讓人工智能應用“動”起來

夏正仁　陳建林

在中小學階段實施人工智能教育，主要有體驗、應用及實現(xiàn)三種模式。[1]其中教學適用對象最為寬廣的是應用模式，即通過API方式來調(diào)用人工智能平臺提供的特色服務與功能，并將其集成到學生的自主項目中。

● pinpong庫與實驗器材的約束問題

以人工智能應用為主題的學生自主項目，大多以語音識別、計算機視覺、自然語音處理及機器學習等為主[2]，這些項目主題的開放性與活動的趣味性通常會受到實驗室器材的約束。多數(shù)教師只提供臺式計算機、耳麥等極簡設備，學生只能在機房內(nèi)實施相關的項目活動。顯示器與耳機只支持文字、圖像及聲音等信息的輸出，而無法直接滿足自動駕駛、智慧停車、智慧門禁等智能系統(tǒng)對機械運動的控制需求。

舵機是較為理想的用于控制智能系統(tǒng)機械運動的元器件，它通常由Arduino、micro：bit及掌控板等開源硬件來驅(qū)動。開源硬件是通過數(shù)字輸出引腳來實現(xiàn)與舵機連接，并通過程序代碼實現(xiàn)驅(qū)動控制。除了舵機之外，開源硬件還可通過自帶的數(shù)字或模擬引腳來連接各種傳感器、LED燈及屏幕等各種元器件，可以用來搭建較復雜的智能系統(tǒng)模型，實現(xiàn)多模態(tài)的互動，以增強人工智能應用的樂趣。學生只要掌握開源硬件的一般知識，并具備對其編程的能力，就可以完成自主項目任務。但由于開源硬件的類型繁多、適用的編程語言復雜，教師和學生都要花費較多的時間來學習與之相關的知識，才能解決項目實施中可能會出現(xiàn)的硬件兼容及編程等問題。這種要求既推高了人工智能教育對師資的要求，也影響了其在中小學階段的普及與發(fā)展。于是，用技術(shù)來解決開源硬件編程過難問題，也就呼之即出。

pinpong庫正是在該背景下誕生的技術(shù)產(chǎn)物，它是一個基于Firmata協(xié)議開發(fā)的Python硬件控制庫。目前，pinpong庫不僅支持各種開源硬件，還支持虛谷號、樹莓派和拿鐵熊貓等卡片式計算機。有了pinpong庫，開發(fā)者不再被繁雜的硬件型號束縛，可以直接運用Python語言對各種開源硬件進行編程。

● pinpong庫與開源硬件的應用實例

“傳情達意”表情機器人是一個以計算機視覺應用為主題的學生自主項目，嘴形控制是機器人實現(xiàn)表情表達的一項關鍵功能，其基本原理是控制者通過攝像頭來向表情機器人傳遞自己的嘴形信息，從而實現(xiàn)機器人的嘴形能與控制者的嘴形一起實時變化，實現(xiàn)張嘴、閉嘴等基本活動。本文以此為例，來探討人工智能教育應用pinpong庫與開源硬件的相關知識。

1.技術(shù)實現(xiàn)方案

本實例分為傳感和驅(qū)動兩部分。傳感部分的實現(xiàn)，主要是由PC機來捕獲攝像頭的人臉圖片，并經(jīng)由百度AI開放平臺的API方式，返回如圖1所示的人臉輪廓信息的150個關鍵點分布數(shù)據(jù)，并獲取嘴巴的張合度判斷點（landmark67和landmark70）。驅(qū)動部分，就是通過兩個數(shù)據(jù)參數(shù)來計算嘴巴的張合大小，并將角度值傳遞給舵機，以驅(qū)動舵機旋轉(zhuǎn)適當?shù)慕嵌取?/p>

2.實驗器材需求

本技術(shù)方案的實驗器材需求如表1所示。

3.搭建系統(tǒng)模型

（1）微型舵機與DFRDUINO連線圖（如上頁圖2）

（2）機器人嘴形裝配（如上頁圖3）

（3）簡易系統(tǒng)模型整體組裝（如圖4）

4.架設開發(fā)環(huán)境

（1）安裝pinpong庫

使用“pip install pinpong”命令來安裝pingpong庫，并通過“pinpong”命令來檢測是否安裝成功。

（2）安裝python-opencv庫和baidu-aip庫

python-opencv庫用來控制攝像頭拍攝人臉圖片，從而傳輸?shù)桨俣華I開放平臺進行識別。baidu-aip庫是百度AI開放平臺提供給用戶進行人工智能識別的python API。其安裝命令為“pip install python-opencv baidu-aip”。

5.代碼編寫（如上頁表2）

● pinpong庫在人工智能應用中的展望

從上述實例可知，pinpong庫的出現(xiàn)為學生搭建復雜智能系統(tǒng)模型提供了新的途徑，并簡化了對開源硬件的編程過程，使得學生可以快速地實現(xiàn)更有創(chuàng)意的項目，進而激發(fā)參與項目式學習的成就感。

pinpong庫的功能較為強大，它支持Python直接讀取紅外線、超聲波及溫濕度等傳感器所獲取的信息，支持近場感應通信（NFC），從而實現(xiàn)智能系統(tǒng)對周邊環(huán)境的實時感知。它支持舵機、LED燈帶等輸出設備，從而讓智能系統(tǒng)具備多模態(tài)的互動應用形式。有了開源硬件及pinpong庫的支持，教師可以創(chuàng)設更為逼真的項目式教學情境，設計較為復雜的生活問題，學生則可以根據(jù)自身對問題的理解而提出項目任務及其解決目標，并根據(jù)實驗室提供的條件設計活動方案。在此情形下，人工智能應用的項目主題不再單一，智能系統(tǒng)搭建方案不再簡陋，項目式學習空間也不再僅局限于計算機機房，信息技術(shù)學科的核心素養(yǎng)必將能夠得到更好的落實。

參考文獻：

[1]樊磊.中小學人工智能課程的設計與實施建議[J].中小學數(shù)字化教學，2020（09）：23.

[2]楊念，陳聰.淺談高校人工智能實驗室建設的研究[J].電子制作，2019（18）：67-68.