人工智能时代智慧型实验室的建设路径探究.pdf

ISSN1672-4305CN12-1352/N实 验 室 科 学LABORATORY SCIENCE第 26 卷 第 3 期 2023 年 6 月Vol.26 No.3 Jun.2023 人工智能时代智慧型实验室的建设路径探究镇丽华(南通大学 经济与管理学院,江苏 南通 226000)摘 要:以大数据、云计算以及人工智能为代表的新一代信息技术已经渗透到高等院校的实验室建设中并对其影响日渐深入,驱动着实验教学环境多样化、实验室管理自动化和实验室建设科学化。为此针对高等院校运用新兴技术建设智慧型实验室提出四点策略:转型思维,从经验思维转向数据思维;组建实验室人才队伍,把控智慧型实验室建设过程;加快技术升级,全面提升实验室信息化水平;搭建智慧型实验教学平台,实现资源交互和共享。关键词:大数据;云计算;人工智能;智慧型实验室中图分类号:G642.0 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1672-4305.2023.03.040Research on the construction of intelligent laboratory in the age of artificial intelligenceZHEN Lihua(School of Economics and Management,Nantong University,Nantong 226000,China)Abstract:The new generation of information technology,represented by big data,cloud computing and artificial intelligence,has penetrated into the laboratory construction of universities.And its influ-ence is also deepening day by day.It drives the diversification of experimental teaching environment,the automation of laboratory management and the scientificalization of laboratory construction.There-fore,four strategies are proposed for universities to use emerging technologies to build intelligent labo-ratories.Transform thinking from empirical thinking to data thinking;establish laboratory talented team so as to control the construction process of intelligent laboratory;accelerate technological upgrading to promote the level of laboratory informatization;set up intelligent experimental teaching platform to real-ize resource interaction and sharing.Key words:big data;cloud computing;artificial intelligence;intelligent laboratory 收稿日期:2021-08-19 修改日期:2022-04-08作者简介:镇丽华,硕士,实验师,主要研究方向为人工智能、实验室教学管理。E-mail:zlh1988 基金项目:江苏省现代教育技术研究 2020 年度课题(项目编号:2019-R-77164);南通大学教学改革研究课题(项目编号:2020C02)。当前人工智能(AI)技术已经在无人驾驶、智能出版、智慧医疗以及 VR 等多个领域取得商业化进展,而且发展速度十分惊人。人工智能不仅是一次技术革命,其对生产效率的大幅度改进、对人类劳动的大规模替代、对生活和生产方式的根本性变革,必然引起社会结构的全面变化。因此在信息化建设与教育行业不断融合的大背景下,人工智能时代的到来也给我国的教育行业注入了新的发展活力1。实验室作为人才培养的重要阵地,不仅是学生进行自主学习和创新创业等能力训练的重要平台,也是教师开展实验教学和科学研究的重要场所,是高等院校人才培养体系中不可或缺的组成部分2。在以人工智能为代表的新兴技术的助推下,必将驱动实验室建设、管理以及运行等方面产生巨大变革,而这种变革正在显现。现有的实验室管理体制由于存在开放时间不灵活、管理成本大以及实验教学环境单一等弊端,已难以满足当前智慧化校园的发展需求,因此构建与现代信息化技术相结合的智慧型实验室成为高等院校深化教学改革、推进新工科建设的必然趋势。在智能化大数据时代,高等院校要努力转型思维,积极应用智能化的管理系统和智慧平镇丽华:人工智能时代智慧型实验室的建设路径探究台,加速实验室发展,促使实验室建设朝着自动化、个性化、精准化和智能化方向发展,进而为新工科教育发展提供强有力的支撑与保障3。1 人工智能对实验室建设的影响1.1 实验教学环境多样化:从面对面教学到平台教学在当今日新月异的信息化时代,高校的教学模式和教学手段也发生了翻天覆地的变化。微课、慕课等在线学习平台以及虚拟仿真实验室的不断呈现,使传统的实验室环境与多样化、个性化的实践教学需求之间的矛盾日益突出,难以支撑现代化实验教学4。一方面由于传统模式下,数据价值利用低,无法为仪器设备采购提供科学的参考依据,在新仪器采购和仪器使用等方面很少能提供有价值的信息,导致采购的仪器设备与实践教学的配合度低5。另一方面,针对一些高危险性、高消耗或者实际操作不可及、不可逆的实验操作,由于现有的实体实验室无法提供安全可靠的实验环境,导致一些实验工作也难以开展。而在云端技术、智能化技术的助力下,知识的传播方式和传播途径也都变得多元化,教师开展教学和学生获取知识的地点都不再单纯地局限于学校或者课堂上。特别是云平台和虚拟仿真实验室的出现,使得传统实验教学环境的时空界限和信息隔阂得以打破,学习变得随手可及。在此背景下,传统的面对面实验教学模式将被逐渐打破,甚至颠覆。这也将促使实验教学环境日趋多样化,逐渐向着智慧化的平台教学转变。因此,与传统的实验教学环境相比,智慧型实验教学环境主要具有以下几点好处。(1)满足多样化的实验教学需求,使优质的实验教学资源得以共享。(2)实验教学手段走向数字化、虚拟化和智慧化,缓解了多样化的实践教学需求和实验教学条件匮乏的矛盾。(3)实验教学活动开放化,互动形式多元化,教学活动变得更高效。1.2 实验室管理自动化:从复杂的人工管理到自动化管理智能化技术虽已被广泛应用于社会的各个领域,但是在实验室管理方面却并未实现智能化技术的应用。目前主要还是依赖人工管理,这种管理模式不仅难以降低实验室的管理成本,而且存在着很多管理漏洞,不利于实现实验室管理系统的良性发展。而且很多高校的实验室开放记录并未实现自动化的电子记录,仍然停留在纸质登记的层面,长此以往不仅加大了管理成本,而且也不利于后期的维护。此外有的高校实验室管理人员可能身兼数职,并不是专职的实验室管理人员,这样容易忽略对实验室的管理,导致对实验室的信息监控不到位,对存在的问题难以及时发现处理,存在安全隐患。而在移动互联网、物联网以及机器学习等智能化技术的推动下,将彻底改变传统实验室管理思维和模式,实现实验室自动化管理运行。实验室管理人员能够利用移动终端或者在线平台随时管理实验室和仪器设备,如实验室和大型仪器设备的预约使用,实时监控实验室的开放运行等6。这样能够有效避免传统实验室开放时间不灵活、处理问题流程复杂、隐患发现不及时等固有的人工管理缺点,让实验室在人工智能处理系统的监管下,变得更加安全、智能和高效,大大节省了人力和物力成本。同时通过充分利用云平台服务,能够有效缓解实验室软件资源的维护、更新和升级等繁琐流程,使用更为便捷。综上分析,与传统实验室管理模式相比,借助智能化技术的实验室管理具有以下几个特征。(1)能够通过可视化管理实时监测实验室运行,敏锐即时地发现问题。(2)可以借助科学的管理方法优化管理流程,改善实验室的运行效率,最终实现“精益管理”。(3)借助智能化移动终端和云服务,降低管理成本,实现自动化管理。1.3 实验室建设科学化:从经验判断到实证测量由于高等院校管理体制方面的影响,使得当前的实验室建设和仪器设备采购仍由二级学院负责。而在实际的操作过程中,主要是由学院实验室负责人根据工作经验制定实验室建设的整体规划或者仪器设备的采购计划,然后由学校相关部门进行审核,统一招标采购。在这种情况下,由于缺乏科学可靠的实验室数据资源支撑,如已有实验室的使用率、现有仪器设备的损耗度、使用频率等信息,导致这种传统建设模式并不完全可靠,经常出现以下两种情况:一种是实验设备重复购买或者功能相似的实验室重复建设,实验室和仪器设备使用率高低不均衡,达不到实验资源的最优化。另一种情况是在建设过程中,忽略了实际教学需求,导致建设的实验室难以满足现实需要,实验室建成了一间又一间,但实际使用情况堪忧,开放次数屈指可数,有的甚至成为参观的样板间,造成资源的严重浪费。而在人工智能时代,这种被动的局面将被完全打开。依托大数据和云计算等技术,同时借助各类智能化的管理系统,能够实现对实验室各类数据的161有效整合,挖掘出这些数据背后蕴藏的潜在价值,为制定科学的实验室建设方案和更为丰富的实验教学资源提供强有力的支撑。因此,人工智能时代的实验室建设具有以下几个特征。(1)以资源共享为目标的整体把控。(2)以数据为导向的按需规划。(3)满足实验教学需求的精准投入。2 人工智能时代智慧型实验室应具备的特点基于以上人工智能对实验室建设的影响分析,人工智能时代智慧型实验室应当具备以下特点。2.1 信息收集与分析能力智慧型实验室的建设需要整合多种已有智能化平台,这些智能化平台中定会产生海量不同种类的数据,如实验教学、实验室开放、耗材使用情况等,智慧型实验室应当能够记录、存储这些数据,并融合大数据和云计算技术深度分析、挖掘这些数据的潜在价值,对实验教学和实验室管理进行优化。2.2 广泛的感知能力智慧型实验室借助于物联网和智能感测技术,通过 RFID、传感器、摄像头、手机终端等设备实现对实验室的广泛感知,对实验室资源实时监控,随时随地感知、捕获和传递实验室信息,有效获取人员需求或设备状态信息,以便立即采取对应措施,提高实验室管理层面的效率。2.3 资源开放与共享能力智慧型实验室的实验室预约平台、资源共享平台应充分利用优质的教学资源,摒弃专业限制,在校内或校间开放,让不同学科、不同专业、不同院系甚至不同学校的学生有机会在不同专业的实验室学习,提高实验技能。该举措有利于消除校内、校间实验资源“孤岛”现象,提高实验室、仪器设备的资源利用率和负载分配协调性。3 人工智能时代智慧型实验室的建设路径3.1 转型思维,从经验思维转向数字思维在智能化大数据背景下,信息呈爆炸性增长趋势。利用大数据、数据挖掘以及云计算等技术对这些海量的数据进行加工处理和分析,能够为智慧型实验室建设打开一扇新的大门。因此高等院校首先需要在实验室建设和管理过程中重新定位自己的角色,转型思维,树立以“大数据”为核心的数据思维。随着高校的扩招,实验室的建设规模也随之扩大,在日常管理和运行过程中,必然产生大量的数据,如实验室开放时长、仪器设备的使用率、仪器设备数量、损坏程度等这些信息也都呈现出复杂性增长的态势,只有通过大数据技术对这些数据进行挖掘分析,才能从中获取有价值的信息。而传统的单纯依靠人工管理的模式,在数据获取过程中由于存在时空的间隙,导致这些数据的价值利用率极低。为此越来越多的高校在实验室建设和管理过程中开始注重依靠科学可靠的数据来进行决策支持。例如通过对实验室的开放数据,像师生的读卡次数、开放时长等数据进行挖掘分析,能够实时获取到实验室的使用效率,针对使用率低的实验室能够及时调整开放模式,制定科学合理的实验教学安排,从而为实验室的日常管理提供决策依据,避免实验资源的浪费。3.2 组建实验室人才队伍,把控智慧型实验室建设过程人才是知识生产者和传递者的重要组成部分,是高等院校建设智慧型实验室的第一资源。面对人工智能给高等院校实验室带来的时代变革,培养一批具有高水平、高素质的专业人才队伍成了决定实验室信息化水平的关键7。因此高等院校要加大投入力度,全面提升实验室管理人员的专业素质,打造一支紧跟时代步伐的专业化实验室人才队伍,从而为智慧型实验室建设出谋划策。而在当前我国高校实验室教学规模背景下,由于实验队伍长期得不到重视,实验人员普遍处于学历较低、职称不高的尴尬处境。而且针对实验人员开展培训和学习交流的机会较少,只能凭借自我学习和日常的经验积累来进行自我提升,长此以往,这些因素必然也会阻碍智慧型实验室的建设发展。因此高等院校要主动出击,定期组织专业技能培训,不断提高实验室管理人员的信息化技能和数据素养,提高他们将信息技术运用到实验室建设和管理中的能力和有效整合信息技术、信息资源、信息方法与实验室于一体的能力。只有这样,高等院校才能充分利用人才这一资源,以实际实验教学需求为导向,把控智慧型实验室建设过程不松懈,从而不断加速新兴技术与实验室建设管理的融合创新,快速响应不断变化的实验教学需求,更好地为广大师生服务。3.3 加快技术升级,全面提升实验室信息化水平在人工智能时代,技术是推进智慧型实验室建设的关键性要素之一。高等院校可以从以下两个方面展开技术升级。(1)建立大数据中心。数据资源是智能化技术的养料,是实验室的核心资产之一。这些数据资源可以是实验室日常管理产生的数据,如实验室开放时长、实验室面积、数量等;也可以是庞大的仪器设261 镇丽华:人工智能时代智慧型实验室的建设路径探究备资源,包括设备采购数据、现有仪器设备的数量、参数、位置、损耗度等;还可以是多样化的实验教学资源,如实验报告、实验成绩以及实验教学计划等。在一定条件下,可以利用互联网技术将这些数据资源联成一体,进行有效地整合建立一个大数据中心,利用大数据技术对这些数据资源进行数据过滤、挖掘分析,实现实时数据采集和高效数据分析。从而能够构建全新的实验室管理模式,为仪器设备采购、实验室建设和评估、实验教学质量监控等提供科学可靠的数据支持。(2)积极应用智能化管理系统。当前越来越多的软件公司开发了应用于不同场景的平台和软件,并在各大院校的实验室建设管理中得到广泛应用。例如利用门禁系统,可以实现实验室可控 24 小时预约开放,不仅提高了实验室的使用率,而且大大减少了人工管理成本。借助远程视频监控系统,可以实现对实验室随时随地的可视化管理,能够自动分析识别异常情况并发出警报,以便管理人员及时采取解决措施,防患于未然,大大提高了实验室的安全保障。利用基于射频识别技术的实验室资产控制系统,能够实现对实验设备的集中控制,并对这些固定资产进行追踪定位,减少仪器设备的丢失,提高了资产管理效率8。利用水电智能管理系统能够实现对各个实验室的水电进行集中控制,不仅节约了维护成本,而且提高了实验室的安全系数。综上发现,当前各类智能化系统已经渗透到实验室建设管理的各个环节中,高等院校可以选择适当的平台和软件投入实际运营中,以降低建设和维护成本,提高管理效率和信息化水平。3.4 搭建智慧型实验教学平台,实现资源交互和共享智慧型实验教学平台是智慧型实验室的基础设施,是各大院校彼此沟通的“桥梁”。人工智能时代开放共享的精神,客观上要求高等院校要积极搭建一个智慧型实践教学平台,这个平台的建成对于智慧型实验室的实现具有极大推动作用。对于高等院校而言,通过将高品质的实验教学资源放到该平台上,有助于实现优质资源的交互和共享。从实验室建设角度出发,智慧型实验教学平台能够作为传统实体实验室的必要补充,以减少高成本、高危险性的实验训练。而且这样能够有效缓解日益提高的多样化实践教学需求和实验教学条件匮乏的矛盾,在一定程度上也缓解了实体实验室重复建设和利用率低等问题9。对实验教师个人而言,借助该平台能够实现实验教师的相互连接,让大规模的在线协作成为可能。在这种情况下,实验教师可以相互交流、学习和协作,不断丰富各自的实验教学经验,提高教学水平,快速响应不断变化的实验教学需求。同时,他们还可以根据平台记录的数据对学生的学习行为进行及时的跟踪指导,有助于实现个性化实验教学10。为此,各大高等院校要把握时机,紧跟时代步伐,秉承开放共享的时代精神,积极将云网端、物联网以及虚拟现实等这些技术与实验室建设应用相融合,搭建智慧型实验教学平台,实现实验教学资源的整合和云化,以此解决传统实验教学中的各种弊端。4 结语在以人工智能为代表的新兴技术的冲击下,各行各业都将面临着转型升级,教育领域也不例外。特别是近年来,在人工智能技术的引领下,各大高等院校纷纷加快智慧型校园建设工作,实验室的信息化程度也得到了显著提高,导致传统的以经验主义为主、以人工管理为核心的实验室建设管理模式面临着严峻挑战。为此面对开放共享、多元化、智能化的人工智能时代,高等院校要以此为发展契机,积极推动物联网、云平台和人工智能等前沿技术与实验室发展的深度融合,将传统的实验室转变为智慧型实验室,优化实验资源配置,减少建设成本,为实验室的管理、教学、以及环境提供资源高度共享、可控、统一协调的智慧化服务。从而为推动新工科人才培养向智能化、自动化和精准化的方向发展提供更好的服务。参考文献(References):1 王有学,高洁.论人工智能技术发展及其在教育中的应用J.中小学电教,2019(4):6-9.2 肖红艳,张灵棋,郭荣辉,等.高校“智慧”实验室建设的探索J.纺织服装教育,2019,34(2):170-173.3 高敏.新工科背景下国内高校人工智能发展现状的启示J.高教论坛,2019(5):120-124.4 吴杰成.云计算与虚拟化用于高校实验室的探究J.教育现代化,2018(16):160-161.5 李晓欢,陈倩,朱蓉.地方院校智慧实验室建设研究J.西部素质教育,2019,5(6):104-105.6 董春桥,张延荣.“互联网+实验室”建设探讨J.实验技术与管理,2017,34(1):240-243.7 张海峰.“双一流”背景下的一流实验室建设研究J.实验技术与管理,2017,34(12):6-10.8 梁成长.浅谈物联网技术支持下的高校智慧实验室构建J.现代信息科技,2018(10):195-196,198.9 奎晓燕,刘卫国,郭克华,等.构建智能型虚拟实验平台,推进现代教育技术改革J.计算机工程与科学,2018,40(S1):12-15.10 姜文凤,张永策,宿艳.“双一流”建设中实验教学平台构建及应用研究J.实验技术与管理,2019,36(6):16-20.361