嵌入式人工智能教學科研平臺實驗課程教學改革

摘 要：隨著人工智能技術的發展，移動終端設備幾乎都配備了AI攝像頭，各類終端設備應用了嵌入式技術。在嵌入式AI背景下，改革傳統嵌入式實驗教學內容，構建了一個與人工智能相關的實驗開發環境，并通過PC串口軟件實驗及嵌入式人工智能開發板進行人工智能數據交換。嵌入式實驗教學內容改革滿足了學生課后進一步學習人工智能實驗的需求，拓展了學生對機器學習、機器視覺等嵌入式人工智能領域的知識面，激發了學生學習嵌入式AI的興趣。課程實踐結果表明，基于人工智能的嵌入式實驗教學提高了學生的學習主動性，對培養學生的創新實踐能力發揮了重要作用。

關鍵詞：終端設備；人工智能；教學改革；嵌入式AI；機器視覺；數據交互

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）08-0-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.08.042

0 引 言

當前，隨著嵌入式AI技術的發展，智能機器人及應用嵌入式AI技術的人工智能產品在人們的生活中逐漸普及，傳統的以MCS51系列單片機為代表的嵌入式系統硬件平臺以及傳統的嵌入式系統程序設計方法已不能滿足快速、高效、復雜的嵌入式人工智能應用實驗項目測試要求，因此開設嵌入式人工智能系統課程及對傳統的嵌入式實驗課程項目進行改革十分必要[1]。

以嵌入式人工智能開發板為載體，結合機器學習、深度學習等技術，在PC端Python人工智能開發環境編程語言中融合了7個嵌入式AI實驗教學項目，如：計算機視覺基于YOLOv5目標檢測的語音告警、計算機視覺基于YOLOv5目標計數檢測的告警、嵌入式人工智能開發平臺i.MX8的使用（人工智能配置）、嵌入式人工智能CNN手寫數字識別、嵌入式人工智能文字識別實驗、嵌入式人工智能人臉檢測、嵌入式人工智能人臉識別實驗。通過實驗課程項目軟硬件的練習、學習，加深學生對嵌入式實驗理論知識的理解，讓學生體會人工智能機器學習、視覺開發的樂趣，為學生后續畢業設計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內容，讓人工智能知識走進嵌入式實驗課堂，為理工類專業課程學習打下基礎。為了使嵌入式實驗課程教學取得良好的效果，論文對嵌入式實驗課程項目從機器學習和機器視覺兩個方面進行了系列實驗項目教學內容改革[4]。

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

是內置在網絡設備中的AI功能通用框架系統，為網絡設備上基于AI算法的模塊提供公共模型管理、數據獲取和預處理功能，并且支持將推理結果發送給基于AI算法的相關功能模塊。此舉不僅能夠充分利用設備的樣本數據和計算能力，還具有降低數據傳送成本、保證數據安全以及保證推理決策的實時性等優點。

2 學情分析

在嵌入式實驗教學過程中發現，學生普遍屬于“眼高手低”型，教師講到重難點時，會反復強調要求學生掌握，而大部分學生的課上回應也能跟上教師的講解節奏，但測試和實踐效果不理想。說明學生理解應用能力不強、學習主動性較弱是學生學習成績差的主要原因。嵌入式課程具有很強的工程實踐性，為了更深層次提高學生專業水平與當下人工智能技術的融合，也為了適應當下人工智能技術在產業工作中的應用，課程針對傳統嵌入式裸機硬件實驗教學內容進行了針對性改革及更新[5]。

2.1 傳統實驗課程存在的問題

傳統的嵌入式教學中存在一些問題，如嵌入式設備老舊，實驗教學內容仍然停留在嵌入式匯編方面，嵌入式硬件設備滿足的實驗教學項目停留在硬件流水燈、硬件蜂鳴器、LCD觸摸屏顏色顯示項目等[6]。上述實驗問題的存在，使得學生實驗學習興趣不高，實驗教學效果不明顯，學生無法通過傳統的嵌入式項目與實際生活應用中存在的大量嵌入式AI技術聯系起來。

2.2 課程教學目標

通過對嵌入式實驗課程內容的改革，使得學生可以了解嵌入式系統技術的基本概念、特點分類，掌握嵌入式系統軟硬件設計的基本方法，基于人工智能等學科相關原理和方法選擇研究路線，設計可行的嵌入式人工智能項目的實驗方

案[7]。通過實驗教學內容項目的學習，學生初步了解嵌入式AI智能方面的應用知識，通過對實驗項目進行二次開發，設計出更加貼近生活的嵌入式AI實驗項目。

3 改革方案設計

本著“以學生為中心”的教育理念，按照設定的改革目標，針對現有學生的層次和能力，改革“嵌入式系統及應用”課程原有的講授內容，采用嵌入式人工智能科研平臺，結合機器學習和機器視覺，便于學生對人工智能科研知識進行針對性學習、梳理、練習和討論，并帶著問題和疑惑與師生開展進一步的學習和交流。通過教師的指導，使學生真正參與到嵌入式AI知識學習的過程中來。隨著嵌入式AI技術在人工智能產業中的大量應用，傳統以硬件接口技術為主的嵌入式實驗教學需要進行教學內容改革。

3.1 加強嵌入式軟件的開發

傳統以嵌入式硬件接口技術為主的實驗教學主要考查學生對嵌入式硬件編程內容的測試。隨著嵌入式AI技術的普及，面向嵌入式AI實驗項目，主要考查學生對機器視覺及深度學習在嵌入式硬件中的結合。改革課程實驗系統軟件環境，通過PC端進行嵌入式人工智能環境搭建。PC端環境搭建需要借助Python、PyCharm等。此外，還可在實驗教學平臺中增設以Linux為基礎的程序設計實驗[8]。

3.2 實驗項目的改進

傳統的基于硬件的嵌入式實驗課程針對各實驗項目具體的實驗步驟、原理以及實驗代碼都會形成十分詳細的描述，而且還會將實驗項目做成相應的工程文件。在實驗過程當中，學生僅需將相應實驗項目工程的文件打開，隨后點擊運行按鈕便能獲得結果。而該過程對于學生實踐能力的鍛煉并不具備實際價值。所以，在指導學生參與實踐的過程中，教師需要對實驗項目進行改進，具體內容如下所示。

（1）拓展實驗要求。無法直接使用實驗教學平臺相配套的項目工程，要求學生自主思考，主動探索完成軟件設計工作。如在實驗軟件部分通過實驗指導書的講解，教師的操作，讓學生學會實驗環境的配置，在人工智能實驗項目調試過程中逐漸積累開發經驗，從而提升學生的創新意識與動手

能力[9]。

（2）縮減驗證性實驗，增設創新性實驗。傳統的嵌入式硬件實驗大部分涉及實驗理論知識的驗證，通過項目程序編譯，燒錄至開發板中進行驗證，實驗項目可開發度有限，對學生創新思維培養的作用不大。因此，在對實驗項目選擇的過程中，要積極提倡對學生創新意識和創新能力的培養，設置更多創新性實驗。如在嵌入式人臉檢測實驗后，拓展嵌入式人臉識別實驗，讓學生自己完成相關人臉識別項目的二次

開發。

（3）以現有實驗教學平臺為基礎，對外部功能模塊進行拓展。目前所應用的實驗教學平臺大都只具備基本通用功能模塊，而在學生掌握代碼編寫技能后，應在課堂上設置實練環節，進行適當拓展，比如，讓學生學習開發基于YOLOv5火焰目標檢測的語音告警，以有效鍛煉學生的動手能力。學生通過學習視覺識別火焰知識，能夠更好地了解嵌入式技術跟實際應用之間如何對接，便于培養實踐型

人才。

4 人工智能開發板的嵌入式課程教學改革

4.1 取消實驗空間和時間限制

課程改革將笨重的嵌入式實驗箱替換為輕便的ARM開發板，如圖1、圖2所示。學生領取開發板后可在實驗后將開發板帶回宿舍繼續使用，在最后一次實驗課后歸還開發板即可。通過QQ、雨課堂等網絡教學輔助平臺工具，統一托管學生的實驗代碼和實驗數據。學生離開實驗室后，依然可以繼續訪問實驗數據和代碼。

4.2 設計解決復雜問題的連續實驗

實驗課程改革后，實驗項目由傳統的基于嵌入式GEC6818開發板裸機硬件實驗變成了計算機視覺基于YOLOv5目標檢測的語音告警、計算機視覺基于YOLOv5目標計數檢測的告警、嵌入式人工智能開發平臺i.MX8的使用（人工智能配置）、嵌入式人工智能CNN手寫數字識別、嵌入式人工智能文字識別、嵌入式人工智能人臉檢測、嵌入式人工智能人臉識別實驗。實驗內容關聯性強，軟件環境涉及Python編程語言，技術涉及機器視覺、深度學習等，學生通過實驗的鍛煉，具備了一定的嵌入式AI項目申報及開發的專業技術能力[10]。

4.3 滿足不同學生的實踐需要

在實驗課上，教師為學生講解實驗的重點和難點部分，教師通過實踐操作演示，保證大部分同學能夠順利完成實驗的主體部分。對于能力較弱而無法在實驗課內完成的學生，則可通過增加課外時間的投入及通過錄制的演示視頻加強學習。對于能力較強的學生，則鼓勵其自由增加實驗內容，如在現有的實驗內容基礎上進行實驗項目的拓展進而提升實驗難度。

4.4 嵌入式AI計數實驗項目展示

文中挑選了一個嵌入式AI計數實驗項目進行展示。機器視覺計數系統包括2部分：一是通過機器視覺對特定目標的檢測；二是通過對行人模型特征的提取，在計算機PC端YOLOv5環境下建立行人模型，通過攝像頭實現對行人數量信息的視覺檢測并在顯示界面實時統計監測的行人數量。此外，視覺目標檢測系統可對視覺目標閾值進行設定，當目標數量超過預期數值時，監控畫面會進行實時計數報警提示。行人模型目標測試結果及目標人數超過預期數值時的視覺報警畫面如圖3、圖4所示。

文中的實驗項目有助于學生后續對實驗項目的二次開發，通過機器視覺計數的深入開發能夠在一定程度上對特殊人員密集場合的人流量密集度提前進行預判，便于公共場所管理部門及時采取措施。

5 結 語

嵌入式技術的創新和應用推動了自動化和信息化進程，人工智能相關技術應用的快速發展對信息技術人才提出了更高的要求。通過實驗教學改革增強了學生對嵌入式AI技術的理解及通過實驗開發板進行嵌入式AI項目的二次開發，如基于聲音報警的吸煙識別系統等。通過實驗改革鍛煉了學生軟件編程的能力，提升了學生進行嵌入式實驗的技術水平，培養了學生進行知識整合、自主學習及完成嵌入式人工智能開發的能力。

參考文獻

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收稿日期：2023-06-05 修回日期：2023-07-07

基金項目：三亞學院產品思維導向特色課程改革項目：嵌入式系統及應用（SYJKCP2023085）

作者簡介：黃恒一（1988—），男，河南信陽人，研究生，講師，研究方向為機器視覺、路徑規劃。