创客液压机械臂设计

厦门K12人工智能机械臂创客实验室整体方案

(一)国家政策驱动

2015年3月，国务院总理李克强在全国两会上首次提出“中国制造2025”的宏大计划。同年3月李克强总理在《政府工作报告》中，突出提到“创客”及创客教育。报告指出，创客教育是素质教育的种，是学校实现全面发展培养目标，发展素质教育的重要途径之。

2015年5月，国务院正式印发《中国制造2025》文件，明确要求提高国家制造业创新能力。

2015年6，国务院颁布《关于大力推进大众创业万众创新若干政策措施的意见》把创业精神培育和创业素质教育纳入国民教育体系，实现全社会创业教育和培训制度化、体系化。

2015年9月，教育部办公厅《关于“三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见》中明确指出:有条件的地区要积极探索新技术手段在教学过程中的日常应用，有效利用信息技术推进“众创空间”建设，探索STEAM教育、创客教育等新教育模式，使学生具有较强的信息意识与创新意识。

2016 年 2月，教育部印发《教育部 2016 年工作要点》的通知，要求深推进创新创业教育改革，大力发展创客创新教育。

2016年3月，教育部装备中心颁布《教育部教育装备研究于发展中心2016年工作要点》加强创新创造教育研究。贯彻“双创”要求，为创客教育、“STEAM”教育提供装备支持。

2016年6月，教育部颁布《教育信息化“十三五”规划》积极探索信息技术在“众创空间”、跨学科学习（STEAM教育）、创客教育等新的教育模式中的应用，着力提升学生的信息素养、创新意识和创新能力，养成数字化学习习惯，促进学生的全面发展，发挥信息化面向未来培养高素质人才的支撑引领作用。

2017年8月，国务院印发《新一代人工智能发展规划》，明确指出人工智能成为国际竞争的新焦点，在中小学阶段设置人工智能相关课程、逐步推广编程教育、建设人工智能学科，培养复合型人才，形成我国人工智能人才高地。

2017年9月，教育部关于印发《中小学综合实践活动课程指导纲要》的通知，鼓励学生将自己的创意、方案付诸现实，转化为物品或作品的过程，如动漫制作、编程、陶艺创作等，注重提高学生的技术意识、工程思维、动手操作能力等。

2017年10月，教育部印发《中小学综合实践活动课程指导纲要》，强调学生综合运用各学科知识，认识、分析和解决现实问题，提升综合素质，着力发展核心素养，特别是社会责任感、创新精神和实践能力，以适应快速变化的社会生活、职业世界和个人自主发展的需要，迎接信息时代和知识社会的挑战。

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2017年9月，教育部关于印发《中小学综合实践活动课程指导纲要》的通知，鼓励学生将自己的创意、方案付诸现实，转化为物品或作品的过程，如动漫制作、编程、陶艺创作等，注重提高学生的技术意识、工程思维、动手操作能力等。

各地教育局教育厅积极响应国家政策，开始大力投入中小学人工智能创客空间建设、创客教育课程开展等相关工作，支持人工智能发展，推动了中国人工智能发展的热潮。各区域也纷纷探索创客教育、STEAM教育的推进方式，进行校园创客实验室的建设和创客人才的培育。如何以 “人工智能”为主体建设创客实验室，与高中信息技术必修课程中的“数据与计算”和“信息系统”两个模块相结合成为人工智能基础教育的新焦点。

(二)人工智能教育的时代背景

人工智能（Artificial Intelligence）是指使用机器人代替人类实现认知、识别、分析、决策等功能，其本质是对人的意识与思维的信息过程的模拟，研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。人工智能是计算机科学的一个分支，它企图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器，该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。从1956年人工智能这个概念被首次提出来，随着核心算法的突破、计算能力的迅速提高、以及海量互联网数据的支撑，人工智能终于在21世纪迎来质的飞跃。对中国而言，人工智能的发展是一个历史性的战略机遇，对缓解未来人口老龄化的压力、应对可持续发展挑战、以及促进经济结构转型升级至关重要。

随着人工智能发展进入新阶段。经过60多年的演进，特别是在移动互联网、大数据、超级计算、传感网、脑科学等新理论新技术以及经济社会发展强烈需求的共同驱动下，人工智能加速发展，呈现出深度学习、跨界融合、人机协同、群智开放、自主操控等新特征。大数据驱动知识学习、跨媒体协同处理、人机协同增强智能、群体集成智能、自主智能系统成为人工智能的发展重点，受脑科学研究成果启发的类脑智能蓄势待发，芯片化硬件化平台化趋势更加明显，人工智能发展进入新阶段。当前，新一代人工智能相关学科发展、理论建模、技术创新、软硬件升级等整体推进，正在引发链式突破，推动经济社会各领域从数字化、网络化向智能化加速跃升。

教育部《普通高中课程方案和语文学科课程标准（2017年版）》正式将人工智能、物联网、大数据处理正式划入新课标。

《国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知》（国发[2017]35号）指出：在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育，鼓励社会力量参与寓教于乐的编程教学软件、游戏的开发和推广。建设和完善人工智能科普基础设施，充分发挥各类人工智能创新基地平台等的科普作用，鼓励人工智能企业、科研机构搭建开源平台，面向公众开放人工智能研发平台、生产设施或展馆等。支持开展人工智能竞赛，鼓励进行形式多样的人工智能科普创作。该通知对于人才的培育有以下几点重点。

重点一：中小学阶段设置人工智能课程

实施全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育，鼓励社会力量参与寓教于乐的编程教学软件、游戏的开发和推广。

支持开展人工智能竞赛，鼓励进行形式多样的人工智能科普创作。鼓励科学家参与人工智能科普。

重点二：人才培养，建设人工智能学科

完善人工智能领域学科布局，设立人工智能专业，推动人工智能领域一级学科建设，尽快在试点院校建立人工智能学院，增加人工智能相关学科方向的博士、硕士招生名额。

鼓励高校在原有基础上拓宽人工智能专业教育内容，形成“人工智能+X”复合专业培养新模式，重视人工智能与数学、计算机科学、物理学、生物学、心理学、社会学、法学等学科专业教育的交叉融合。

重点三：人工智能高端人才队伍建设

培育高水平人工智能创新人才和团队。支持和培养具有发展潜力的人工智能领军人才，加强人工智能基础研究、应用研究、运行维护等方面专业技术人才培养。

重视复合型人才培养，重点培养贯通人工智能理论、方法、技术、产品与应用等的纵向复合型人才，以及掌握“人工智能+”经济、社会、管理、标准、法律等的横向复合型人才。

此次规划出台，将会加快编程培训进入中小学课堂的实施进度。

无独有偶，2015年教育部发布《关于“十三五”期间 全面深入推进教育信息化工作的指导意见 》中鼓励探索STEAM教育、创客教育等新教育模式。

互联网时代，计算机科学的普及，能更好的让中小学生找到更好的学习渠道，更好的认识世界。这也是美国前总统奥巴马狂砸40亿美金推动编程教育，并发起“编程一小时”的运动，频频为编程教育平台code.org组织站台的原因，旨在让全美小学生开始学习编程，更早的接触计算机。

2017 年浙江省将信息技术（包含编程）作为高考选考科目（7 选3）中的一门，与传统理化生科目具有同等地位。考虑到此次国务院重点提出要推广编程教育，预计会有更多地区高考将涉及编程科目。这个也是对标美国政府对青少年计算机科技教育，我们做出的高考变革尝试。结合浙江、上海两地先行做出的高考改革，未来的全国范围高考改革，肯定也将围绕着这一未来产业规划作出调整。

人工智能将代替人类现有的很多工种，未来人才的培养和就业，跟现在推进的素质教育改革密不可分，机器代替了人，人类将有更有意义的事情去做。高考作为人才选拔的现行标准，必将面临全面改革。

人工智能的发展是大势所趋，未来所有行业都将随着人工智能带来升级与变革。会有更多的产业和新兴商业模式诞生。

(三)创客教育的时代背景

“创客空间”是指为培养实践操作能力和创造能力所营造的实际环境，一般会配有各种新兴的技术。基础教育越来越关注培养和发展学生21世纪所需的技能，创客空间作为重要的桥梁，为学生搭建适应全球知识经济发展的平台。

学校领导正在将“创造”（making）写进课程表，以此鼓励学生和老师把生活中的创意带进来，并探索设计思维的方法。创客空间也为学生在技术学科和形成创业思维方式方面提供接触的机会，学习者通过创新的方式使用创客技术回应世界范围内的紧迫问题。

当今世界，全球化趋势深入发展，第四次工业革命如火如荼，科技的飞速发展正在重塑人类社会。知识和技能越来越成为各国参与国际竞争、促进经济发展的核心因素，各国均把技能人才竞争提升到国家战略的高度，这其中，又以科学、技术、工程、艺术、数学（STEAM）人才的竞争最为关键

STEAM专业人才对各国抢占第四次工业革命先机，促进制造业的智能升级具有关键作用。发展创客教育、STEAM教育有助于各发达国家应对老龄化带来的劳动力人口减少、填补技能劳动力缺口，促进经济良性发展；更能够助力新兴经济体抓住信息技术和互联网革命带来的发展契机，在新兴产业领域抢占先机，实现经济上的飞跃和赶超。对于所有国家而言，创客教育、STEAM教育的发展涉及基本的公民科学素养的培养，也关乎劳动者就业能力的提升，对于促进就业、维护社会稳定、提升公民素质均具有重要意义。

新世纪以来，以美国、英国、德国为代表的主要发达国家，都在国家战略的层面制定了促进创客人才、STEAM人才培养的政策措施，加大了对创客及STEAM 教育领域的公共和私人投资，整合政府各个部门、大中小学、企业、科研机构、社区和家庭的力量，共同促进创客教育、STEAM教育发展。

创客教育作为未来五年基础教育应用六项重要技术之一，是机器人、分析技术、虚拟世界、物联网、人工智能的发展基础，也是它们教学切入点。

机器人技术指的是对机器人的设计和应用——即能够完成一系列活动的自动化机器。为了应对未来的不确定性，应提前为学生做好职业规划，基础教育的教育工作者利用对机器人的研究来提升学生的批判性思维和计算思维，同时在STEAM学科及其他领域培养学生的动手实践能力。

机器人竞赛为学习者提供了探索STEAM挑战的机会，并将他们的技能应用于全球重大问题的解决方案中。教师还使用机器人加强课堂教学，提高学生的参与率。同时，编程作为一种素养也将有助于机器人在基础教育中获得更多的关注。机器人竞赛不仅是结果，重要的是学生发散思维，动手操作的过程。能够有效支持这一过程的机器人产品尤为重要。

(四)人工智能创客实验室的基本功能

人工智能的近期目标是研究如何使计算机去做那些靠人的智力才能做的工作。越疆基于对“人工智能教育”、 “智能制造”的特点分析，以及前期对创客教育的前期探索和市场调研，整理人工智能创客实验室所具有的基本功能：

1.以学科核心素质培养和创新教育理念为基石

实验室的建设虽说是物理空间的搭建，但绝不仅仅只是教室装修、桌椅摆放、器材购买、设备安装等硬件工程上那么简单。好的实验室搭建，一定是基于学校特有的发展文化、教育理念、教师指导、学生发展等多方面综合因素考虑，落实到学生能力发展和梦想实现为目标上，旨在培养学生技术意识、工程思维、创新设计、图样表达、物化能力五大学科核心素养。

2.以功能齐全、安全可靠的教学设备为平台

实验室的搭建是承载着学校整个创新创客教育的未来，实验室中物理环境的搭建更重要的是作为一个功能区，为教师教学、学生实践提供优质安全的环境，所以质量可靠、安全性良好的设备才是学校创新实验室所需要的。

3.构建结构合理、满足学生多样化发展需求的课程体系

参考以往很多学校的经验，加上教育体制内强大的应试压力等环境，部分功能性实验室往往成了一种“摆设”空间，只是搁置器材的“仓库”，并未发挥真正的功效。而让实验室能运作起来的，除了硬件设备，还需要完善的课程体系和强大的师资力量，让实验室真正成为学生活动与学习的课堂。在实验室中有完善的课程，让学生系统的学习人工智能相关的知识与技能，结合工具设备及时的验证、探究所学的知识与技能，同时教师真正作为引导者、脚手架，帮助学生发展自己。最终让实验室成为学习圣地，进行机器人创新活动，传播创新价值。

4.满足技能比赛需求

通过本项目的实施，建立一套开放式架构的实验室。通过科学配置实验课程，并不断加以完善。鼓励学生参加校外和校内举办的人工智能创新比赛，让学生亲身参与到人工智能的实际应用中去，既能激发学生的学习兴趣，又能提高学生的动手能力和解决问题的能力，同时还可以培养学生的团队合作意识和集体荣誉感。

5.以培养出适合人工智能时代所需的高素质创新人才为终极目的

工业4.0时代的核心是“智能制造”，实际应用场景即“智能工厂”，是人与智能机器并存的状态。现代国内外大型的制造工厂逐渐用机器人替代部分人工劳动力，解放出来的人力更多的会向技术监控、设计创新等创新领域发展。这也是越疆人工智能创客实验室主导以机器人、机械臂为载体的原因之一，更直接的为创新人才的培养提供训练平台。

创客液压机械臂设计

人工智能教育是创客教育中最具代表性的优势领域，也是最能综合体现学生知识与技能的平台。在人工智能教育中，学生除了机器人本体硬件、软件相关知识的了解与学习外，还能借助多样化的生产场景、实践应用需求等综合锻炼学生的解决问题的综合能力。以机械臂为基本载体，借助机器人的优势，可以让人工智能始于学生天生的兴趣，发展为工业4.0时代所需要的真正社会创新型人才。

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