基于Docker 的人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)研究與設(shè)計(jì)

周瑋，辛政華，楊小瑩，李閃閃

（宿州學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽宿州 234000）

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，人工智能技術(shù)在圖像、語(yǔ)音、監(jiān)控等各個(gè)領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用[1]?！癆I+”[2]已成為當(dāng)今主流的應(yīng)用場(chǎng)景，因此亟需在高校計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)中開(kāi)設(shè)人工智能實(shí)驗(yàn)課程。然而人工智能交叉了物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和概率論等多學(xué)科知識(shí)，存在專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課程分散，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之間各自獨(dú)立，沒(méi)有一體化的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等問(wèn)題。學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐較少、教學(xué)方法陳舊、教師演示簡(jiǎn)單導(dǎo)致教學(xué)效果差，考核方法不科學(xué)[3]。實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中更多注重算法編程，沒(méi)有很好地融合實(shí)際項(xiàng)目需求，課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容落后于行業(yè)應(yīng)用，很難調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性[4]。因此，亟需設(shè)計(jì)適應(yīng)需求的人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

1 Docker 人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

1.1 Kubernetes+Docker 容器集平臺(tái)設(shè)計(jì)

人工智能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體設(shè)計(jì)基于Kubernetes+Docker 容器[5]集群技術(shù)，提供容器云平臺(tái)，支持分布式文件系統(tǒng)存儲(chǔ)，集成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換組件[6]。提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，存儲(chǔ)服務(wù)和彈性資源的擴(kuò)展，為整個(gè)人工智能實(shí)驗(yàn)室提供硬件資源支撐。采用Docker 和kubernetes 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)硬件資源虛擬化管理和調(diào)度，系統(tǒng)集成Keras、TensorFlow、Caffe、PyTorch 等深度學(xué)習(xí)框架[7]供學(xué)生選擇使用。集成經(jīng)典的分類(lèi)，回歸，聚類(lèi)，數(shù)據(jù)流分類(lèi)，曲線分析，生存分析和人工智能[8]等算法供學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作，總體設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 人工智能一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

1.2 人工智能實(shí)驗(yàn)體系設(shè)計(jì)

人工智能實(shí)驗(yàn)體系設(shè)計(jì)圖如2 所示。該體系基于工程教育認(rèn)證思想，以成果為導(dǎo)向，包括：

（1）基本實(shí)驗(yàn)配置：提供基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)，資源和設(shè)施支持。

（2）教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)：教師提出問(wèn)題，根據(jù)問(wèn)題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程的教學(xué)、學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)建模。

（3）教學(xué)分析：根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容配置教學(xué)工具和模塊，根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作情況分析教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)。

（4）評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)：以產(chǎn)出(成果)為導(dǎo)向，包括實(shí)驗(yàn)結(jié)果、操作能力、科研能力的反饋，形成學(xué)習(xí)成果的量化。

圖2 一體化平臺(tái)實(shí)驗(yàn)體系設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)包括課前理解復(fù)習(xí)、課前材料測(cè)驗(yàn)、視頻講解、個(gè)人任務(wù)和小組活動(dòng)。提供多屏調(diào)度、云桌面和多媒體教室等方式，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新式實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在面對(duì)面授課開(kāi)始時(shí)，提供了課前視頻和在線測(cè)驗(yàn)的回顧。使用測(cè)試來(lái)評(píng)估學(xué)生的課前理解能力，并根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)提供即時(shí)反饋。教師可以對(duì)課前沒(méi)有介紹過(guò)的內(nèi)容做一個(gè)簡(jiǎn)短的講解，其余實(shí)驗(yàn)大部分時(shí)間可以用于個(gè)人實(shí)驗(yàn)練習(xí)、項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)以及小組協(xié)作。

課后活動(dòng)包括測(cè)驗(yàn)和練習(xí)。測(cè)試的結(jié)果分析可以幫助教師評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)并決定后續(xù)行動(dòng)。比如教師識(shí)別難理解的概念并在下次上課時(shí)提供反饋。布置課后作業(yè)，作業(yè)的結(jié)果也提供給學(xué)生進(jìn)行自我評(píng)估。實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案如圖3 所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案

人工智能課程體系設(shè)計(jì)基于新技術(shù)、新學(xué)科交叉融合，結(jié)合大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)挖掘和物聯(lián)網(wǎng)等學(xué)科內(nèi)容，提供實(shí)驗(yàn)課程、理論課程實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)小學(xué)期、課程綜合設(shè)計(jì)等形式的項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)教學(xué)活動(dòng)，結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂、對(duì)分課堂、綜合實(shí)訓(xùn)、項(xiàng)目設(shè)計(jì)等教學(xué)場(chǎng)景創(chuàng)新教學(xué)模式。

上課前學(xué)生可以通過(guò)學(xué)生端訪問(wèn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，閱讀教師提供的視頻資料、文本材料(如課堂筆記和閱讀材料)預(yù)習(xí)課程內(nèi)容。教師可以要求學(xué)生參加在線測(cè)試，以監(jiān)測(cè)他們對(duì)課前學(xué)習(xí)材料的掌握情況，促進(jìn)學(xué)生課前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

2.2 交互式教學(xué)模式

目前，高校教學(xué)資源受到場(chǎng)所、設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)等方面的制約，在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)教學(xué)過(guò)程中，基本模式是“理論課”+“實(shí)驗(yàn)課”，這兩個(gè)環(huán)節(jié)通常是在不同的地點(diǎn)和時(shí)間進(jìn)行。在理論課上，教師主要使用PPT來(lái)講解教學(xué)內(nèi)容。學(xué)生無(wú)法很好地理解課程的要點(diǎn)。

人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)以學(xué)生為中心，采用交互式操作方式。將“理論課”與“實(shí)驗(yàn)課”相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)互動(dòng)式教學(xué)。采用Docker容器技術(shù)構(gòu)建交互式教學(xué)平臺(tái)，通過(guò)啟動(dòng)Docker容器為每個(gè)學(xué)生提供獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

利用Docker 容器搭建虛擬平臺(tái)的后臺(tái)硬件環(huán)境，生成實(shí)驗(yàn)鏡像庫(kù)。根據(jù)各專(zhuān)業(yè)學(xué)生的需求，構(gòu)建鏡像生成應(yīng)用鏡像庫(kù)。學(xué)生生成Docker 指令發(fā)送到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，Docker 發(fā)送指令到相應(yīng)的鏡像倉(cāng)庫(kù)。服務(wù)器根據(jù)圖片生成相應(yīng)的容器并返回給學(xué)生端，創(chuàng)建新的文檔并進(jìn)行交互編程。用戶(hù)編寫(xiě)的代碼逐步解釋執(zhí)行，執(zhí)行的結(jié)果會(huì)顯示在單元的底部。實(shí)驗(yàn)操作結(jié)束后，對(duì)容器進(jìn)行保存和打包，構(gòu)建新的圖像上傳到圖庫(kù)中供后續(xù)使用。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.1 項(xiàng)目創(chuàng)新融入實(shí)驗(yàn)

人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)以學(xué)生為中心，采用以項(xiàng)目為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，如圖4 所示。實(shí)驗(yàn)以項(xiàng)目實(shí)踐為核心評(píng)價(jià)要素，著重考核學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的實(shí)踐操作能力。

圖4 項(xiàng)目貫穿實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式

按照基礎(chǔ)編程、項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)和項(xiàng)目創(chuàng)新3 個(gè)層次要求考核學(xué)生掌握知識(shí)情況?；A(chǔ)編程主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)向?qū)W生展示工作原理和流程，以考查學(xué)生基本概念為主；項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)主要通過(guò)項(xiàng)目訓(xùn)練學(xué)生操作應(yīng)用，以考查學(xué)生應(yīng)用實(shí)現(xiàn)為主；項(xiàng)目創(chuàng)新主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)揭示應(yīng)用技術(shù)問(wèn)題的產(chǎn)生、解決方法和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，以考查學(xué)生設(shè)計(jì)水平。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容結(jié)合測(cè)試題、實(shí)驗(yàn)操作步驟及實(shí)驗(yàn)報(bào)告等環(huán)節(jié)設(shè)置多種評(píng)價(jià)方式，以適應(yīng)不同實(shí)驗(yàn)考核側(cè)重需要。

3.2 智能化設(shè)計(jì)

（1）整合經(jīng)典算法。集成經(jīng)典的人工智能算法供學(xué)生調(diào)用，學(xué)生可自己設(shè)置調(diào)試參數(shù)，觀察算法實(shí)現(xiàn)效果并在此基礎(chǔ)上改進(jìn)。例如，在現(xiàn)有軟件中實(shí)現(xiàn)隨機(jī)森林算法用來(lái)解決分類(lèi)或回歸任務(wù)。這些算法將實(shí)驗(yàn)任務(wù)作為輸入，并可以自動(dòng)讀取。運(yùn)行任務(wù)執(zhí)行分析結(jié)果，可選擇使用預(yù)先設(shè)置的超參數(shù)值，并包含所有預(yù)期輸出和對(duì)這些輸出的評(píng)估。目前平臺(tái)整合支持如分類(lèi)，回歸，多標(biāo)簽分類(lèi)，聚類(lèi)和生存分析等總共160 個(gè)算法模型。

（2）智能化數(shù)據(jù)管理。可以上傳自己的數(shù)據(jù)集或簡(jiǎn)單地鏈接到現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫(kù)獲取。對(duì)于已知的數(shù)據(jù)格式，自動(dòng)分析和注釋具有可度量特征的數(shù)據(jù)集，以支持詳細(xì)的搜索和進(jìn)一步的分析。數(shù)據(jù)集可以反復(fù)更新或上傳，自動(dòng)進(jìn)行版本管理。

（3）模塊化操作。在遇到新的實(shí)驗(yàn)時(shí)可以與當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較，而不必重復(fù)操作已經(jīng)完成的實(shí)驗(yàn)步驟。可以查找數(shù)據(jù)集、任務(wù)流程和先前的結(jié)果、設(shè)置和組織實(shí)驗(yàn)以便進(jìn)一步分析。

（4）在線合作共享構(gòu)建實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可在線多人共享和組織數(shù)據(jù)、人工智能算法和實(shí)驗(yàn)，與小組同學(xué)分享探討想法，并根據(jù)自己的想法、數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果構(gòu)建實(shí)驗(yàn)。

3.3 智能化監(jiān)控體系

質(zhì)量分析應(yīng)用層：提供多種類(lèi)型的分析評(píng)價(jià)方法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可以實(shí)現(xiàn)智能評(píng)測(cè)、判斷學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作結(jié)果和操作步驟流程等功能。

質(zhì)量監(jiān)控服務(wù)層：教師可以批量下載所有小組的實(shí)訓(xùn)報(bào)告，在線評(píng)分（小組成績(jī)或個(gè)人成績(jī)）和填寫(xiě)評(píng)語(yǔ)，集成自動(dòng)判題組件、在線編程組件、代碼質(zhì)量檢測(cè)組件、文檔查重組件等模塊。

AI 支撐層：提供視覺(jué)理解、數(shù)字技術(shù)、視頻技術(shù)、NLP 和知識(shí)圖譜等多種支撐，從底層數(shù)據(jù)資源獲取知識(shí)庫(kù)數(shù)據(jù)、技術(shù)棧和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)集。

3.4 依托企業(yè)項(xiàng)目

結(jié)合企業(yè)實(shí)際項(xiàng)目，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)分解設(shè)計(jì)，將實(shí)驗(yàn)中涉及的知識(shí)點(diǎn)、技能點(diǎn)元子化拆分，每一個(gè)元子實(shí)驗(yàn)作為一個(gè)環(huán)節(jié)，將知識(shí)點(diǎn)從基礎(chǔ)原理、特性到最終應(yīng)用遞進(jìn)設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)。結(jié)合企業(yè)需求從產(chǎn)品設(shè)計(jì)，技術(shù)研究，軟件開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品測(cè)試等過(guò)程模擬實(shí)際開(kāi)發(fā)流程，使學(xué)生能夠結(jié)合多學(xué)科的交叉知識(shí)，參與到復(fù)雜工程項(xiàng)目。學(xué)生被劃分為多個(gè)實(shí)驗(yàn)小組，共同參與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。實(shí)驗(yàn)以企業(yè)項(xiàng)目為依托，采用專(zhuān)業(yè)級(jí)的大型任務(wù)，通過(guò)評(píng)估最終結(jié)果評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

大多數(shù)學(xué)生能在指定任務(wù)截止日期前完成，教師可以在設(shè)計(jì)過(guò)程中為學(xué)生提供理論和技術(shù)支持，給學(xué)生提供科學(xué)指引。將實(shí)際企業(yè)項(xiàng)目作為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有助于提升學(xué)生個(gè)人技能、團(tuán)隊(duì)合作能力、領(lǐng)導(dǎo)能力和自主性等能力。

3.5 評(píng)價(jià)模式設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)時(shí)注重教學(xué)評(píng)價(jià)，傳統(tǒng)的教學(xué)評(píng)價(jià)往往考核方式單一，實(shí)驗(yàn)也多采用提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，課堂評(píng)分等方式作為對(duì)學(xué)生能力的評(píng)判。然而傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)模式不適應(yīng)工科實(shí)驗(yàn)側(cè)重實(shí)際操作的需求，不能評(píng)價(jià)學(xué)生實(shí)際的動(dòng)手能力。因此，需要在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中評(píng)價(jià)學(xué)生的操作，在工程項(xiàng)目中引入實(shí)際企業(yè)項(xiàng)目周期的設(shè)計(jì)理念，從需求分析、項(xiàng)目的總體設(shè)計(jì)、代碼的編寫(xiě)和測(cè)試、系統(tǒng)上線和文檔的撰寫(xiě)交付等各環(huán)節(jié)進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)引入需求分析、項(xiàng)目文檔等環(huán)節(jié)的評(píng)價(jià)考核學(xué)生交流、溝通和協(xié)同合作等重要能力；通過(guò)對(duì)項(xiàng)目的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模塊設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)學(xué)生決策、解決問(wèn)題和領(lǐng)導(dǎo)的能力；通過(guò)對(duì)項(xiàng)目的功能和實(shí)現(xiàn)的算法和方法設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)學(xué)生編程能力、查閱分檔和自適應(yīng)學(xué)習(xí)的能力。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)中從輸出中獲得的反饋可以用來(lái)提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

基于Docker 的人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)旨在實(shí)現(xiàn)人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)科研一體化，培養(yǎng)人工智能專(zhuān)業(yè)人才。該平臺(tái)集成已有的人工智能經(jīng)典算法，提供數(shù)據(jù)集，方便學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)，在采用人工智能實(shí)訓(xùn)平臺(tái)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的對(duì)比研究中發(fā)現(xiàn)，使用人工智能平臺(tái)可以提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績(jī)，并且參與的學(xué)生在后續(xù)的實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)中有更好的表現(xiàn)。