嵌入式人工智能教學(xué)科研平臺(tái)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革

摘 要：隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)終端設(shè)備幾乎都配備了AI攝像頭，各類終端設(shè)備應(yīng)用了嵌入式技術(shù)。在嵌入式AI背景下，改革傳統(tǒng)嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建了一個(gè)與人工智能相關(guān)的實(shí)驗(yàn)開發(fā)環(huán)境，并通過PC串口軟件實(shí)驗(yàn)及嵌入式人工智能開發(fā)板進(jìn)行人工智能數(shù)據(jù)交換。嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容改革滿足了學(xué)生課后進(jìn)一步學(xué)習(xí)人工智能實(shí)驗(yàn)的需求，拓展了學(xué)生對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)、機(jī)器視覺等嵌入式人工智能領(lǐng)域的知識(shí)面，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式AI的興趣。課程實(shí)踐結(jié)果表明，基于人工智能的嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力發(fā)揮了重要作用。

關(guān)鍵詞：終端設(shè)備；人工智能；教學(xué)改革；嵌入式AI；機(jī)器視覺；數(shù)據(jù)交互

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）08-0-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.08.042

0 引 言

當(dāng)前，隨著嵌入式AI技術(shù)的發(fā)展，智能機(jī)器人及應(yīng)用嵌入式AI技術(shù)的人工智能產(chǎn)品在人們的生活中逐漸普及，傳統(tǒng)的以MCS51系列單片機(jī)為代表的嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)以及傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)方法已不能滿足快速、高效、復(fù)雜的嵌入式人工智能應(yīng)用實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目測(cè)試要求，因此開設(shè)嵌入式人工智能系統(tǒng)課程及對(duì)傳統(tǒng)的嵌入式實(shí)驗(yàn)課程項(xiàng)目進(jìn)行改革十分必要[1]。

以嵌入式人工智能開發(fā)板為載體，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，在PC端Python人工智能開發(fā)環(huán)境編程語言中融合了7個(gè)嵌入式AI實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，如：計(jì)算機(jī)視覺基于YOLOv5目標(biāo)檢測(cè)的語音告警、計(jì)算機(jī)視覺基于YOLOv5目標(biāo)計(jì)數(shù)檢測(cè)的告警、嵌入式人工智能開發(fā)平臺(tái)i.MX8的使用（人工智能配置）、嵌入式人工智能CNN手寫數(shù)字識(shí)別、嵌入式人工智能文字識(shí)別實(shí)驗(yàn)、嵌入式人工智能人臉檢測(cè)、嵌入式人工智能人臉識(shí)別實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)課程項(xiàng)目軟硬件的練習(xí)、學(xué)習(xí)，加深學(xué)生對(duì)嵌入式實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)的理解，讓學(xué)生體會(huì)人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)、視覺開發(fā)的樂趣，為學(xué)生后續(xù)畢業(yè)設(shè)計(jì)工作的開展拓寬思路[2-3]。

1 嵌入式AI

課程改革嘗試新的嵌入式人工智能教學(xué)內(nèi)容，讓人工智能知識(shí)走進(jìn)嵌入式實(shí)驗(yàn)課堂，為理工類專業(yè)課程學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。為了使嵌入式實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)取得良好的效果，論文對(duì)嵌入式實(shí)驗(yàn)課程項(xiàng)目從機(jī)器學(xué)習(xí)和機(jī)器視覺兩個(gè)方面進(jìn)行了系列實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)內(nèi)容改革[4]。

嵌入式AI，又稱為EAI（Embedded Artificial Intelligence），

是內(nèi)置在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的AI功能通用框架系統(tǒng)，為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上基于AI算法的模塊提供公共模型管理、數(shù)據(jù)獲取和預(yù)處理功能，并且支持將推理結(jié)果發(fā)送給基于AI算法的相關(guān)功能模塊。此舉不僅能夠充分利用設(shè)備的樣本數(shù)據(jù)和計(jì)算能力，還具有降低數(shù)據(jù)傳送成本、保證數(shù)據(jù)安全以及保證推理決策的實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)。

2 學(xué)情分析

在嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生普遍屬于“眼高手低”型，教師講到重難點(diǎn)時(shí)，會(huì)反復(fù)強(qiáng)調(diào)要求學(xué)生掌握，而大部分學(xué)生的課上回應(yīng)也能跟上教師的講解節(jié)奏，但測(cè)試和實(shí)踐效果不理想。說明學(xué)生理解應(yīng)用能力不強(qiáng)、學(xué)習(xí)主動(dòng)性較弱是學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)差的主要原因。嵌入式課程具有很強(qiáng)的工程實(shí)踐性，為了更深層次提高學(xué)生專業(yè)水平與當(dāng)下人工智能技術(shù)的融合，也為了適應(yīng)當(dāng)下人工智能技術(shù)在產(chǎn)業(yè)工作中的應(yīng)用，課程針對(duì)傳統(tǒng)嵌入式裸機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了針對(duì)性改革及更新[5]。

2.1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程存在的問題

傳統(tǒng)的嵌入式教學(xué)中存在一些問題，如嵌入式設(shè)備老舊，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容仍然停留在嵌入式匯編方面，嵌入式硬件設(shè)備滿足的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目停留在硬件流水燈、硬件蜂鳴器、LCD觸摸屏顏色顯示項(xiàng)目等[6]。上述實(shí)驗(yàn)問題的存在，使得學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)興趣不高，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不明顯，學(xué)生無法通過傳統(tǒng)的嵌入式項(xiàng)目與實(shí)際生活應(yīng)用中存在的大量嵌入式AI技術(shù)聯(lián)系起來。

2.2 課程教學(xué)目標(biāo)

通過對(duì)嵌入式實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容的改革，使得學(xué)生可以了解嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的基本概念、特點(diǎn)分類，掌握嵌入式系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)的基本方法，基于人工智能等學(xué)科相關(guān)原理和方法選擇研究路線，設(shè)計(jì)可行的嵌入式人工智能項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)方

案[7]。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，學(xué)生初步了解嵌入式AI智能方面的應(yīng)用知識(shí)，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行二次開發(fā)，設(shè)計(jì)出更加貼近生活的嵌入式AI實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

3 改革方案設(shè)計(jì)

本著“以學(xué)生為中心”的教育理念，按照設(shè)定的改革目標(biāo)，針對(duì)現(xiàn)有學(xué)生的層次和能力，改革“嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用”課程原有的講授內(nèi)容，采用嵌入式人工智能科研平臺(tái)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)和機(jī)器視覺，便于學(xué)生對(duì)人工智能科研知識(shí)進(jìn)行針對(duì)性學(xué)習(xí)、梳理、練習(xí)和討論，并帶著問題和疑惑與師生開展進(jìn)一步的學(xué)習(xí)和交流。通過教師的指導(dǎo)，使學(xué)生真正參與到嵌入式AI知識(shí)學(xué)習(xí)的過程中來。隨著嵌入式AI技術(shù)在人工智能產(chǎn)業(yè)中的大量應(yīng)用，傳統(tǒng)以硬件接口技術(shù)為主的嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容改革。

3.1 加強(qiáng)嵌入式軟件的開發(fā)

傳統(tǒng)以嵌入式硬件接口技術(shù)為主的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要考查學(xué)生對(duì)嵌入式硬件編程內(nèi)容的測(cè)試。隨著嵌入式AI技術(shù)的普及，面向嵌入式AI實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，主要考查學(xué)生對(duì)機(jī)器視覺及深度學(xué)習(xí)在嵌入式硬件中的結(jié)合。改革課程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件環(huán)境，通過PC端進(jìn)行嵌入式人工智能環(huán)境搭建。PC端環(huán)境搭建需要借助Python、PyCharm等。此外，還可在實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)中增設(shè)以Linux為基礎(chǔ)的程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)[8]。

3.2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的改進(jìn)

傳統(tǒng)的基于硬件的嵌入式實(shí)驗(yàn)課程針對(duì)各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具體的實(shí)驗(yàn)步驟、原理以及實(shí)驗(yàn)代碼都會(huì)形成十分詳細(xì)的描述，而且還會(huì)將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目做成相應(yīng)的工程文件。在實(shí)驗(yàn)過程當(dāng)中，學(xué)生僅需將相應(yīng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目工程的文件打開，隨后點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕便能獲得結(jié)果。而該過程對(duì)于學(xué)生實(shí)踐能力的鍛煉并不具備實(shí)際價(jià)值。所以，在指導(dǎo)學(xué)生參與實(shí)踐的過程中，教師需要對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行改進(jìn)，具體內(nèi)容如下所示。

（1）拓展實(shí)驗(yàn)要求。無法直接使用實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)相配套的項(xiàng)目工程，要求學(xué)生自主思考，主動(dòng)探索完成軟件設(shè)計(jì)工作。如在實(shí)驗(yàn)軟件部分通過實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的講解，教師的操作，讓學(xué)生學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的配置，在人工智能實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目調(diào)試過程中逐漸積累開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，從而提升學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與動(dòng)手

能力[9]。

（2）縮減驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，增設(shè)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)的嵌入式硬件實(shí)驗(yàn)大部分涉及實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)的驗(yàn)證，通過項(xiàng)目程序編譯，燒錄至開發(fā)板中進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可開發(fā)度有限，對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維培養(yǎng)的作用不大。因此，在對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇的過程中，要積極提倡對(duì)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，設(shè)置更多創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。如在嵌入式人臉檢測(cè)實(shí)驗(yàn)后，拓展嵌入式人臉識(shí)別實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生自己完成相關(guān)人臉識(shí)別項(xiàng)目的二次

開發(fā)。

（3）以現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)為基礎(chǔ)，對(duì)外部功能模塊進(jìn)行拓展。目前所應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)大都只具備基本通用功能模塊，而在學(xué)生掌握代碼編寫技能后，應(yīng)在課堂上設(shè)置實(shí)練環(huán)節(jié)，進(jìn)行適當(dāng)拓展，比如，讓學(xué)生學(xué)習(xí)開發(fā)基于YOLOv5火焰目標(biāo)檢測(cè)的語音告警，以有效鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力。學(xué)生通過學(xué)習(xí)視覺識(shí)別火焰知識(shí)，能夠更好地了解嵌入式技術(shù)跟實(shí)際應(yīng)用之間如何對(duì)接，便于培養(yǎng)實(shí)踐型

人才。

4 人工智能開發(fā)板的嵌入式課程教學(xué)改革

4.1 取消實(shí)驗(yàn)空間和時(shí)間限制

課程改革將笨重的嵌入式實(shí)驗(yàn)箱替換為輕便的ARM開發(fā)板，如圖1、圖2所示。學(xué)生領(lǐng)取開發(fā)板后可在實(shí)驗(yàn)后將開發(fā)板帶回宿舍繼續(xù)使用，在最后一次實(shí)驗(yàn)課后歸還開發(fā)板即可。通過QQ、雨課堂等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)輔助平臺(tái)工具，統(tǒng)一托管學(xué)生的實(shí)驗(yàn)代碼和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。學(xué)生離開實(shí)驗(yàn)室后，依然可以繼續(xù)訪問實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和代碼。

4.2 設(shè)計(jì)解決復(fù)雜問題的連續(xù)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)課程改革后，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目由傳統(tǒng)的基于嵌入式GEC6818開發(fā)板裸機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)變成了計(jì)算機(jī)視覺基于YOLOv5目標(biāo)檢測(cè)的語音告警、計(jì)算機(jī)視覺基于YOLOv5目標(biāo)計(jì)數(shù)檢測(cè)的告警、嵌入式人工智能開發(fā)平臺(tái)i.MX8的使用（人工智能配置）、嵌入式人工智能CNN手寫數(shù)字識(shí)別、嵌入式人工智能文字識(shí)別、嵌入式人工智能人臉檢測(cè)、嵌入式人工智能人臉識(shí)別實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，軟件環(huán)境涉及Python編程語言，技術(shù)涉及機(jī)器視覺、深度學(xué)習(xí)等，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)的鍛煉，具備了一定的嵌入式AI項(xiàng)目申報(bào)及開發(fā)的專業(yè)技術(shù)能力[10]。

4.3 滿足不同學(xué)生的實(shí)踐需要

在實(shí)驗(yàn)課上，教師為學(xué)生講解實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)部分，教師通過實(shí)踐操作演示，保證大部分同學(xué)能夠順利完成實(shí)驗(yàn)的主體部分。對(duì)于能力較弱而無法在實(shí)驗(yàn)課內(nèi)完成的學(xué)生，則可通過增加課外時(shí)間的投入及通過錄制的演示視頻加強(qiáng)學(xué)習(xí)。對(duì)于能力較強(qiáng)的學(xué)生，則鼓勵(lì)其自由增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，如在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的拓展進(jìn)而提升實(shí)驗(yàn)難度。

4.4 嵌入式AI計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目展示

文中挑選了一個(gè)嵌入式AI計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行展示。機(jī)器視覺計(jì)數(shù)系統(tǒng)包括2部分：一是通過機(jī)器視覺對(duì)特定目標(biāo)的檢測(cè)；二是通過對(duì)行人模型特征的提取，在計(jì)算機(jī)PC端YOLOv5環(huán)境下建立行人模型，通過攝像頭實(shí)現(xiàn)對(duì)行人數(shù)量信息的視覺檢測(cè)并在顯示界面實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)的行人數(shù)量。此外，視覺目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)可對(duì)視覺目標(biāo)閾值進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)目標(biāo)數(shù)量超過預(yù)期數(shù)值時(shí)，監(jiān)控畫面會(huì)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)報(bào)警提示。行人模型目標(biāo)測(cè)試結(jié)果及目標(biāo)人數(shù)超過預(yù)期數(shù)值時(shí)的視覺報(bào)警畫面如圖3、圖4所示。

文中的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有助于學(xué)生后續(xù)對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的二次開發(fā)，通過機(jī)器視覺計(jì)數(shù)的深入開發(fā)能夠在一定程度上對(duì)特殊人員密集場(chǎng)合的人流量密集度提前進(jìn)行預(yù)判，便于公共場(chǎng)所管理部門及時(shí)采取措施。

5 結(jié) 語

嵌入式技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用推動(dòng)了自動(dòng)化和信息化進(jìn)程，人工智能相關(guān)技術(shù)應(yīng)用的快速發(fā)展對(duì)信息技術(shù)人才提出了更高的要求。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)嵌入式AI技術(shù)的理解及通過實(shí)驗(yàn)開發(fā)板進(jìn)行嵌入式AI項(xiàng)目的二次開發(fā)，如基于聲音報(bào)警的吸煙識(shí)別系統(tǒng)等。通過實(shí)驗(yàn)改革鍛煉了學(xué)生軟件編程的能力，提升了學(xué)生進(jìn)行嵌入式實(shí)驗(yàn)的技術(shù)水平，培養(yǎng)了學(xué)生進(jìn)行知識(shí)整合、自主學(xué)習(xí)及完成嵌入式人工智能開發(fā)的能力。

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收稿日期：2023-06-05 修回日期：2023-07-07

基金項(xiàng)目：三亞學(xué)院產(chǎn)品思維導(dǎo)向特色課程改革項(xiàng)目：嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用（SYJKCP2023085）

作者簡(jiǎn)介：黃恒一（1988—），男，河南信陽人，研究生，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)器視覺、路徑規(guī)劃。