設計可交互的AI背景墻

謝作如 浙江省溫州中學

近幾年，人工智能教育已經成為中小學的熱點，很多學校都開始建設人工智能實驗室，實施人工智能教育。2021年，溫州中學成功申請為溫州市第一批人工智能實驗校，并完成了實驗室基本功能的建設：配置了算力服務器和深度學習課程，除了常見的學習終端外，還實現了“全屋智能”，即安裝了各種智能家居設備。

AI實驗室的“AI”在哪里？AI實驗室和普通機房的區別是什么？在設計人工智能實驗室建設方案時，筆者帶著學校科技制作社的核心成員圍繞“AI作品如何展示”這一問題進行思考，自主設計實驗室的文化建設任務。為了不占用空間，我們最終確定利用墻面空間，以“墻”為媒介，讓訪客、學生和AI直接溝通，于是有了這個可交互的AI背景墻（簡稱“交互墻”）的項目。

● “交互墻”的設計分析

筆者帶領學生選擇了實驗室后面的墻面作為交互墻主體，并預留了互動區域。之所以這樣選擇，是因為一進入AI實驗室，看到的就是這面墻。實驗室的整體布局如圖1所示。“AI背景墻”是整個AI實驗室的核心，它具備三大方面的功能。

圖1 實驗室的平面圖

1.靜態功能

背景墻的基礎圖案和AI、科技密切關聯，如呈現實驗室AI文化的文字、一些AI專業名詞，這些圖案和文字和實驗室桌椅等設備共同組成了實驗室整體的文化氛圍。

2.動態功能

背景墻應該是可變的，根據不同的應用和教學場景，布置出不同的AI文化。人工智能的專用名詞很多，很難在一面墻上全部展示，因而這面墻要隨時變化和裝飾。例如，在上智聯網課程時，可以換成智聯網相關的關鍵詞；在上計算機視覺課程時，可以換成圖像檢測相關的關鍵詞。

3.交互功能

背景墻上能固定AI作品，或者固定AI的感知設備，然后通過這些設備和實驗室的智能家居交互。常見的“智能家居”做法是用一塊中控屏幕來控制全家的智能家居，而我們可以利用的是一整面墻。只要方便固定，其展示效果一定很酷炫。想象一下，學生們每一次進入實驗室，肯定會忍不住和人工智能“交互”一下，學習和娛樂就完全結合在一起了。

● “交互墻”的解決思路

靜態功能是最容易實現的，筆者用丙烯顏料手工進行了繪制墻體彩繪。墻面擁有一個藍綠色基調的背景，和整個實驗室桌椅顏色風格一致。墻面的左側有一個大大的由亞克力板切割而成的實驗室LOGO，再放上兩句重要的標語：Everything can be computed（萬物皆可計算）；Algorithms are everywhere（算法無處不在）。背景墻的靜態風格如圖2所示。

圖2 背景墻的靜態風格

墻面的右側是AI相關知識的形象化圖示，就像AI知識圖譜一樣。各個節點上標注的AI圖案或文字，可以幫助學生建立起人工智能的知識體系。圖案適當放在偏上的位置，防止被桌椅遮擋。線條同樣是用丙烯顏料繪制，而圓圈節點采用的是鐵片，用強力膠固定在墻面上。

筆者用泡沫板噴繪制作各種“知識節點”，背部開槽后嵌入強力磁鐵，就可以吸附在鐵片上了，效果如圖3所示。這樣就實現了交互墻的動態功能。

圖3 在墻體上布置知識點的效果

交互功能是這道墻的核心。“知識圖譜”節點上的圓鐵片，除了可以貼知識點，還可以快速固定各種AI交互作品，如用強力磁鐵穩定固定行空板和攝像頭等模塊（如圖4）。

圖4 學生在測試AI作品的交互功能

AI交互墻的輸出設備主要為實驗室的各種智能家居產品，因而，實驗室里的用電器基本上都是智能設備，以小米的米家系列為主，也涵蓋了一部分天貓精靈和HomeKit系列產品。

● “交互墻”的工作流程

AI交互包含了三個環節，分別為數據采集、智能處理和控制輸出。AI交互墻其實是一系列人機交互的智能家居控制器的集合，主要工作流程如下頁圖5所示。

圖5 AI交互墻的工作流程

數據采集主要由攝像頭、麥克風和光線、加速度傳感器等來完成，不同品牌的智能家居產品使用開源智能家居網關HASS（全稱為Home Assistant）來整合。考慮到部分操作可能會涉及“遠程控制”，筆者使用了MQTT協議，用SIoT搭建了一個內網的MQTT服務器。

● “交互墻”上的創意控制器開發

交互墻可以實現的“交互”方式很多，筆者和學生一起設計了如下一些好玩的交互方案，并逐步開發出來。

①人臉控制燈。通過攝像頭對人臉進行捕捉，根據人臉或者笑臉的數量，改變室內的燈光狀態，如人臉越多燈光越亮、笑臉越多燈光越偏向暖色調。

②姿態控制窗簾。通過攝像頭讀取用戶的姿態，根據特定的姿態對房間內的智能窗簾進行開和關的控制。

③語音控制空調。用語音輸入不同的控制指令，從而對空調（包括其他的設備）進行開關。

④圖案控制燈光。用物理電路符號控制特定的燈光，表示“閉合開關”的圖案能開燈，表示“斷開開關”的圖案則關燈，表示“電阻”的圖案則將燈光處于亮與暗中間狀態。

⑤數字控制燈光。將實驗室中的燈光編成燈組，然后將識別出來的數字轉化為二進制數，用二進制的方式控制燈光。

……

需要強調的是，考慮到語音交互過于常見，筆者設計的語音交互使用了當地方言，即溫州話的短詞語。

每一次智聯網課程的實施，都會產生新的創意作品。經過現場體驗，遴選出有趣的作品并部署在交互墻上。隨著AI技術的不斷降維，能實現的交互也就越新奇有趣。因而，交互墻其實是一個需要持續更新、持續建設的AI展示項目。

● 結語

交互墻項目為中小學的人工智能實驗室建設提供了很好的思路。如果每所學校都能在AI實驗室中增加類似的交互墻，那么AI實驗室的建設就是師生和企業一起合作共建的項目，將會成為一個非常有意思的跨學科學習項目。

另外，部署在交互墻上的AI作品已經具備了“產品”的功能，與真實世界是緊密關聯的。這些作品的代碼也并不復雜，只要有一定的Python編程和深度學習的基礎知識，就可以理解原理并隨著自己的想法進行優化改進。作品涉及的軟硬件價格也不高，具備很好的復制價值。期望這道AI交互墻能部署在更多學校的實驗室里，吸引更多的學生走進萬物智聯的世界。