借助開源硬件開展人工智能實(shí)驗教學(xué) ——以虛谷號為例

謝作如

人工智能是通過智能機(jī)器延伸、增強(qiáng)人類改造自然、治理社會能力的新興技術(shù)。2017年，國務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，提出要“實(shí)施全民智能教育項目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程”。隨后發(fā)布的《高中信息技術(shù)新課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（下面簡稱“2017版課標(biāo)”），不僅在必修模塊1“數(shù)據(jù)與計算”中加入了人工智能的要求，還獨(dú)立設(shè)置了一個名為“人工智能初步”的選擇性必修模塊。

● 人工智能教育與開源硬件

2017版課標(biāo)對人工智能的學(xué)習(xí)提出了較高的要求，要求“搭建面向?qū)嶋H生活的應(yīng)用場景”的智能系統(tǒng)，既然要搭建智能系統(tǒng)，那么學(xué)生如果僅了解人工智能的基礎(chǔ)算法是不夠的，還需要熟悉常見的人工智能開發(fā)工具和框架。新編寫的高中教材全部采用Python作為基礎(chǔ)語言，支持Python的人工智能框架則成了首選。Python語言具有開源和跨平臺的特點(diǎn)，在Linux系統(tǒng)下資源更多，樹莓派、虛谷號之類能運(yùn)行Linux系統(tǒng)的開源硬件，自然而然成為學(xué)習(xí)人工智能的重要載體，也因此，2017版課標(biāo)中多處提到了開源硬件。

● 借助開源硬件完成經(jīng)典人工智能實(shí)驗

高校里的人工智能課程教學(xué)，一般會結(jié)合系列實(shí)驗，讓學(xué)生親歷過程以培養(yǎng)能力。做實(shí)驗則需要環(huán)境，搭建能夠完成一系列人工智能實(shí)驗的Python環(huán)境，需要安裝很多擴(kuò)展庫，但現(xiàn)在中小學(xué)的機(jī)房絕大多數(shù)采用的是Windows系統(tǒng)，以至于配置編程環(huán)境成為一項難度很大的工作，還常常會發(fā)生模塊之間不兼容的問題，讓初學(xué)Python的教師無從入手。

開源硬件的固件安裝方便，用專用的工具“刷入”即可。結(jié)合高中教材分析，開源硬件能夠支持以下三類人工智能實(shí)驗。

①人工智能基礎(chǔ)算法實(shí)驗。絕大多數(shù)的教材會將專家系統(tǒng)、K近鄰聚類、K均值分類、決策樹、回歸分析、貝葉斯分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等作為人工智能基礎(chǔ)算法。支持這些實(shí)驗的Python庫主要有scikit-learn、Keras和Tensorflow等。

②特定環(huán)境支持的人工智能實(shí)驗。計算機(jī)視覺、OCR、語音識別、自然語言處理之類是人工智能的主要應(yīng)用領(lǐng)域，需要一些特定的庫支持。計算機(jī)視覺一般選擇OpenCV，人臉識別還會借助Dlib和face_recognition等。離線版本的語音識別庫效果都不太好，建議使用百度AI開放平臺的SDK，或者騰訊AI的WebAPI。自然語言處理還需要支持中文分詞的庫，如jieba。

需要強(qiáng)調(diào)的是，語音識別中的語音喚醒實(shí)驗在Windows下沒有找到特別合適的庫，而Linux下可以使用Snowboy或者百度AI的SDK。

③結(jié)合傳感控制的復(fù)雜交互實(shí)驗。隨著人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展，人機(jī)交互不再是單純的命令輸入和輸出，越來越體現(xiàn)出“自然交流”的特點(diǎn)。人工智能也逐步擬人化、可視化，真實(shí)可觸可交互。

在普通的計算機(jī)上，幾乎沒有辦法實(shí)現(xiàn)“傳感與控制”，因為需要借助與各種外設(shè)或者智能終端，而開源硬件是智能終端的典型代表，其芯片引腳電平可以編程控制，不僅能夠輸出高低電平、讀取電平狀態(tài)，還具備ADC和PWM的功能，是實(shí)現(xiàn)人工智能復(fù)雜交互的最好選擇。

● 在虛谷號上做人工智能實(shí)驗

相對來說，能在普通電腦上完成的人工智能實(shí)驗，在虛谷號上也能完成。虛谷號上已經(jīng)預(yù)裝了Python和常見AI框架，在虛谷號上我們成功完成了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一系列實(shí)驗，具體如下表所示。

一般來說，一個完整的機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)驗，分成收集數(shù)據(jù)、清洗數(shù)據(jù)、模型搭建、訓(xùn)練模型、評估模型和應(yīng)用模型這幾個基本步驟。在虛谷號上不僅可以完成實(shí)驗，體驗所有的步驟，還可以直接應(yīng)用模型搭建一個智能信息系統(tǒng)。以手寫數(shù)字識別、手勢識別實(shí)驗為例，在虛谷號上訓(xùn)練完成后，即可直接使用USB攝像頭輸入手寫數(shù)字或者手勢，虛谷號用語音（音箱）或者動作（舵機(jī)）的方式，將識別結(jié)果表達(dá)出來。這是對實(shí)驗結(jié)果的拓展，學(xué)生不僅完成了一個實(shí)驗，還開發(fā)一個典型的創(chuàng)客作品。

● 借助虛谷號開展人工智能實(shí)驗的優(yōu)勢

1.開機(jī)可學(xué)習(xí)，環(huán)境方便攜帶

虛谷號上運(yùn)行著完整的Linux系統(tǒng)，學(xué)生用遠(yuǎn)程桌面或者Web方式訪問。只要有網(wǎng)絡(luò)，開機(jī)即可連接使用，并且板子上內(nèi)置了一系列ipynb格式的學(xué)習(xí)課程，方便自主學(xué)習(xí)。學(xué)生可以將虛谷號帶回家研究，相當(dāng)于一個可便攜移動的編程服務(wù)器，體現(xiàn)出OYBD（Bring Your Own Device）的特點(diǎn)。

2.訓(xùn)練即應(yīng)用，模型直接部署

常見的機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)驗，當(dāng)完成了“模型評估”環(huán)節(jié)后，實(shí)驗就結(jié)束了。對中小學(xué)的學(xué)生而言，這樣的學(xué)習(xí)是不夠的，他們需要學(xué)以致用，需要應(yīng)用模型搭建出智能信息系統(tǒng)，得到更加真實(shí)的體驗。虛谷號不僅可以部署自己訓(xùn)練出來的模型，還可以運(yùn)行在其他平臺上訓(xùn)練的模型，兼容性很好。

● 結(jié)語

除了虛谷號之外，開展人工智能實(shí)驗的開源硬件還有好幾種選擇，如樹莓派、Jetson Nano、LattePanda等。這些硬件的價格都不貴，都能很好地完成這些經(jīng)典實(shí)驗。為了鼓勵更多的學(xué)校使用開源硬件，2017版課標(biāo)還在“教學(xué)提示”部分特意提出，要“充分利用豐富的開源硬件和AI框架等資源”，要“搭建面向?qū)嶋H生活的應(yīng)用場景”，要采用小組合作、項目學(xué)習(xí)等方式組織教學(xué)，鼓勵學(xué)生積極探究、大膽實(shí)踐。

其實(shí)，不僅僅“人工智能初步”模塊需要開源硬件，必修模塊“信息系統(tǒng)與社會”和選擇性必修模塊“開源硬件項目設(shè)計”“網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)”的教學(xué)，同樣需要開源硬件。期望有更多的教師去了解開源硬件，并利用開源硬件教學(xué)人工智能，讓我們的學(xué)生都能更加真實(shí)地觸摸人工智能、理解人工智能、駕馭人工智能。