基于“云-網(wǎng)-邊-端”融合的智慧實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

摘要：文章以物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)開發(fā)技術(shù)課程為例，旨在構(gòu)建智慧實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)利用人工智能和大模型技術(shù)，賦能實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，提升教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，并有效緩解實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足、時(shí)間空間受限等傳統(tǒng)教學(xué)難題。通過構(gòu)建全程信息化管理的教學(xué)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了主觀題的智能評(píng)判和多種編程語言的在線評(píng)閱，減輕了教師工作負(fù)擔(dān)，提高了作業(yè)批改的效率和準(zhǔn)確性。文章的研究與實(shí)踐，為高校教育信息化改革提供了有力支持，推動(dòng)教育行業(yè)向更加智能化、個(gè)性化的方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：智慧實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；人工智能；大模型；自動(dòng)評(píng)閱

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）32-0086-03 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID） ：

0 引言

在數(shù)字化時(shí)代，教育的質(zhì)量與效率對(duì)國家競爭力至關(guān)重要。教育部副部長吳巖在2024世界人工智能大會(huì)上指出，人工智能是影響教育高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略性、全局性問題[1]。隨著人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，其在教育領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，不僅改變了傳統(tǒng)教學(xué)模式[2]，還深刻影響著教育教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)[3]。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)開發(fā)技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的出口課程，目標(biāo)在于培養(yǎng)學(xué)生在嵌入式Linux環(huán)境下的編程能力，及物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)能力，其實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維的關(guān)鍵。然而，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)面臨設(shè)備不足、時(shí)間空間受限、批改不及時(shí)及過程缺乏跟蹤等諸多挑戰(zhàn)。本文在此背景下，結(jié)合“云-網(wǎng)-邊-端”融合技術(shù)[4]，提出對(duì)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)開發(fā)技術(shù)課程的學(xué)習(xí)環(huán)境進(jìn)行升艙改造，旨在通過人工智能的賦能，構(gòu)建智慧實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)，解決傳統(tǒng)教學(xué)中的痛點(diǎn)問題。

1 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)開發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)

基于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)開發(fā)技術(shù)課程教學(xué)過程遇到的問題，及對(duì)當(dāng)前計(jì)算機(jī)、電子等工程類專業(yè)實(shí)訓(xùn)課程的現(xiàn)狀進(jìn)行深入分析，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)面臨著一系列挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)凸顯了人工智能和大模型賦能的必要性與可行性。

1） 教師批改作業(yè)與實(shí)驗(yàn)負(fù)擔(dān)沉重，反饋周期長。高校教師在教學(xué)過程中需批改大量的練習(xí)、作業(yè)和考試內(nèi)容，尤其是實(shí)訓(xùn)任務(wù)，涉及眾多主觀題和非標(biāo)準(zhǔn)化步驟，導(dǎo)致教師批改工作量巨大，反饋周期長。這迫切需要引入人工智能輔助批改，減輕教師負(fù)擔(dān)，縮短反饋周期。

2） 學(xué)生編程實(shí)踐考核與反饋不及時(shí)。在編程類課程中，學(xué)生作業(yè)常通過FTP、Email等方式提交，由教師逐一閱讀程序和文檔進(jìn)行評(píng)價(jià)。這種方式效率低下，缺乏即時(shí)性。利用大模型進(jìn)行自動(dòng)化程序評(píng)判，可顯著提升考核效率，實(shí)現(xiàn)即時(shí)反饋。

3） 學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)造假與抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重。學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)造假和抄襲行為對(duì)教學(xué)質(zhì)量造成極大損害。由于教師批改工作量繁重，難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理。人工智能技術(shù)的引入，如抄襲檢測系統(tǒng)，能有效識(shí)別并預(yù)防此類行為。

4） 實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)過程缺乏有效監(jiān)控。當(dāng)前實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程評(píng)價(jià)主要依賴作品評(píng)定，缺乏對(duì)學(xué)生實(shí)操過程的全面跟蹤。借助物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)過程的全方位監(jiān)控，提升評(píng)價(jià)的客觀性和準(zhǔn)確性。

5） 實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)資源受限。高校實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)施容量有限，且只能在特定場地使用，對(duì)教務(wù)安排提出高要求。通過構(gòu)建“云-網(wǎng)-邊-端”融合的學(xué)習(xí)環(huán)境，利用云計(jì)算和虛擬化技術(shù)，可有效拓展實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)資源，打破時(shí)間和空間限制。

2 基于人工智能的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案

1） 自動(dòng)智能評(píng)判主觀題。開發(fā)基于人工智能的評(píng)卷系統(tǒng)，利用大模型技術(shù)對(duì)主觀題答案進(jìn)行解析和打分，給出合理評(píng)語。預(yù)期目標(biāo)：提高判卷效率，縮短反饋周期，同時(shí)保證評(píng)分的客觀性和準(zhǔn)確性，減輕教師工作負(fù)擔(dān)。

2） 多種編程語言的智能評(píng)閱。構(gòu)建一個(gè)集成多種編程語言的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，利用后端云平臺(tái)和人工智能算法對(duì)學(xué)生提交的代碼進(jìn)行實(shí)時(shí)編譯、運(yùn)行和評(píng)閱。支持C、C++、Python等多種語言。預(yù)期目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)編程作業(yè)的即時(shí)反饋，提高實(shí)驗(yàn)課效率，幫助教師快速了解學(xué)生實(shí)踐能力，及時(shí)調(diào)整教學(xué)策略。

3）學(xué)生答題弄虛作假和相互抄襲問題。引入人工智能查重技術(shù)，對(duì)學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告、代碼等進(jìn)行內(nèi)容比對(duì)，識(shí)別相似度和潛在抄襲行為。同時(shí)，利用行為分析技術(shù)監(jiān)控學(xué)生答題過程，識(shí)別異常行為。預(yù)期目標(biāo)：有效遏制學(xué)生作弊和抄襲現(xiàn)象，維護(hù)學(xué)術(shù)誠信，提高教學(xué)質(zhì)量。

4） 本地環(huán)境部署過于煩瑣的問題。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)開發(fā)技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)環(huán)境復(fù)雜，需要使用大量的第三方軟件庫，通過Web端直接訪問遠(yuǎn)程云端實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生無須在本地安裝復(fù)雜軟件庫，即可開展實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)。云端環(huán)境預(yù)配置好所有必需工具，確保實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行。預(yù)期目標(biāo)：簡化實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備流程，節(jié)省學(xué)生時(shí)間，使其能更專注于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和思考，提升教學(xué)效率和質(zhì)量。減輕高校在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上的投入壓力。

3 智慧實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)架構(gòu)與功能

教學(xué)平臺(tái)改革和建設(shè)是一項(xiàng)旨在提升教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生實(shí)踐能力的重要舉措。

教務(wù)管理平臺(tái)、教師教學(xué)平臺(tái)和學(xué)生實(shí)訓(xùn)平臺(tái)共同構(gòu)成了平臺(tái)的三大核心模塊，每個(gè)模塊均承載著豐富的功能，以滿足不同用戶群體的需求。

教務(wù)管理平臺(tái)：專注于教育管理的全面支持。它集成了權(quán)限管理功能，確保每位用戶僅能訪問其權(quán)限范圍內(nèi)的資源，保障系統(tǒng)安全。課程資源管理模塊則負(fù)責(zé)課程資源的上傳、更新與刪除，維護(hù)教學(xué)資源的豐富性與時(shí)效性。班級(jí)管理模塊則讓教務(wù)人員能夠輕松管理班級(jí)信息，包括班級(jí)設(shè)置與成員管理。此外，數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)模塊通過深度挖掘平臺(tái)數(shù)據(jù)，為教務(wù)管理者提供決策支持，助力教育管理的科學(xué)化與精細(xì)化。

教師教學(xué)平臺(tái)：致力于提升教學(xué)質(zhì)量與效率。智慧課堂模塊為教師提供了智能化的課堂教學(xué)工具，支持實(shí)時(shí)互動(dòng)與資源推送，增強(qiáng)課堂互動(dòng)性。教學(xué)互動(dòng)模塊則促進(jìn)了師生之間的有效溝通，通過提問、回答與討論等形式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與參與度。AI批改管理模塊則利用人工智能技術(shù)自動(dòng)批改作業(yè)與試卷，大大減輕了教師的工作負(fù)擔(dān)。數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)模塊也為教師提供了教學(xué)效果的直觀反饋，幫助教師及時(shí)調(diào)整教學(xué)策略。

學(xué)生實(shí)訓(xùn)平臺(tái)：注重學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。本地實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ阶寣W(xué)生能夠在模擬真實(shí)環(huán)境的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，提升實(shí)踐技能。遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ絼t打破了地域限制，讓學(xué)生無論身處何地都能參與實(shí)驗(yàn)，拓寬了學(xué)習(xí)渠道。在線預(yù)習(xí)模塊提供了豐富的預(yù)習(xí)資料，幫助學(xué)生提前了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，為實(shí)驗(yàn)課做好準(zhǔn)備。在線教學(xué)互動(dòng)模塊則為學(xué)生與教師之間搭建了溝通的橋梁，支持學(xué)生隨時(shí)提問與討論，促進(jìn)知識(shí)的吸收與內(nèi)化。

4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)智能化功能

實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)旨在通過智能化手段，全面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，主要包括智能化批改[5]、智能化輔導(dǎo)、智能化監(jiān)控和智能化總結(jié)四大核心功能[6]。這些功能的實(shí)現(xiàn)，極大地減輕了教師的工作負(fù)擔(dān)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和效果[7]。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)智能化功能如圖1所示。

1） 智能化批改。實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的核心功能之一便是智能化批改。針對(duì)編程、電路設(shè)計(jì)、文科類習(xí)題等多種類型的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)任務(wù)，平臺(tái)利用大數(shù)據(jù)和人工智能算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)生提交作品的自動(dòng)識(shí)別和批改。這一功能極大地減輕了教師的工作負(fù)擔(dān)，提高了批改的效率和準(zhǔn)確性，同時(shí)也使得學(xué)生能夠及時(shí)獲得反饋，調(diào)整學(xué)習(xí)策略。

2） 智能化輔導(dǎo)。平臺(tái)還提供了智能化輔導(dǎo)功能，通過內(nèi)置的智能算法，能夠根據(jù)學(xué)生的答題情況和進(jìn)度，提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)建議和輔導(dǎo)。無論是針對(duì)編程難題的解析，還是電路設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤提示，平臺(tái)都能給予及時(shí)且有效的幫助，促進(jìn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和問題解決能力的提升。

3） 智能化監(jiān)控。為了全面跟蹤和監(jiān)控學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，平臺(tái)引入了智能化監(jiān)控功能。通過這一功能，教師可以實(shí)時(shí)查看學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度、答題情況、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)表現(xiàn)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行干預(yù)。同時(shí)，學(xué)生也能通過監(jiān)控功能，自我評(píng)估和調(diào)整學(xué)習(xí)狀態(tài)，確保學(xué)習(xí)效果的最大化。

4） 智能化總結(jié)。智能化總結(jié)是平臺(tái)的又一亮點(diǎn)。在完成所有實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)任務(wù)后，平臺(tái)能夠自動(dòng)生成詳細(xì)的學(xué)習(xí)報(bào)告和總結(jié)，包括學(xué)生的學(xué)習(xí)軌跡、成績分析、改進(jìn)建議等。這份報(bào)告不僅為學(xué)生提供了全面的學(xué)習(xí)反饋，也為教師提供了寶貴的教學(xué)參考，有助于進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和方法。

5） 實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)過程。實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)過程嚴(yán)格按照以下步驟進(jìn)行：教師在系統(tǒng)上設(shè)置實(shí)訓(xùn)要求步驟和參考答案：教師根據(jù)教學(xué)大綱和課程目標(biāo)，在平臺(tái)上設(shè)置具體的實(shí)訓(xùn)要求、步驟以及參考答案。這些設(shè)置將作為后續(xù)學(xué)生實(shí)訓(xùn)和平臺(tái)自動(dòng)批改的依據(jù)；學(xué)生在平臺(tái)上完成實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)：學(xué)生登錄平臺(tái)后，根據(jù)教師設(shè)定的實(shí)訓(xùn)要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)操作。平臺(tái)支持多種終端設(shè)備的接入，包括PC端、移動(dòng)端等，方便學(xué)生隨時(shí)隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)。

5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的人工智能評(píng)閱架構(gòu)設(shè)計(jì)

平臺(tái)通過HTTP請(qǐng)求或WebSocket等通信協(xié)議調(diào)用國內(nèi)外常用的大模型API。在調(diào)用過程中，平臺(tái)首先將學(xué)生作業(yè)或?qū)嶒?yàn)報(bào)告轉(zhuǎn)化為大模型可理解的格式，然后發(fā)送至大模型服務(wù)器進(jìn)行處理。

實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)通過調(diào)用國內(nèi)外先進(jìn)的大模型API，實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)生作業(yè)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告及編程題目的高效、準(zhǔn)確評(píng)閱。這一創(chuàng)新性的教學(xué)模式不僅減輕了教師的工作負(fù)擔(dān)，提高了教學(xué)效率和質(zhì)量，還培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力。人工智能評(píng)閱架構(gòu)如圖2所示。

圖2詳細(xì)展示了作業(yè)從提交到AI大模型評(píng)閱并返回結(jié)果的完整流程。系統(tǒng)主要由學(xué)生作業(yè)端、判題服務(wù)API及AI大模型集合三大核心部分組成。

1） 學(xué)生作業(yè)端。學(xué)生在此端完成作業(yè)并提交，隨后可查看批改成績及詳細(xì)解析。這一環(huán)節(jié)通過網(wǎng)頁實(shí)現(xiàn)，提供直觀的用戶界面。

2） 判題服務(wù)API。作為中間橋梁，該API負(fù)責(zé)接收學(xué)生作業(yè)請(qǐng)求，根據(jù)作業(yè)類型和課程要求，智能選擇適合的判題場景和模型。隨后，它將批改任務(wù)提交給AI大模型集合，并接收批改結(jié)果，最終反饋給學(xué)生作業(yè)端。

3） AI大模型集合。集合了多個(gè)大模型，為不同課程提供定制化的批改服務(wù)。它根據(jù)預(yù)設(shè)的改卷規(guī)則，利用相應(yīng)的大模型進(jìn)行精準(zhǔn)批改，確保批改結(jié)果的準(zhǔn)確性和高效性。該集合提供統(tǒng)一的訪問接口，便于判題服務(wù)API的調(diào)用。

整個(gè)流程實(shí)現(xiàn)了作業(yè)的自動(dòng)化評(píng)閱，從提交到反饋，均通過數(shù)字化手段完成，大大提高了批改效率和準(zhǔn)確性，為學(xué)生和教師提供了極大的便利。

6 結(jié)束語

本文構(gòu)建了基于人工智能的智慧實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并對(duì)該平臺(tái)的功能模塊與架構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了全面而深入的闡述。本平臺(tái)已在廣州軟件學(xué)院計(jì)算機(jī)系多門課程進(jìn)行了試點(diǎn)，如C語言程序設(shè)計(jì)、區(qū)塊鏈技術(shù)入門和Linux操作系統(tǒng)等。展望未來，我們將向校內(nèi)更多相關(guān)專業(yè)年級(jí)推廣使用新模式實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，同時(shí)成功經(jīng)驗(yàn)可向兄弟院校推介復(fù)制，形成完善的平臺(tái)產(chǎn)品，并進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化市場推廣，最終實(shí)現(xiàn)校企協(xié)同產(chǎn)教融合。

【通聯(lián)編輯：李雅琪】

基金項(xiàng)目：2023 年廣州軟件學(xué)院校級(jí)“質(zhì)量工程”建設(shè)教學(xué)研究和改革項(xiàng)目：“云-網(wǎng)-邊-端”融合的學(xué)習(xí)環(huán)境升艙改造——以物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)開發(fā)技術(shù)為例