認識“虛谷號”

于方軍 喬君

編者按：2017年7月，國務院印發的《新一代人工智能發展規劃》明確提出：實施全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育。規劃的頒布為我國在基礎教育領域布局“人工智能教育”提供了政策上的保障，并指明了發展方向。但是人工智能涉及領域非常廣，有硬件、軟件，工程學、編程等，對教師的要求也特別高，針對如何在中小學具體落實的問題，本欄目后續幾期將通過基于“虛谷號”設計的系列課例，介紹在創客教育基礎上開展Python編程教學和人工智能教學的一些相關探索，以期能對廣大信息技術教師有所幫助。

虛谷號是中國電子學會現代教育技術分會創客教育專家委員會支持開發的一款具有中國特色的開源硬件。“虛谷號”的寓意是：虛懷若谷，兼容并蓄，繼往開來。這款開源硬件繼承了Arduino、樹莓派、Micro：bit等開源硬件的優點。其開發目標是：技術門檻如Micro：bit一樣低，支持Python和網絡，支持虛擬磁盤燒錄，性能和成本優于樹莓派，能夠兼容大部分Arduino項目，降低教師的時間成本和學校的經濟成本。

● 虛谷號硬件

虛谷號是一款面向人工智能教學和Python編程學習的中國原創開源硬件，板內集成了高性能處理器和通用單片機，內置多功能擴展接口和多種通信接口，為人工智能和Python編程教學提供了完整的課程資源包。同時，它具有Linux的操作系統，又支持Arduino生態系統的各種開源硬件，這就類似于一塊樹莓派加一塊Arduino板，而且還具備U盤模式。因此，它既可以連接上顯示器、鍵盤鼠標成為一款獨立卡片電腦，又可以通過數據線連到計算機上作為一個類似于Micro：bit的外接開源硬件（如圖1）。

通過串口虛谷號可以與板載Arduino UNO連接，且可以用任何一款Arduino的編程工具，展開Arduino代碼編寫，進而控制Arduino UNO的所有引腳。例如，虛谷號給Arduino UNO寫上標準的FirMata協議，通過串口命令控制Arduino引腳，進而降低初學者的開發門檻。同時，系統還提供了和MicroPython語法完全兼容的“xugu庫”供Python編程時調用。

另外，通過虛谷號的引腳圖（如下頁圖2）可以看到虛谷號和Arduino UNO完全兼容，在Arduino UNO上使用的擴展板可以用到虛谷號上，對應的一些傳感器和硬件也可以通用，前期開展Arduino教學的套件如傳感器、馬達等，都可以繼續在虛谷號上使用，這就大大降低了經濟成本和學習時間成本。

● 虛谷號預裝編程軟件

虛谷號運行完整的Linux系統，同時預裝了部分編程教學軟件。

1.Scratch

Scratch作為編程教學的中小學入門語言已經被國內大多數中小學教師認可，虛谷號定位于學生編程計算機，也支持Scratch教學，其本身預裝了Scratch1.4版本，支持純軟件的Scratch教學，Scratch高版本的學習支持瀏覽器模式，利用虛谷號預裝的Google瀏覽器可以訪問相應的網站（如好好搭搭、編程貓等）開展相關學習。

Scratch支持的開源硬件教學有目前通用的S4A，而虛谷號上也可以安裝和運行S4A程序，進而實現開源硬件教學。

2.Arduino IDE

虛谷號預裝的是Arduino1.86版，它可以支持Arduino代碼編程教學，且內置了Ardublock圖形化編程工具，Ardublock類似于Mixly（米思奇），可以實現圖形化編程，支持上傳到Arduino板，實現脫機運行，支持Linux的Ardublock版本，還可以選擇中文界面，并且支持的硬件類型也很多，完全可以勝任開源硬件的教學。

3.Python

虛谷號預裝了Python2.7和Python3.5，可以方便地開展Python教學，且編程環境預裝了jupyter notebook，但是jupyter notebook占有資源比較大，筆者建議使用IDLE。如果在Windows環境安裝Python，系統一般默認同時安裝了IDLE，在虛谷號上可以用“sudo apt-get install idle3”完成安裝，且在網絡環境比較好的情況下很快就能完成。

● 虛谷號上安裝卸載軟件操作

虛谷號運行完整的Linux系統，在虛谷號上安裝卸載軟件，可以通過lx終端用命令行完成。常用的安裝命令行為“sudo apt-get install? xxx（軟件名）”，卸載命令行為“sudo apt-get remove xxx”。

總之，我們可以將虛谷號理解為樹莓派、Arduino、Micro：bit三者優勢結合的硬件。虛谷號對Python語言的天然支持，能夠使其在教學上大展拳腳，且在人工智能的背景下，由于運算能力達到了一個足夠強的水平，還能夠在PC模式中執行很多人工智能的算法，通過訓練，可以完成普惠人工智能課的教學任務。我們在學習以Arduino、Micro：bit、樹莓派等為代表的開源硬件的同時，也要為它們的進一步完善貢獻力量。

虛谷號天生就是中國芯，應該算是通過教育領域的應用來提升國產芯片行業影響力的一個積極的嘗試。它作為中國一線教師發起的開源硬件，一定更懂學生，更懂教師，更懂教育，期待虛谷號成為開源硬件領域的集大成者。