給教師使用。如果該服務(wù)器已經(jīng)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(gè)服務(wù)器和客戶(hù)機(jī)共享資源的平臺(tái)。為了解決服務(wù)器硬盤(pán)存儲(chǔ)量不夠用的問(wèn)題,在共享資源平臺(tái)下,服務(wù)器提供更多的是全校師生常用的、需求量大的數(shù)字化資源,客戶(hù)機(jī)提供了不常用的、需求量小的數(shù)字化資源。在這樣的平臺(tái)下,通過(guò)客戶(hù)機(jī)代替服務(wù)器為整個(gè)實(shí)驗(yàn)室提供資源共享服務(wù),有效地解決了服務(wù)器存儲(chǔ)空間不夠用的問(wèn)題,為實(shí)驗(yàn)室增加更多的共享資源提供了有效保障。整個(gè)數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)框架如圖1所示。

圖1 數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)

2.2 數(shù)字化軟件資源建設(shè)

實(shí)驗(yàn)室的軟件資源是開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室提供的重要資源,我們實(shí)驗(yàn)室充分利用當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室的軟、硬件資源和網(wǎng)絡(luò)模式,在兩種不同模式下自主開(kāi)發(fā)了多種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件。這些軟件的應(yīng)用為實(shí)驗(yàn)室的數(shù)字化資源建設(shè)打下了重要的基礎(chǔ),依據(jù)這些軟件平臺(tái)開(kāi)展了很多相關(guān)的實(shí)驗(yàn)、培訓(xùn)和考試,方便了教師的授課和學(xué)生的課程學(xué)習(xí),提高了實(shí)驗(yàn)室的工作效率。近些年實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)使用的軟件詳細(xì)情況如表1所示。

表1 開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室軟件列表

通過(guò)對(duì)表1的實(shí)驗(yàn)室自主開(kāi)發(fā)軟件的使用情況做分析,獲取當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室軟件資源建設(shè)情況,為實(shí)驗(yàn)室以后的數(shù)字化軟件資源建設(shè)提供了參考依據(jù)。

3 智能化建設(shè)

開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室可充分利用人工智能技術(shù)提高實(shí)驗(yàn)室的各方面技術(shù)水平。通過(guò)人工智能技術(shù)的應(yīng)用提高了實(shí)驗(yàn)室的管理水平,更加快了實(shí)驗(yàn)室的工作效率,方便了教師授課,更人性化地實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不同教學(xué)方法,為實(shí)驗(yàn)室的未來(lái)發(fā)展打下了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.1 智能化無(wú)人監(jiān)考平臺(tái)建設(shè)

考試是學(xué)生學(xué)習(xí)效果的重要考核方法,通過(guò)十幾年的努力,我們基本上已經(jīng)把考核方式從紙質(zhì)卷子轉(zhuǎn)變成無(wú)紙化的考核方式,這一進(jìn)步為我們節(jié)省了很多資源,也提高了教師出題、測(cè)試和閱卷的效率。但是,當(dāng)前無(wú)紙化考試的監(jiān)考方式還是采用人工方式。為了充分利用實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)資源和人工智能技術(shù),我們?cè)O(shè)計(jì)了智能化無(wú)人監(jiān)考平臺(tái),該平臺(tái)具體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能化無(wú)人監(jiān)考平臺(tái)架構(gòu)

無(wú)人監(jiān)考平臺(tái)是在每臺(tái)計(jì)算機(jī)上安裝一個(gè)攝像頭,充分利用人臉識(shí)別技術(shù),實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤考生考試狀態(tài),查驗(yàn)考生準(zhǔn)考證和監(jiān)督考試串座等違紀(jì)現(xiàn)象,并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)將考場(chǎng)情況反饋給主控室。這樣主控室總監(jiān)考人員就可以實(shí)時(shí)了解考生在考場(chǎng)的相關(guān)行為,同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了無(wú)須證件自動(dòng)驗(yàn)證身份等無(wú)人監(jiān)考模式。在考試過(guò)程中,學(xué)生也可以通過(guò)攝像頭的語(yǔ)音系統(tǒng)與總監(jiān)考人員遠(yuǎn)程交流,解答考生提出的問(wèn)題。

3.2 智能化授課平臺(tái)建設(shè)

很多教師授課要通過(guò)多媒體技術(shù)來(lái)完成,PPT就是很多教師使用的重要教學(xué)手段。但是在講課過(guò)程中,對(duì)PPT的操作又會(huì)影響教學(xué)效果。對(duì)于這種情況,我們充分利用當(dāng)前使用較多的Kinect設(shè)備,基于Kinect提取的骨架技術(shù),充分利用了現(xiàn)有的比較成熟的人體動(dòng)作識(shí)別技術(shù),實(shí)現(xiàn)教師授課過(guò)程中無(wú)須手動(dòng)翻頁(yè),通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單動(dòng)作就可以實(shí)現(xiàn)翻頁(yè)功能,使得教師上課更自然,授課效率更高效。

3.3 智能化學(xué)生上課管理平臺(tái)建設(shè)

近幾年,隨著人臉識(shí)別技術(shù)和Kinect技術(shù)的成熟發(fā)展,我們利用了現(xiàn)有的一些成熟技術(shù),建立了一個(gè)智能化學(xué)生上課管理平臺(tái)。該平臺(tái)解決了教師上課點(diǎn)名、查看缺席學(xué)生浪費(fèi)時(shí)間問(wèn)題,快速提供了當(dāng)前上課人數(shù)、遲到和早退等上課違紀(jì)情況。人臉識(shí)別技術(shù)和Kinect混合應(yīng)用上課管理模式總體設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 智能化學(xué)生上課管理平臺(tái)

3.4 智能化學(xué)生上課動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)建設(shè)

在3.1研究的基礎(chǔ)上,我們搭建了上課狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)學(xué)生上課自動(dòng)監(jiān)控功能,如學(xué)生上課低頭看手機(jī)、說(shuō)話(huà)、睡覺(jué)、早退等,系統(tǒng)會(huì)發(fā)出自動(dòng)語(yǔ)音警告提示,屏幕界面會(huì)顯示警告內(nèi)容。

3.5 智能化遠(yuǎn)程值班平臺(tái)

基于Kinect和人臉識(shí)別技術(shù),實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室無(wú)人值班平臺(tái),即學(xué)生的整個(gè)上機(jī)過(guò)程通過(guò)劃卡上機(jī)系統(tǒng),學(xué)生進(jìn)出實(shí)驗(yàn)室有專(zhuān)門(mén)的監(jiān)控,每臺(tái)計(jì)算機(jī)也有對(duì)應(yīng)的監(jiān)控,這些設(shè)備都保證了實(shí)驗(yàn)室上機(jī)秩序。當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí),學(xué)生可以通過(guò)自己的計(jì)算機(jī)或?qū)嶒?yàn)室提供的固定計(jì)算機(jī)與遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)管理人員直接視頻交流。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在現(xiàn)有的開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)上的進(jìn)一步研究,充分利用現(xiàn)有成熟的人工智能技術(shù),提高實(shí)驗(yàn)室在數(shù)字化和智能化上的建設(shè)水平,促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室各方面工作的高效有序進(jìn)行,提高實(shí)驗(yàn)室為教師和學(xué)生的服務(wù)水平。