“蘑菇云高中人工智能教學解決方案是一套面向全國普通高中的人工智能教學解決方案。整體方案依據(jù)教育部發(fā)布的《普通高中信息技術(shù)課程標準(2017年版)》中《人工智能初步》教材要求，包含人工智能實踐課程、及軟硬件平臺工具。整體人工智能教學解決方案采用超強算力的英特爾?至強?處理器，AI服務(wù)器本地化部署，避免網(wǎng)絡(luò)傳輸問題，是云端上傳速度的1000倍，解決了云端算力與網(wǎng)絡(luò)帶寬的問題。格物象課程實踐平臺，緊貼高中教材內(nèi)容，極大降低老師備課時間。拿鐵熊貓智能終端，基于英特爾?賽揚?處理器，可本地化模型訓練，與海量開源硬件建立連接。本方案將創(chuàng)新性與實用性有機結(jié)合，讓學生創(chuàng)造更具多元化。”

　　張倩

　　DFRobot市場總監(jiān)

　　概述

　　人工智能 (AI) 技術(shù)被普遍認為是未來科技的制高點，從中小學階段強化人工智能教育既是對接世界科技發(fā)展趨勢、強化人工智能人才培養(yǎng)的必然需求，也對學校的課程建設(shè)、教學方法的改革有著特殊意義。在此背景下，越來越多的中小學校開展了人工智能教學，通過人工智能實驗室/實訓室、人工智能課堂等方式，幫助學生了解人工智能知識并培養(yǎng)學習興趣。

　　針對這一發(fā)展趨勢，上海智位機器人股份有限公司（DFRobot）旗下的蘑菇云教育品牌（以下簡稱：蘑菇云）推出了高中人工智能教學方案，融合了基于英特爾? 架構(gòu)的“AI服務(wù)器”與“拿鐵熊貓智能終端”，以及包含完整人工智能課程內(nèi)容的格物象課程實踐平臺，能夠提供從人工智能算法教學到人工智能軟硬件項目實現(xiàn)的全過程，幫助學校一站式地搭建人工智能教學體系，提升教學效果。

　　人工智能教育的探索與實踐

　　隨著人工智能逐漸進入技術(shù)成熟度曲線 (The Hype Cycle) 中的生產(chǎn)成熟期(Plateau of Productivity)，人工智能已在各領(lǐng)域得到廣泛的應用，對行業(yè)的發(fā)展速度、內(nèi)涵及質(zhì)量產(chǎn)生 了深刻的影響，并成為行業(yè)實施數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型的基石。IDC 發(fā)布的《2021 年 V2 全球人工智能支出指南》預測，全球 AI 市場支出將在 2021 年達到 850 億美元，并在 2025 年增至 2000 億美元，復合年增長率（CAGR）約為 24.5%。根據(jù)最新預測，2021年，中國在AI市場的支出規(guī)模將達到82億美元。2021-2025的五年預測期內(nèi)，中國市場AI相關(guān)支出總量將以22%左右的CAGR增長，有望在2025年超過160億美元¹。

圖1. 中國人工智能市場支出預測

　　與此同時，技術(shù)的飛速發(fā)展也帶來了巨大的人才缺口。有統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，目前我國人工智能人才需求缺口達 500 萬人²，在人才需求結(jié)構(gòu)上，基礎(chǔ)層人才需求尤為迫切。近兩年，國內(nèi)對于人工智能人才的需求更是呈現(xiàn)出水漲船高的態(tài)勢。數(shù)據(jù)統(tǒng)計還顯示，2021年人工智能行業(yè)人才需求指數(shù)較去年增長103%，其中算法人才缺口達170萬³，這也成為人工智能教育行業(yè)發(fā)展的巨大動力。

圖2：人工智能行業(yè)人才需求指數(shù)

　　在此背景下，強化面向青少年等群體的人工智能教育成為社會的廣泛共識，人工智能教育也逐步被納入到學校的教學規(guī)劃中。2017年，國務(wù)院就印發(fā)了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，明確提出“人工智能成為國際競爭新焦點。在中小學階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育”⁴，2019年，教育部印發(fā)《中小學綜合實踐活動課程指導綱要》，設(shè)計了人工智能相關(guān)主題活動。此外，多個省市的教育機構(gòu)發(fā)文要求，各地要依托人工智能教育實驗區(qū)和試點校，完善本地區(qū)中小學人工智能教育工作規(guī)劃，細化工作分工，健全扶持政策，加快推進中小學校人工智能教育普及化。

　　教育部教育信息化專家組認為，應把人工智能列入必修內(nèi)容，目標是素養(yǎng)培育，抓手是編程實踐，需要著重從傳授人工智能基礎(chǔ)知識，進行人工智能啟蒙教育；培養(yǎng)學生使用智能工具的能力；學習用編程解決實際問題，培養(yǎng)計算思維、創(chuàng)新思維等基本素養(yǎng)等多方面入手，深化教育體制改革^5,6。

　　要推進人工智能教育，構(gòu)建人工智能實訓環(huán)境至關(guān)重要，人工智能實訓可以幫助學生從簡單、基礎(chǔ)的人工智能模型訓練、推理等流程入手，了解人工智能應用的相關(guān)知識。因此，越來越多的學校開始開設(shè)人工智能實驗室/實訓室，在人工智能算力基礎(chǔ)設(shè)施之上提供人工智能教學課程。

　　由于人工智能教育的主要目標是培養(yǎng)學生的人工智能技能，鍛煉學生的數(shù)據(jù)科學思維⁷。因此，與企業(yè)的人工智能應用相比，部署于 K12 階段的人工智能實驗室/實訓室具備著以下特點：

• 提供全流程的人工智能應用實踐能力

　　在K12 教育階段，大部分學生并未接觸過人工智能，因此，學校需要構(gòu)建“從零開始”的課程培訓體系，并支持全流程的人工智能應用，這包括數(shù)據(jù)準備、模型訓練、模型部署、模型推理等各個階段。

　　其中，在數(shù)據(jù)準備階段，人工智能教育實驗室/實訓室需要支持對于給定的數(shù)據(jù)集進行處理，將其輸入到模型之中；在建模階段，需要為學生提供適合學習階段的預置模型庫，允許學生通過訓練需求來選擇合適的模型；在部署與推理階段，學生能夠利用訓練好的模型，驗證訓練的模型能否在精度等方面滿足預定的目標。

• 實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施與人工智能課程體系的融合

　　人工智能教育實驗室/實訓室的基礎(chǔ)是一整套的人工智能應用平臺，核心則是人工智能課程體系。這套課程體系既需要符合信息技術(shù)教材等規(guī)范性要求，還需要針對學生的學習特點，提供重點明確、體系完整、功能強大的課程設(shè)計，支持學生使用簡單的人工智能工具，進行更富主觀能動性的探索，實現(xiàn)從感性引導到興趣實踐，再到創(chuàng)新應用的流程。

圖3：K 12 階段的人工智能教育目標

　　一般而言，人工智能課程體系需要包括以下內(nèi)容：人工智能課程的課程綱要、教材、代碼示例；面向 人工智能基礎(chǔ)知識傳授的交互式課程；支持自主模型訓練/推理的實踐應用平臺；作業(yè)批改以及評價系統(tǒng)；師生互動應用。要支撐這一課程體系，就需要構(gòu)建就緒型的人工智能教育環(huán)境，在硬件平臺基礎(chǔ)上提供必要的軟件組件。

　　面向 K12 的人工智能教育實訓室面臨的挑戰(zhàn)

　　當前，我國人工智能教育發(fā)展迅速但尚處于起步階段，存在人工智能教育人才儲備不足，人工智能教育存在技術(shù)瓶頸，人工智能教育產(chǎn)品不完善，人工智能教育大數(shù)據(jù)平臺缺乏，人工智能教育可能產(chǎn)生倫理風險等問題⁸，亟需進行持續(xù)的探索與創(chuàng)新。

　　而從平臺建設(shè)來看，算力平臺是人工智能教育實驗室/實訓室構(gòu)建的基礎(chǔ)，面向 K12 的人工智能教育場景應用有著以下特征，對于人工智能基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)建帶來了相應的挑戰(zhàn)：

• 人工智能模型的復雜度不高，對于算力要求相對較低，使用CPU進行訓練或推理即可滿足絕大部分場景的算力需求。例如，在常見的 AI 圖片檢測學習任務(wù)中，圖片數(shù)據(jù)集常常在 3000-5000 張的規(guī)模，訓練與推理時間只需保證在分鐘的級別，較商業(yè)級 AI 應用的性能目標大幅縮減，應用效率較低導致資源浪費。

• 學校普遍缺乏面向人工智能應用的專業(yè)部署和運維能力，普遍存在缺乏面向不同應用場景、不同軟件框架的軟硬件優(yōu)化方案，異構(gòu)設(shè)備之間難以實施有效協(xié)同等問題。學校希望通過軟硬件一體化等形式來降低運維門檻，簡化應用。

• 教室場景意味著人工智能的應用相對集中，集中通過AI服務(wù)器進行運行可能會帶來性能擁堵的問題，因此要求終端具備一定的本地算力。

• 高中階段的人工智能教育需求具備體系化、規(guī)范化的要求，但在教育實踐中，常常出現(xiàn)可選實驗場景、器材和軟件套件混亂，無法滿足真實場景的學習需要等問題，更無法貼近行業(yè)實踐要求。需要平臺具備豐富的可擴展性。

　　人工智能教育實驗室/實訓室需要解決算力的分配問題，將算力集中在云或數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器中有利于實現(xiàn)更高的靈活度，但可能在集中應用的時候出現(xiàn)算力不足的問題；將算力部署于終端適用于對本地算力要求更高的應用，但在運維與管理問題可能會遇到較大的挑戰(zhàn)。

　　英特爾人工智能實訓愿景與架構(gòu)參考

　　為助力打造更高效的人工智能教育實訓環(huán)境，英特爾憑借其不斷創(chuàng)新的產(chǎn)品與技術(shù)體系，以及在 “云邊協(xié)同” 上積累的豐富實戰(zhàn)經(jīng)驗，與人工智能教育解決方案廠商一起為教育機構(gòu)打造 “云 - 邊 - 端” 架構(gòu)的端到端人工智能實訓解決方案，為師生提供高性能、高可用和靈活可擴展的人工智能動手實踐平臺。

圖4：典型的 “云 - 邊 - 端” 人工智能教育實訓環(huán)境

　　其中，邊緣平臺是人工智能教育實訓環(huán)境的重要基礎(chǔ)平臺，在異構(gòu)硬件融合的基礎(chǔ)上提供了人工智能開發(fā)環(huán)境，為人工智能推理、開發(fā)套件等應用提供強大算力支持。特別是對于 K12 階段的人工智能教育來說，其無需學校在數(shù)據(jù)中心或云服務(wù)方面進行大量投入，就可以搭建更敏捷、更高穩(wěn)定性、更低成本的人工智能實訓室。

　　此外，方案還能夠提供基于英特爾?架構(gòu)的AI智能硬件開發(fā)套件，包含面向計算機視覺、人工智能、邊緣計算、推理運算等各類實訓場景的外接實訓設(shè)備。結(jié)合不同課程和實訓應用場景，配套不同實訓套件，基于英特爾?加速器深度學習推理性能，輔助課程實訓模擬，可快速開發(fā)和部署、簡化軟件開發(fā)。

　　基于英特爾? 架構(gòu)的蘑菇云高中人工智能教學解決方案

　　蘑菇云高中人工智能教學解決方案是一套基于本地AI教學服務(wù)器、課程緊貼高中課標、軟硬結(jié)合的整體解決方案，能夠讓學生學以致用，保證授課老師課堂高效穩(wěn)定。方案包含了本地AI教學服務(wù)器、格物象課程實踐平臺、拿鐵熊貓智能終端三個部分。

圖5：蘑菇云高中人工智能教學解決方案關(guān)系圖

• 本地AI教學服務(wù)器：搭載了英特爾? 至強? 可擴展處理器，專為人工智能教學場景進行研發(fā)配置，采用本地化AI服務(wù)器部署方式，快速實現(xiàn)教室或機房的設(shè)備連通訪問,用于學生AI課程的模型訓練和算法學習，支持容器Docker。

• 格物象課程實踐平臺：課程平臺匹配高中信息技術(shù)教材選擇性必修4《人工智能初步》模塊的課程標準，結(jié)合原理講解動畫及開源硬件動手實踐的方式，解決人工智能課程難教難學、純原理講解空洞的現(xiàn)象，同時能夠滿足學生學習Python代碼、進行人工智能項目應用、AI模型訓練以及老師進行班級資源管理的功能。

• 拿鐵熊貓智能終端：搭載了英特爾? 賽揚?處理器，是一款結(jié)合實際應用項目的配套智能硬件套件，結(jié)合格物象教學實踐平臺上的教學內(nèi)容使用，可用于學生作品或競賽類項目開發(fā)。學生可以通過拿鐵熊貓智能終端實現(xiàn)計算機視覺、智能語音、文字識別等相關(guān)項目，并可以使用此套件進行應用擴展、產(chǎn)品原型的驗證。

　　“任何高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展最終都將取決于人才的培養(yǎng)和儲備，尤其是最新的人工智能技術(shù)對現(xiàn)在的老師而言更是如此。蘑菇云高中人工智能教學解決方案為老師與學生提供了一個簡單易用的人工智能教育平臺，有助于實現(xiàn)基礎(chǔ)算力資源與完善的人工智能教學體系的融合，加速人工智能教育的落地?！?/p>

　　余靜

　　蘑菇云科創(chuàng)教育產(chǎn)品總監(jiān)

　　蘑菇云高中人工智能教學解決方案能夠提供如下主要功能：

　　人工智能課程學習：平臺中含有20+課時的AI學習課程，主要分為三個階段，初識AI技術(shù)基本原理、AI應用領(lǐng)域、AI應用從淺入深進行學習。通過動畫模擬效果，學生能夠?qū)W習計算機視覺、語音等工作原理和工作過程，更清晰和具象的了解運算過程，進一步理解算法構(gòu)成。

圖6：模擬卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運算動態(tài)圖

　　Python編輯器：平臺采用理論與實踐相結(jié)合，界面上一鍵切換到Python編輯器界面進行代碼編輯，撰寫項目，應用課程所學解決問題。

　　官方案例：平臺提供了20+官方案例，為初學者提供簡單易懂的樣例，能夠更快速的進行算法的學習和運算過程的體驗。

圖7：支持學生導入數(shù)據(jù)進行個性化訓練

　　AI項目部署與運行：學生可以將制作好的項目直接連通拿鐵熊貓智能終端，通過格物象教學實訓平臺，能夠?qū)⒅谱骱玫哪Ｐ臀募?，進行一鍵部署，使得AI項目快速部署和運行在主控硬件上。

　　英特爾助力蘑菇云構(gòu)建高性能、高經(jīng)濟性的人工智能教學環(huán)境

　　在進行人工智能教學方案設(shè)計時，選擇 GPU 方案還是 CPU 方案通常會成為一道棘手的“選擇題”。GPU 方案在算力上可以滿足需求，但是，無論是共享 GPU 方案還是終端獨立 GPU 方案，都涉及到昂貴的 GPU 采購，而且在兼容性和可擴展性等方面都需要較多的開發(fā)工作，帶來更高的應用門檻。在典型的教學環(huán)境中，并發(fā)量通?？蛇_57路，每一路需要4GB-5GB的顯存支持，單張GPU卡只能支持4-5名學生，因此學校需要購置多張GPU卡，不僅采購成本高企，同時也會增加能耗成本和管理復雜性。相較之下，CPU 方案擁有更高的成本優(yōu)勢，而且在進行性能優(yōu)化之后，足以滿足高中人工智能教學對于訓練和推理等應用的性能要求。

　　因此，蘑菇云高中人工智能教學解決方案最終選擇了高性能、面向人工智能進行性能優(yōu)化的英特爾?處理器。其中，部署于本地 AI 教學服務(wù)器的英特爾?至強?可擴展處理器內(nèi)置人工智能加速并已針對工作負載進行優(yōu)化，能夠為各種高性能計算工作負載、AI應用以及高密度基礎(chǔ)設(shè)施帶來一流的性能和內(nèi)存帶寬。同時，采用矢量神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)指令（VNNI）的英特爾? 深度學習加速（英特爾? DL Boost）顯著提高了人工智能推理的表現(xiàn)。

　　此外，蘑菇云高中人工智能教學解決方案還使用了OpenVINO? 工具套件進行性能加速，OpenVINO? 工具套件能夠?qū)崿F(xiàn)廣泛的深度學習推理應用和解決方案的快速部署，可支持開發(fā)人員使用行業(yè)標準人工智能框架、標準或自定義層，將深度學習推理輕松集成到應用中，在英特爾? 硬件（包括加速器）中擴展工作負載并改善性能。借助面向預推理模型的內(nèi)置模型優(yōu)化器（Model Optimizer，MO），和面向?qū)Ｓ糜布铀俚耐评硪妫↖nference Engine，IE）運行時，OpenVINO? 工具套件可在英特爾的不同平臺上部署并加速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，能夠在保持精度的同時顯著提高圖像推理速度。

　　模型優(yōu)化器是一個跨平臺的命令行工具，可實現(xiàn)訓練環(huán)境和部署環(huán)境之間的轉(zhuǎn)換，執(zhí)行靜態(tài)模型分析并調(diào)整深度學習模型，致力于在終端目標設(shè)備上實現(xiàn)最優(yōu)執(zhí)行能力。它支持從流行的框架（包括 TensorFlow/ONNX/ 模型）到中間數(shù)據(jù)格式（IR，intermediate representation）的離線模型轉(zhuǎn)換。推理引擎則提供了統(tǒng)一的跨平臺C、C++ 和Python API，用于推理加速和優(yōu)化。

　　蘑菇云實測數(shù)據(jù)顯示，基于英特爾?至強?可擴展處理器 + OpenVINO? 工具套件的蘑菇云高中人工智能教學解決方案能夠在最高并發(fā)量下，支持 57 路教學應用同時運行，并滿足最長訓練時間在 5 分鐘之內(nèi)，最長推理時間在 1 分鐘之內(nèi)的性能指標⁹。尤為重要的是，該算力配置的成本相比主流 GPU 方案大幅降低，性價比優(yōu)勢極為顯著。

　　在終端層面，拿鐵熊貓智能終端采用了英特爾?賽揚?處理器，為Python 3、OpenCV、TensorFlow 和 Keras 人工智能開發(fā)環(huán)境配置提供了高效的算力支持，同時板載了一塊Arduino芯片，兼容Arduino的硬件模塊和軟件類庫。此外，英特爾?賽揚?處理器還具備高可擴展性、高兼容性的優(yōu)勢，支持拿鐵熊貓智能終端通過擴展口打通開源硬件生態(tài)，滿足更多智能場景的教學實踐需求。

表1：不同解決方案比較圖

　　總體而言，該方案具備如下優(yōu)勢：

• 高性能：在最高并發(fā)量下，依然能夠支持最高數(shù)據(jù)量達 3000 張圖片的人工智能訓練，最常訓練時間僅為 4 分鐘，最長推理時間不到 1 分鐘¹⁰。

• 高經(jīng)濟性：與傳統(tǒng)方案相比，該方案能夠?qū)⒎?wù)器成本大幅降低，同時，該方案實現(xiàn)了邊緣計算，節(jié)省了云端服務(wù)的相應成本，在長期的人工智能教學實踐中具備顯著的優(yōu)勢。

• 高穩(wěn)定性：無需依賴互聯(lián)網(wǎng)，在最高并發(fā)量下，依然能夠保證穩(wěn)定運行，降低由于網(wǎng)絡(luò)擁堵等異常情況導致應用卡頓的可能性。

• 低開發(fā)難度：實現(xiàn)快速擴展應用，且無需安裝復雜的AI相關(guān)開發(fā)工具，支持更快開發(fā)出面向教學的人工智能應用。

圖8：蘑菇云人工智能教育方案在某學校的應用

　　AI為未來教育插上科技翅膀

　　除了人工智能教學之外，蘑菇云還致力于利用人工智能加速教育變革，發(fā)力教學內(nèi)容智能化、教學互動化、教學任務(wù)自動化、學習環(huán)境自適應化、課程內(nèi)容生成個性化、學習障礙判斷自動化等場景，通過人工智能等新技術(shù)幫助教學內(nèi)容智能化、優(yōu)質(zhì)教學內(nèi)容在線化，能幫助提升教學效率、改善教育不公平性。

　　英特爾和蘑菇云將在人工智能+教育領(lǐng)域開展更加深入的合作，將創(chuàng)新的智慧化產(chǎn)品與技術(shù)賦能到教學環(huán)境之中，積極推動人工智能教育產(chǎn)品與服務(wù)的落地，助力人才的培養(yǎng)。

　　¹https://www.idc.com/getdoc.jsp?containerId=prCHC48196321

　　²數(shù)據(jù)援引自工業(yè)與信息化部人才交流中心發(fā)布的《人工智能產(chǎn)業(yè)人才發(fā)展報告(2019-2020 年版)》一文

　　³數(shù)據(jù)援引自拉勾招聘數(shù)據(jù)研究院發(fā)布的《2021人工智能人才報告》

　　⁴http://www.gov.cn/zhengce/content/2017-07/20/content_5211996.htm

　　⁵人工智能教育如何進校園，中國教育報 http://www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/moe_2082/zl_2018n/2018_zl36/201805/t20180521_336578.html

　　⁶周邵錦, 王帆. K-12人工智能教育的邏輯思考:學生智慧生成之路——兼論K-12人工智能教材[J]. 現(xiàn)代教育技術(shù), 2019, 29(04):13-19.

　　⁷胡波. 人工智能教育對于培養(yǎng)中學生信息素養(yǎng)的作用[J]. 新課程(中), 2018, 000(008):98.

　　8 何玥玥、呂麗婷、陳嘉耕. 我國人工智能教育的發(fā)展現(xiàn)狀分析與對策研究[J]. 教育探索, 2020, No.332(08):22-24.

　　9 測試配置：雙路英特爾?至強??牌5218R處理器（40核，80線程，2.1G），256GB總內(nèi)存（DDR4 2666 RECC 16*16GB），960 GB DELL SATA 固態(tài)盤。

　　¹⁰測試配置：雙路英特爾?至強??牌5218R處理器（40核，80線程，2.1G），256GB總內(nèi)存（DDR4 2666 RECC 16*16GB），960 GB DELL SATA 固態(tài)盤。

　　實際性能受使用情況、配置和其他因素的差異影響。更多信息請見www.Intel.com/PerformanceIndex。

　　英特爾技術(shù)可能需要啟用硬件、軟件或激活服務(wù)。

　　具體成本和結(jié)果可能不同。

　　英特爾未做出任何明示和默示的保證，包括但不限于，關(guān)于適銷性、適合特定目的及不侵權(quán)的默示保證，以及在履約過程、交易過程或貿(mào)易慣例中引起的任何保證。

　　沒有任何產(chǎn)品或組件是絕對安全的。

　　英特爾并不控制或?qū)徲嫷谌綌?shù)據(jù)。請您審查該內(nèi)容，咨詢其他來源，并確認提及數(shù)據(jù)是否準確。

　　?英特爾公司版權(quán)所有。英特爾、英特爾標識以及其他英特爾商標是英特爾公司或其子公司在美國和/或其他國家的商標。

　　文中涉及的其它名稱及品牌屬于各自所有者資產(chǎn)。