覃 馮 楊 寧

1.廣西民族大學(xué)國有資產(chǎn)管理處 廣西 南寧 2.廣西開放大學(xué)科研處 廣西 南寧

一、引言

隨著信息的爆炸式增長和信息技術(shù)的快速發(fā)展，信息生態(tài)學(xué)的概念應(yīng)運(yùn)而生。信息生態(tài)學(xué)是信息學(xué)和生態(tài)學(xué)的交叉學(xué)科，是生態(tài)學(xué)概念在信息社會建模中的應(yīng)用，將信息空間視為一種生態(tài)系統(tǒng)。這種信息生態(tài)系統(tǒng)是由若干相互關(guān)聯(lián)、相互作用、互相補(bǔ)充的子系統(tǒng)組成的，開放的、綜合的動態(tài)系統(tǒng)，涉及不同的主體和客體，具有多樣性的特征，基本特點(diǎn)是各種因素相互關(guān)聯(lián)、彼此影響、相互促進(jìn)。本文以高校智慧實驗室信息生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，介紹了國內(nèi)智慧實驗室的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了基于人工智能技術(shù)構(gòu)建高校智慧實驗室生態(tài)模型的建設(shè)內(nèi)容和具體框架，以期為高校智慧實驗室建設(shè)提供新的思路。

二、高校智慧實驗室的發(fā)展現(xiàn)狀

高校智慧實驗室作為培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新思維、意識和能力的重要陣地，在信息生態(tài)學(xué)應(yīng)用的過程中發(fā)揮著重要作用；建立完整的信息生態(tài)系統(tǒng)、構(gòu)建信息生態(tài)模型，是保證高校智慧實驗室快速發(fā)展的基礎(chǔ)，也是提升高校實驗室管理水平的有效途徑。

高校實驗室建設(shè)經(jīng)過多年的探索和改革，已基本完成從人工管理向現(xiàn)代智能化管理的轉(zhuǎn)變，能借助現(xiàn)代信息技術(shù)對海量的實驗室數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析和挖掘，實現(xiàn)了實驗室教學(xué)管理的可視化和智能化，將實驗室“統(tǒng)一規(guī)劃、集中管理、協(xié)同共享”的理論規(guī)劃變?yōu)楝F(xiàn)實。但是，目前我國高校智慧實驗室建設(shè)還處于初級階段，存在許多亟待解決的問題。

當(dāng)前關(guān)于高校智慧實驗室信息生態(tài)學(xué)的研究主要集中在理論討論和提高服務(wù)質(zhì)量、增強(qiáng)創(chuàng)新能力等方面。依托人工智能技術(shù)，信息生態(tài)模型將在智慧實驗室管理、智能識別、實驗預(yù)測等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。高效、科學(xué)的信息生態(tài)模型構(gòu)建后，高校實驗室可以將人工智能技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用到實驗室的建設(shè)和管理，從而持續(xù)提高智慧實驗室的智能化程度，不斷促進(jìn)教學(xué)實驗和實驗室管理在時間、空間、內(nèi)容、形式上的全面智慧化，最終提升用戶的使用體驗，實現(xiàn)智慧實驗室全開放的目標(biāo)，為實驗室用戶提供更加個性化、多樣化的服務(wù)。

隨著高校數(shù)字化轉(zhuǎn)型的加快，基于云計算與移動互聯(lián)的新一代信息技術(shù)成為推動高校信息化進(jìn)程的新動力，如何運(yùn)用新技術(shù)滿足師生日益增長的信息需求成為高校實驗室的重要課題。社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及科學(xué)技術(shù)水平的提高，以及數(shù)字化時代的到來，給高校智慧實驗室?guī)砹饲八从械陌l(fā)展機(jī)遇。作為一種新型教學(xué)模式，基于互聯(lián)網(wǎng)的高校智慧實驗室是對傳統(tǒng)教學(xué)理念與方法的革新，不僅能為用戶提供豐富多樣的學(xué)習(xí)資源，還能搭建個性化學(xué)習(xí)平臺。智慧實驗室需要借助信息生態(tài)系統(tǒng)才能發(fā)揮更大的效能，因此，構(gòu)建一個完整的信息生態(tài)模型，完善信息生態(tài)系統(tǒng)是當(dāng)下高校智慧實驗室的主要任務(wù)。

三、智慧實驗室信息生態(tài)模型建設(shè)的內(nèi)容

高校智慧實驗室用戶的信息需求可分為實驗教學(xué)信息服務(wù)需求、實驗教學(xué)管理需求、實驗教學(xué)交互需求、實驗教學(xué)效果分析需求等類型。

實驗教學(xué)信息服務(wù)需求主要是實驗軟件個性化安裝、實驗數(shù)據(jù)科學(xué)推送、實驗信息交互等。智慧實驗室建設(shè)可通過人工智能技術(shù)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)實現(xiàn)實驗硬件資源的調(diào)度和管控，充分利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和相關(guān)設(shè)備、平臺，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧化實驗環(huán)境。同時，要建立開放共享機(jī)制，將科研創(chuàng)新成果及時轉(zhuǎn)化為實踐教學(xué)，讓學(xué)生參與其中并自主學(xué)習(xí)；構(gòu)建“平臺+模塊”的應(yīng)用模式，以用戶體驗為主線，提供多種應(yīng)用形式的開放式實驗教學(xué)環(huán)境；優(yōu)化教師角色與學(xué)生身份認(rèn)證機(jī)制，提高師生的協(xié)同效率，從而加強(qiáng)師生的基礎(chǔ)能力培養(yǎng)，提升綜合素質(zhì)，促進(jìn)學(xué)科交叉融合發(fā)展。

實驗教學(xué)管理需求主要是實驗項目開發(fā)、實驗技術(shù)文件更新、實驗資源調(diào)度及實驗硬件資源管控、實驗環(huán)境營造等，根據(jù)學(xué)校教學(xué)目標(biāo)和專業(yè)設(shè)置要求安排實驗內(nèi)容，并對課程安排和教學(xué)方法提出建議。設(shè)備配置和維護(hù)時要制定完善的實驗儀器設(shè)備管理制度，規(guī)范各類實驗儀器名稱、型號、規(guī)格、使用期限、更換周期和保養(yǎng)方法等。

實驗教學(xué)交互需求主要是實驗課堂討論和答疑、實驗課后交流互動、實時掌控實驗課堂討論、及時評價實驗表現(xiàn)等。在具體實踐中，可通過人工智能技術(shù)實現(xiàn)教師全天候答疑輔導(dǎo)、師生共同管理和評價實驗結(jié)果報告；教師要利用基于深度學(xué)習(xí)模型開發(fā)的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對課堂教學(xué)過程進(jìn)行全程監(jiān)控與記錄，并以圖像、聲音或文字形式呈現(xiàn)給學(xué)生；學(xué)生要熟練掌握智能語音控制系統(tǒng)，對老師提出的問題及時做出響應(yīng)，還要完成實驗教師布置的課后作業(yè)并開展交流互動。

實驗教學(xué)效果分析需求主要是實驗教學(xué)軟件的配置、實驗結(jié)果的共享等，可通過人工智能技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)與實驗教學(xué)評價科學(xué)匹配。自動生成實驗報告與評分系統(tǒng)是高校智慧實驗室信息生態(tài)系統(tǒng)的重要功能，可實現(xiàn)智能統(tǒng)計及分析，支持?jǐn)?shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等操作；基于數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)分析技術(shù)開發(fā)的智能化智慧實驗室信息生態(tài)系統(tǒng)，還可為不同需求的用戶提供個性化的服務(wù)。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智慧實驗室信息生態(tài)系統(tǒng)須與時俱進(jìn)地提高信息處理能力，以應(yīng)對瞬息萬變的信息生態(tài)環(huán)境。因此，高校智慧實驗室的建設(shè)和管理要聚焦人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等現(xiàn)代信息處理技術(shù)，將其納入智慧實驗室信息生態(tài)模型的構(gòu)架，充分發(fā)揮智慧化信息處理技術(shù)的優(yōu)勢。為滿足實驗室用戶的需求，將人工智能技術(shù)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)用于復(fù)雜數(shù)據(jù)的處理是非常必要的，資源篩選和資源傳遞應(yīng)成為智慧實驗室信息生態(tài)的主要任務(wù)。

隨著智慧實驗室智慧化程度的提升，智慧實驗室基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境、空間環(huán)境、管理環(huán)境之間關(guān)系日趨緊密、復(fù)雜，針對用戶的信息需求，智慧實驗室的設(shè)計首先要考慮如何按照用戶需求來完成實驗室資源的合理配置和高效管理。在傳統(tǒng)實驗室建設(shè)的思維模式下，實驗室的各系統(tǒng)和平臺自成體系，相互之間處于一種割裂狀態(tài)，難以形成合力，容易造成“系統(tǒng)為主、用戶為客”的日常使用狀態(tài)；用戶使用時有“處處受限、時時被管”感覺，不但不能提高用戶的工作效率，還無法實現(xiàn)信息化、智能化、智慧化的建設(shè)目標(biāo)。因此，基于人工智能技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的信息生態(tài)系統(tǒng)建構(gòu)方案成為高校智慧實驗室設(shè)計和建設(shè)的首選，從頂層設(shè)計到基層應(yīng)用，處處體現(xiàn)信息生態(tài)建設(shè)和管理的理念。

四、智慧實驗室信息生態(tài)模型的基本框架

當(dāng)前對高校智慧實驗室信息生態(tài)系統(tǒng)的硬件生態(tài)、管理生態(tài)和空間生態(tài)研究已趨于完善，但如何將這三種生態(tài)有機(jī)融合、如何從各種資源中完成資源的智慧篩選和交互卻鮮有涉足，這也是今后高校智慧實驗室信息生態(tài)化發(fā)展的重點(diǎn)?；诖耍疚膹纳鷳B(tài)學(xué)理論的角度對智慧實驗室信息生態(tài)模型的功能模塊進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計。

1.資源智慧篩選和交互功能模塊設(shè)計

高校智慧實驗室信息生態(tài)是以實驗室用戶為中心架構(gòu)起來的，實驗室用戶生態(tài)位是整個實驗室信息生態(tài)模型的核心，是其他擴(kuò)展生態(tài)位構(gòu)建的基礎(chǔ)。因此，實驗室資源智慧篩選和交互功能的實現(xiàn)，首要任務(wù)是必須完成對智慧實驗室大數(shù)據(jù)的分類，為實驗室用戶提供科學(xué)、高效的實驗室資源數(shù)據(jù)。一般情況下，可將實驗室用戶分三類：大學(xué)教師、教務(wù)督導(dǎo)員和大學(xué)生；用戶屬性可按學(xué)科專業(yè)、職級層次、需求偏好等分類?？紤]到高校智慧實驗室資源智慧篩選和交互的特點(diǎn)，對此功能模塊設(shè)計時可采用決策樹算法來完成。

實驗室用戶分類決策樹的每個非葉節(jié)點(diǎn)表示一個實驗室用戶的特征屬性；每個分支代表這個特征屬性的值域，即實驗室三大用戶具體的學(xué)科專業(yè)值、職級層次值、需求偏好值等；而每個葉節(jié)點(diǎn)則代表一個類別，即細(xì)化程度最高的實驗室用戶類型。使用決策樹算法對實驗室用戶進(jìn)行分類的過程就是從決策樹最頂部的根節(jié)點(diǎn)開始，從上到下，測試待分類項中相應(yīng)的實驗室用戶特征屬性，并按照測試值選擇輸出分支和葉節(jié)點(diǎn)，并將葉節(jié)點(diǎn)存放的不同類別作為實驗室用戶的最終分類結(jié)果。

2.硬件智慧管理及配置功能模塊設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)極大地推動了實驗室硬件設(shè)備的智慧化管理，且管理的效率得到了顯著提高。針對高校智慧實驗室硬件設(shè)備管理及配置需要進(jìn)一步優(yōu)化的問題，應(yīng)以實驗室用戶硬件需求預(yù)測為出發(fā)點(diǎn)，將實驗室用戶生態(tài)位作為整個智慧實驗室信息生態(tài)模型構(gòu)建的核心，遵循這個基本原則和思路，進(jìn)一步推演高校智慧實驗室設(shè)備管理智能化的基本構(gòu)成原理：即實驗室用戶通過智能化管理平臺可以實現(xiàn)智能化預(yù)約、智能化審批、設(shè)備使用和設(shè)備歸還，實驗室管理員也能通過平臺完成設(shè)備狀態(tài)獲取、人工智能統(tǒng)計、實驗室用戶需求分析、設(shè)備出借等工作。

五、智慧實驗室信息生態(tài)模型實證分析

高校應(yīng)基于實驗室用戶分類的決策樹算法和對實驗室用戶需求預(yù)測的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，構(gòu)建智慧實驗室信息生態(tài)模型。以廣西某高校智慧實驗室為例，樣本選取“年級、職級、學(xué)院、民族、專業(yè)”5個屬性作為初步分類指標(biāo)，根據(jù)申請使用固定資產(chǎn)類別的不同將實驗室用戶分為5類，即房屋、儀器、設(shè)備、家具、模型等；隨機(jī)選取200名在編教師和在籍學(xué)生作為數(shù)據(jù)集，借助信息生態(tài)模型進(jìn)行驗證，其中160人用于網(wǎng)絡(luò)模擬，其余40人用于網(wǎng)絡(luò)預(yù)測。

結(jié)果表明，該信息生態(tài)模型的分類算法誤差小于5%，基本上驗證了該分類算法的有效性。同時，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法展開的實驗室用戶需求預(yù)測結(jié)果顯示，實驗室用戶需求類別與實驗室用戶實際類別的分歧低于13.3%，說明實驗室用戶需求預(yù)測任務(wù)也完成得較為出色。

六、結(jié)語

智慧實驗室信息生態(tài)模型構(gòu)建是高校實驗室發(fā)展的必然趨勢；科學(xué)的智慧實驗室信息生態(tài)系統(tǒng)，是高校發(fā)展提質(zhì)增效的重要基礎(chǔ)。針對傳統(tǒng)實驗室信息系統(tǒng)對實驗室用戶關(guān)注不夠、平臺智慧化程度低、智慧管理不易實現(xiàn)等問題，高校應(yīng)堅持以實驗室用戶為核心、采用決策樹和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，完成智慧實驗室信息生態(tài)模型的設(shè)計與完善，為高校智慧實驗室信息生態(tài)系統(tǒng)的高效構(gòu)建和開發(fā)利用打下良好的基礎(chǔ)。