一種極低成本的可用于人工智能基礎(chǔ)教學(xué)的軟硬件環(huán)境

本文描述了在開展人工智能相關(guān)的教學(xué)過程中可能面臨的軟硬件環(huán)境限制問題，提出了一種簡易、極低成本、高靈活性的軟硬件環(huán)境構(gòu)建方法。該方法利用光敏傳感器接收電腦屏幕光強(qiáng)度變化構(gòu)建起信號傳遞通路，使得個(gè)人計(jì)算機(jī)在進(jìn)行人工智能模型推理得到結(jié)果后實(shí)現(xiàn)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。同時(shí)，文章給出了一個(gè)具體的人工智能相關(guān)的活動案例：通過生成式人工智能生成界面，借由用戶繪制指向不同方向的箭頭，采集并保存一批帶標(biāo)簽的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練并生成推理模型，并根據(jù)推理結(jié)果控制虛擬小海龜繪圖。

教師在開展人工智能相關(guān)教學(xué)的過程中——無論是面向人工智能原理的教學(xué)，還是人工智能對學(xué)科賦能，常常會面臨軟硬件環(huán)境的限制。例如，教師在前往陌生的環(huán)境進(jìn)行教學(xué)活動或教學(xué)展示時(shí)，可能會遇到設(shè)施不足、設(shè)備不兼容、環(huán)境不熟悉等問題，影響到人工智能相關(guān)教學(xué)的實(shí)施效果；在經(jīng)濟(jì)較為薄弱的地區(qū)，教育資源可能相對匱乏，人工智能教學(xué)設(shè)備可能較為有限，當(dāng)前還較少有可能配備昂貴的算力服務(wù)器，對某些耗費(fèi)算力較多的人工智能活動項(xiàng)目產(chǎn)生阻礙；此外，進(jìn)行軟硬件部署往往需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力，從設(shè)備采購、安裝調(diào)試到系統(tǒng)配置，每一個(gè)環(huán)節(jié)都需要專業(yè)的技術(shù)支持，這都增加了教學(xué)的難度和負(fù)擔(dān)。

在某些情況下，需要一種簡易的、可用于基礎(chǔ)人工智能教學(xué)的軟硬件環(huán)境。這種環(huán)境應(yīng)該具備成本低、搭建簡單、靈活性高的特點(diǎn)，可以讓教師在不同的教學(xué)場景中快速部署和使用，無需復(fù)雜的技術(shù)操作和高昂的成本投入。同時(shí)，它還應(yīng)該具備良好的兼容性和可擴(kuò)展性，能夠適應(yīng)不同的教學(xué)需求和學(xué)生水平。通過這樣的軟硬件環(huán)境，可以為更多的學(xué)生提供優(yōu)質(zhì)的人工智能教育，促進(jìn)教育公平和創(chuàng)新發(fā)展。

在《一種可用于人工智能基礎(chǔ)教學(xué)的輕量級神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理模型的構(gòu)建方法》一文中（刊登于《中國信息技術(shù)教育》雜志2025年第13期），已介紹了為了降低成本，利用TinyML，在邊緣設(shè)備上部署神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理系統(tǒng)的方法，本文將介紹另一種以極低成本快速搭建人工智能軟硬件環(huán)境的路徑：將機(jī)器學(xué)習(xí)或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練框架以及推理模型都部署在普通的個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）上，僅在計(jì)算機(jī)外部保留接收信號的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

個(gè)人計(jì)算機(jī)如何直接與執(zhí)行機(jī)構(gòu)交互信息？

一般來說，嵌入式計(jì)算機(jī)或基于單片機(jī)的電子開發(fā)板可選擇的輸入或輸出接口類型多樣，方式相對個(gè)人計(jì)算機(jī)更靈活。常見的第一種方案是配備一些常用的嵌入式計(jì)算機(jī)或電子開發(fā)板，作為控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的中介（如圖1）；第二種方案是直接在嵌入式計(jì)算機(jī)（如樹莓派、行空板等）上部署機(jī)器學(xué)習(xí)的框架和推理系統(tǒng)（如圖2）；第三種方案是僅在電子開發(fā)板上部署推理系統(tǒng)（如圖3）。上述方案都是可行的，但無論如何，都需要增加硬件和管理上的成本，我們不妨考慮是否存在這樣的可能性：直接讓部署人工智能訓(xùn)練框架和推理系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行交互（如圖4）。

圖1 在個(gè)人計(jì)算機(jī)上部署訓(xùn)練框架和推理系統(tǒng)，將電子開發(fā)板作為控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的中介

圖2 在嵌入式計(jì)算機(jī)上部署訓(xùn)練框架和推理系統(tǒng)

圖3 在個(gè)人計(jì)算機(jī)上部署訓(xùn)練框架，在電子開發(fā)板上部署推理系統(tǒng)

圖4 部署了訓(xùn)練框架和推理系統(tǒng)的個(gè)人計(jì)算機(jī)直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)

然而，個(gè)人計(jì)算機(jī)的輸出設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)配置一般僅僅是顯示器和音箱（或耳機(jī)），其他輸入輸出通道相當(dāng)有限，筆者整理了幾種可能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)直接與執(zhí)行機(jī)構(gòu)交互信息的方法（如下表）。

實(shí)際上，在信號輸入輸出通道搭建過程中涉及相當(dāng)多的細(xì)節(jié)，很難用一張簡單的表格體現(xiàn)出來。例如，使用物聯(lián)網(wǎng)繼電器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開關(guān)的控制，需要另外搭建物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，或借用在線的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器；使用音頻接口的確能發(fā)送信號，但聲音信號是一個(gè)震蕩的波形，在控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)，常常需要額外的電路對聲音波形進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這些都增加了技術(shù)上的實(shí)現(xiàn)難度。有些模塊雖然降低了使用上的難度，如USB轉(zhuǎn)GPIO模塊，但和某些電子開發(fā)板比較，成本上已經(jīng)不具有多少優(yōu)勢了。

借助光敏傳感器輸出信號

本文介紹一種較為特別的方法，來實(shí)現(xiàn)個(gè)人計(jì)算機(jī)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。可以構(gòu)建這樣一個(gè)信號傳遞通路，由光敏傳感器接收電腦屏幕光強(qiáng)度的變化，然后根據(jù)光的強(qiáng)弱，發(fā)送開關(guān)量信號給電機(jī)驅(qū)動芯片，由電機(jī)驅(qū)動芯片控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)或停止。圖5顯示了一種具體的接線方案，這個(gè)方案采用TA6586電機(jī)驅(qū)動芯片，光敏傳感器和電機(jī)驅(qū)動芯片的VCC引腳接電源的正極，它們的GND引腳接電源負(fù)極，光敏傳感器的數(shù)字信號輸出引腳DO接線至電機(jī)驅(qū)動芯片左下角1號引腳也即數(shù)字信號輸入引腳，電機(jī)的正負(fù)兩個(gè)端子接電機(jī)驅(qū)動芯片右上角5號引腳和左上角8號引腳。以此類推，也可以用兩個(gè)光敏傳感器和兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動芯片，控制兩個(gè)電機(jī)。考慮到TA6586電機(jī)驅(qū)動芯片具備控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的功能，還可以用一個(gè)光敏傳感器，一個(gè)非門芯片，通過一個(gè)TA6586芯片，控制一個(gè)電機(jī)的順時(shí)針或逆時(shí)針的旋轉(zhuǎn)，當(dāng)然，這樣接線就會復(fù)雜很多。

圖5 一種由個(gè)人計(jì)算機(jī)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的方式

在一般的信息系統(tǒng)中，光敏傳感器是用來采集輸入信號的，但在上述方案中，光敏傳感器接收到的是計(jì)算機(jī)顯示器的光線強(qiáng)度，只要能控制顯示器光線強(qiáng)度發(fā)生變化，光敏傳感器實(shí)際就成為某個(gè)輸出設(shè)備的一部分了。光敏傳感器和電機(jī)驅(qū)動芯片的成本都很低，即便考慮到用于免焊接的面包板以及導(dǎo)線、電池等元件，到本文截稿為止，某具備兩路輸出通道的輸出設(shè)備的總價(jià)也僅僅在10元左右。

接下來，就是要讓計(jì)算機(jī)屏幕通過明暗變化來對外發(fā)送信號。采用生成式人工智能，只要描述到位，就可以輕松地生成相關(guān)代碼，圖6所示是基于pygame庫實(shí)現(xiàn)窗口明暗交替變化的代碼和運(yùn)行效果。

圖6 基于pygame實(shí)現(xiàn)窗口明暗交替變化的代碼和運(yùn)行效果

為了實(shí)現(xiàn)屏幕明暗變化，除了更換窗口背景色，也可以采用其他多種方法。例如，用turtle庫繪制圓圈，填充黑色，然后清空屏幕，并多次重復(fù)以上過程，這樣就和必修中算法的內(nèi)容產(chǎn)生了關(guān)聯(lián)。

基于低成本輸入輸出設(shè)備的人工智能實(shí)驗(yàn)環(huán)境的搭建

可以利用個(gè)人計(jì)算機(jī)的鍵盤或鼠標(biāo)作為輸入設(shè)備，結(jié)合剛才搭建的輸出設(shè)備，架設(shè)起一些簡單、低成本的人工智能實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

例如，可以用生成式人工智能生成具有這樣功能的代碼：顯示白色背景的窗口，讓用戶在窗口上繪制指向不同方向的箭頭，這樣，不僅可以相當(dāng)簡單地采集并保存一批帶標(biāo)簽的數(shù)據(jù)，還可以用差不多的程序代碼，作為控制外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)的“指揮”界面。圖7所示就是可用于方向箭頭繪制的程序代碼界面，以及按50*50像素保存的圖像及自動生成文件名，圖像標(biāo)簽就隱藏在文件名中。顯然，每一次繪制的箭頭，雖然表示的方向可能是向前、向左、向右，但具體的形態(tài)細(xì)節(jié)是各不相同的，這樣就自然而然產(chǎn)生出了機(jī)器學(xué)習(xí)的需求。

圖7 可用于方向箭頭繪制的程序代碼界面與數(shù)據(jù)采集的結(jié)果實(shí)例

采用較為常見的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架，就可以采用這些圖像，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練以及推理模型的建立。甚至于只要采用傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，如較為簡單的K近鄰算法，就能夠達(dá)到不錯(cuò)的識別正確率。

只要機(jī)器識別出多種符號，如方向箭頭、抬筆指令、落筆指令等，就可以用turtle庫控制虛擬小海龜來繪圖了。當(dāng)然，如果有攝像頭，也可以直接拍攝圖像來識別符號并控制虛擬小海龜。需要注意的是，如果要達(dá)到較好的效果，在前期采集數(shù)據(jù)時(shí)，就需要用攝像頭采集各種符號圖像而不是通過手動繪制采集圖像來構(gòu)建訓(xùn)練集。

這里補(bǔ)充說一下，只需要不多的經(jīng)費(fèi)，就可以將虛擬的海龜實(shí)體化為智能小車。圖8所示是用簡單支架和電機(jī)搭建的智能小車，由于信號通過導(dǎo)線來自光敏傳感器，小車成本極低（如增加無線收發(fā)模塊就可以升級為遙控）。圖9顯示的是兩個(gè)光敏傳感器通過顯示器上顯示的圖案接收信號，這樣，就可以將機(jī)器學(xué)習(xí)模型或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理模型得到的圖像判斷結(jié)果，轉(zhuǎn)換成特定的控制指令發(fā)送給智能小車了。

圖8 小車與架設(shè)了光敏傳感器的支架

圖9 用光敏傳感器接收顯示器上的信號

本文作者：

陳凱

上海市位育中學(xué)

文章刊登于《中國信息技術(shù)教育》

2025年第15期

引用請注明參考文獻(xiàn)：

陳凱.一種極低成本的可用于人工智能基礎(chǔ)教學(xué)的軟硬件環(huán)境[J].中國信息技術(shù)教育，2025（15）：35-38.

歡迎訂閱

識別上方二維碼即可訂閱