人工智能开放式实验室建设与管理探索

刘洁怡， 周佳社， 王新怀， 徐 茵， 许 辉， 吴 洁

(西安电子科技大学 电子工程学院， 西安 710071)

0 引 言

中国教育正迈向4.0时代，新时期下新工科教育的重要任务就是培养拥有活跃思维、具有创新精神、具备综合实践能力的创新性人才[1]。其中培养创新能力和综合实践能力的本质就是鼓励学生多动手实践，只有动手的过程才能促进大学教育中综合能力的协调发展[2]。因此，实验教学作为培养学生动手能力、实践能力和创新能力的有效载体，在工科教学体系中占据重要地位，现有的实验教学模式能较好地对大多数学生完成实践教育。但由于缺乏实验场地、固定的实验时间、单一的课程安排等多方面因素制约，现有统一的实验教学方式在学生核心素养、个性化、自主化、分层次教学上存在明显不足，已无法满足应用型、综合型拔尖创新人才培养的要求。近年来，尽管各高校纷纷对开放实验教学模式建设进行积极探索，通过全面开放实验室、线上线下视频指导、虚拟仿真实验等教学模式弥补现有不足，但依旧将学生和教师从时间、空间割裂开来，无法有针对性察觉学生实验过程的问题，无法形成能普及推广的实验教学机制[3]。

人工智能(Artificial Intelligence，AI)经过60多年的演进已成为当前社会的研究热点。在互联网、脑科学、大数据、传感网、超级计算等领域发展需求的驱动下，人工智能技术高速演变，呈现出人机协同、群智开放、深度学习、跨界融合、自主操控等新特征[4]。同时，受脑科学研究成果启发的类脑智能蓄势待发，在大数据驱动知识学习、跨媒体协同处理、人机协同增强智能、群体集成智能、自主智能系统等多个方向均发展进入研发新阶段。国务院印发的《新一代人工智能发展规划》明确指出，人工智能成为国际竞争的新焦点[5-6]。

将人工智能与实验室建设相融合，构建智能化的开放性实验室成为实验教育发展的未来方向[7-9]。将AI引入教学各环节，向课前、课中、课后各环节渗透，实现智能辅助AI 算法和教育的协同配合系统。通过实验平台建设与教学方法的重塑与再造，建设“AI实验系统”，进一步提升学校实验室信息化水平，从而实现学生学习方法的转变，提升学生自主实验能力与创新能力，是摆在教育者面前的头等大事[10-11]。

本文通过AI的授课模式，以专业基础课程模拟电子技术实验为典型课程，梳理模拟电子技术及其实验知识图谱，建立知识模型，以新型全开放性实验室环境为支撑，以智慧设备为依托，利用现代智能技术实现物理空间与网络虚拟空间的融合，有效缓解实验课程教师匮乏、学生时间难以安排等教学瓶颈，从而增强实践能力的培养效果，提升学生工程应用素质。

1 传统实验室管理的不足及思考

大多数高校已经充分认识到实验教学是整个本科教学体系的重要部分，尤其针对工科学生，实验能够提高学生自身科学研发能力、增强动手能力，锻炼自主学习意识。但是现有教学模式依旧受到传统“重理论、轻实践”思想的影响，且实验教学过程需要投入更多人力、物力和财力，学生的能力提升也需要一个较长的培养过程，所以实验教学的发展较为缓慢，难以充分激发学生的专业知识理解和动手能力提升。因此，针对现有实验教学环境，面临两个较为突出的教学思考：

(1) 学生学习课程多，实验课时间很难保障。如何建设人工智能教育实验环境、平台及资源，真正把时间还给学生，让学生根据自己的时间自由安排实验，正确引导学生自主学习，提高动手能力。有效缓解学生实验课程时间难以安排的实际问题，从而提高实践培养效果，提升学生工程素质。

(2) 高校实验教师任务繁重。由于教师长期从事重复的、单调的、规范的工作，降低了教师的工作热情，耽误了新实验的开发研制。如何利用人工智能替代教师日常工作中的重复工作，缓解教师各项工作的压力，使教师能够处理以前无法处理的复杂事项，对学生提供有针对性、精准的支持，使得传授知识效率大幅度提升，有效解决实验教师匮乏的教学瓶颈。

2 智慧实验室建设内容

针对以上问题，学校建设AI+模电实验新平台，开发课前+课中+课后相结合的实验室管理系统，研究与开发智能化模电实验箱，后台对学生实验中的接线状态实时监测，并通过屏幕及语音实时提示接线是否正确，实现实验室管理与学生实验无人值守，自主完成。

与此同时，将AI对于图像的智能算法引入实验教学领域，开发用于实验过程监督、评判管理系统，实时检测学生状态，自动统计学生实验过程并予以评定，给出过程分数，减少教师重复劳动，实验室具体设计框架如图1所示。

图1 智能实验室系统框架

2.1 智慧化环境建设

新型AI教育需要新型实验室环境支撑[12-13]，利用现代智能技术实现物理空间与网络虚拟空间的融合，以智能设备为依托，建立支持多样化需求的智能感知能力与服务能力，实现以泛化性、情境性、适应性、连接性为核心特征的学习环境，包括智能门禁(二维码、一卡通、人脸识别)、智能窗帘、智能温湿度、灯光智能控制系统、远程联网多媒体音视频系统、智能插座、智能安防监控等。学生通过刷卡/人脸识别授权进入实验室，窗帘自动拉开，灯光亮度调到适宜亮度，温湿度自动调整到最佳状态。显示多媒体视频播放实验室须知等，实验室整体呈现现代化、智慧化。

在智能实验室中，学生通过APP或网络平台申请时段和座位，老师通过APP或网络授权，授权通过后刷二维码、一卡通进入实验室，实验室自动适配最佳亮度温湿度，进入座位后，扫描二维码绑定实验桌，放置一卡通，匹配后座位才通电，自动运行仪器，并自动打开实验柜，取出计算机开始实验。计算机已装有课件PPT、试做视频、仪器操作规范等，从系统中调出选题任务书和自己提交的方案。根据相关资料，自助式完成实验过程。实验室中所有电子设备均接入物联网中，自动达到适宜的实验条件，具体实验室布局设计如图2、3所示。

图2 物联网智能实验室平面布置图

图3 物联网智能实验室效果图

2.2 信息化实验平台建设

构建仪器一体化平台将仪器与桌子等整合在一起，其中仪器包括110M信号源，200M示波器，多路稳压电源，5 1/2多用表，工控机等。平台背后安装空气开关，台面安装读卡器、平板电脑，桌前安装摄像头，麦克风，音响喇叭，仪器与台面设备通过局域网连入互联网。实验平台效果如图4、5所示。

图4 实验平台效果图

图5 实验平台整体效果图

实验过程中，台上摄像头与教室空间摄像头采集学生操作仪器及实验平台全过程视频，后台进行行为分析。台上仪器实时检测按钮按键状态以及仪器采集输出的数据，测试仪器对实验中异常数据进行报警，提醒学生规范操作。教师通过视频可观察每个同学是否正常操作，学生实验中可实时通过平台或面对面与教师交流讨论。后台自动记录学生信息，同时地板智能感知记录进出人数。通过仪器节点、平台节点以及视频行为分析等手段，综合评定实验过程分数。

2.3 智能化实时检测实验箱设计

AI实验系统旨在提高学生的实验效率和教师的教学效率，将传统实验箱与智能教学相结合，实现实验过程参数选择智能判断，实验结果智能评估，从而提高学生的实验效率，加强对实验课程的理解。实验箱结构如图6所示。

(1) 器件板模块。学生可根据不同实验选择不同参数器件插于相应的电路位置；器件板上只有单个器件或者小模块及接线插口，面积小并保证方便连线。

(2) 实验线路板模块。可根据不同的实验课程，更换不同的实验线路板与器件板，如同相放大器，反相放大器，反相积分器，基础放大器等实验；线路板模块上具备多个示波器测量端口和信号源输入端口，方便实验测试。

(3) 测量板模块。连接于实验平台中控电脑，通过USB接口与LAN接口相连，用于判断对应实验学生所选择的器件参数是否正确。测量板模块配置液晶显示屏、指示灯及提示喇叭，支持直接显示测量结果，可通过按键切换测量模式或通过触摸控制显示。

图6 实验箱结构图

测量板与实验线路通过自定义标准接口进行连接，其接口为易损接口，可随时更换连接线。实验平台中控电脑配置上位机软件，上位机软件或显示屏能够读取当前实验板。学生实验过程的具体实验步骤为：通过上位机软件选择实验；选择相应实验课程的实验子板；通过上位机软件设定实验参数，并在子板器件层插上相对应的实验元器件；判断电路值，即实验元器件是否选择正确。

2.4 实验平台综合管理系统建设

实验室管理、学生试验数据采集、实验环境监控的相关工作严重消耗教师的时间及精力，现构建“AI+模电实验”智能化综合性实验室管理系统，将智慧化、信息化、智能化引入教学的课前、课中、课后，实现智能辅助教育协同配合的实验室管理[14-15]，部分管理系统展示如图7、8所示。

图7 管理系统仪器查看页面

图8 管理系统设备查询页面

该系统具有如下功能：

(1) 系统分为教师、学生、管理员3种角色；具有开放预约、实验教学、实验教务、教学资源管理等功能模块；

(2) 管理员端支持配置课时，课程管理，排课管理，配置系统角色等功能；教师端支持定义实验模版，添加课程实验，查看排课，查看学生预习情况和提交的报告数据等；学生端支持查看实验课程及实验详情，参加实验预习，查看实验过程，提交实验数据报告，填写实验报告等；

(3) 学生通过扫描二维码，添加关注，实验室和课程介绍信息即出现，刷卡(学生一卡通)上电，扫码打开实验箱智能柜；

(4) 教师能够通过系统实时监测各仪器的设置，了解及辅助学生实验情况；

(5) 系统可以查看并保存在线数据及测试结果，自动生成实验报告，并在线提交实验报告，便于学生记录试验结果，并及时根据数据进行分析；

(6) 系统支持平台内资源共享，下载实验模板，实验背景介绍PPT，成功实验案例介绍等。

3 智慧实验室的建设意义及社会价值

基于人工智能的开放式实验室建设是校企协同、科教融合的具体呈现，通过设计与构建AI+模电实验新平台，开发课前+课中+课后相结合的实验室管理系统，从而打造全天候、开放式、智慧化实验教学环境。与此同时，将AI与现有教学方式相结合，研究与开发智能化模电实验箱，后台对学生实验中的接线状态实时监测，并通过屏幕及语音实时提示接线是否正确，结合常见问题AI语音实时交互播放系统，实现实验室管理与学生实验无人值守，自主完成，该环境能够鼓励学生自由安排实验时间，方便学生利用碎片化时间验证理论学习内容。其具体优点为：① 紧跟国家及学校改革步伐，针对模电实验进行改革，依托电子技术发展，与时俱进，将电子信息领域新技术与学生创新项目相结合，将人工智能与实验课程内容相结合，将AI应用到实验课程全过程，推动实践教学内容及模式的改革，大力推进学生自主实验，使大面积学生受益。② 让更多教师摆脱重复劳动，积极参与实验内容开发，促进实验教师队伍稳定与发展，保障实验长效运转，使更多学生受益，提高本科教学内在质量。③ 克服传统模电实验的各方面缺陷，促进教学内容更新，改进教学与指导方法，具有较好的引领与推广价值。

4 结 语

针对各高校实验教师匮乏、学生实验课时间难以保障、实验过程监督考核困难等问题，提出一种智能化开放式实验室建设与实验教学评估方法，通过AI的授课模式，以专业基础课程模拟电子技术实验为典型课程，梳理模拟电子技术及其实验知识图谱，建立知识模型，将AI引入教学各环节，向课前、课中、课后各环节渗透，实现智能辅助AI和教育的协同配合，达到实验平台建设与教学评估方法的重塑与再造。通过“AI实验系统”，将人工智能与实验室建设相融合，进一步提升实验室信息化水平，推进开放性实验教学模式的改革，实现学生学习方法的转变，提升学生自主实验能力与创新能力。与智能化教学评价方式的优势相结合，双管齐下，真正实现人才培养的发展目标。