本文描述了在開展人工智能相關(guān)的教學(xué)過(guò)程中可能面臨的軟硬件環(huán)境限制問(wèn)題，提出了一種簡(jiǎn)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(hào)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(duì)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(dòng)案例：通過(guò)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(duì)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(guò)程中——無(wú)論是面向人工智能原理的教學(xué)，還是人工智能對(duì)學(xué)科賦能，常常會(huì)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(dòng)或教學(xué)展示時(shí)，可能會(huì)遇到設(shè)施不足、設(shè)備不兼容、環(huán)境不熟悉等問(wèn)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(duì)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(duì)某些耗費(fèi)算力較多的人工智能活動(dòng)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(gòu)、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(jiǎn)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(jiǎn)單、靈活性高的特點(diǎn)，可以讓教師在不同的教學(xué)場(chǎng)景中快速部署和使用，無(wú)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(guò)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(jí)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(guó)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(hào)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(lái)說(shuō)，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(duì)個(gè)人計(jì)算機(jī)更靈活。常見(jiàn)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(wú)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(hào)輸入輸出通道搭建過(guò)程中涉及相當(dāng)多的細(xì)節(jié)，很難用一張簡(jiǎn)單的表格體現(xiàn)出來(lái)。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(hào)，但聲音信號(hào)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(duì)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(shì)了。

借助光敏傳感器輸出信號(hào)

本文介紹一種較為特別的方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)個(gè)人計(jì)算機(jī)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制?？梢詷?gòu)建這樣一個(gè)信號(hào)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(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)芯片，光敏傳感器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(hào)輸出引腳DO接線至電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片左下角1號(hào)引腳也即數(shù)字信號(hào)輸入引腳，電機(jī)的正負(fù)兩個(gè)端子接電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片右上角5號(hào)引腳和左上角8號(hào)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(dòng)芯片，控制兩個(gè)電機(jī)?？紤]到TA6586電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(guò)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(huì)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(lái)采集輸入信號(hào)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(dòng)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(lái)，就是要讓計(jì)算機(jī)屏幕通過(guò)明暗變化來(lái)對(duì)外發(fā)送信號(hào)。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(kù)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(kù)繪制圓圈，填充黑色，然后清空屏幕，并多次重復(fù)以上過(guò)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(jiǎn)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(jiǎn)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(dòng)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(jiàn)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(jiǎn)單的K近鄰算法，就能夠達(dá)到不錯(cuò)的識(shí)別正確率。

只要機(jī)器識(shí)別出多種符號(hào)，如方向箭頭、抬筆指令、落筆指令等，就可以用turtle庫(kù)控制虛擬小海龜來(lái)繪圖了。當(dāng)然，如果有攝像頭，也可以直接拍攝圖像來(lái)識(shí)別符號(hào)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(hào)圖像而不是通過(guò)手動(dòng)繪制采集圖像來(lái)構(gòu)建訓(xùn)練集。

這里補(bǔ)充說(shuō)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(jiǎn)單支架和電機(jī)搭建的智能小車，由于信號(hào)通過(guò)導(dǎo)線來(lái)自光敏傳感器，小車成本極低（如增加無(wú)線收發(fā)模塊就可以升級(jí)為遙控）。圖9顯示的是兩個(gè)光敏傳感器通過(guò)顯示器上顯示的圖案接收信號(hào)，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(hào)

本文作者：

陳凱

上海市位育中學(xué)

文章刊登于《中國(guó)信息技術(shù)教育》

2025年第15期

引用請(qǐng)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(guó)信息技術(shù)教育，2025（15）：35-38.

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