建设综合性机器人和人工智能教学实践平台
26 5 月, 2025
EP机器人体验课
26 5 月, 2025
一. 项目背景与目标
1、项目研究的背景
为进一步贯彻落实《中国教育现代化2035》《国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知》和《全民科学素质行为计划纲要（2006-2015-2020年）》，促进我区中小学人工智能应用和普及水平稳步提升。人工智能已成为国际竞争的新焦点，为抢抓人工智能发展的重大战略机遇，加快建设创新型国家和世界科技强国，国务院于2017年7月印发并实施《新一代人工智能发展规划》，明确规定要实施全民智能教育项目，并在中小学设置人工智能相关课程。各地中小学相应地开设了线上线下、各具特色的科技创新能力培养课程、机器人技术课程、信息技术第二课堂等，其目的在于丰富中小学生学习生活，培养青少年科技创新思维和科技创新能力，激发青少年学生的创新意识，培养实践动手能力，全面推进素质教育。荔湾区青少年宫建设区域性机器人与人工智能教学实践平台，拟通过建设人工智能实验室，组织开展区域性人工智能学生竞赛或交流活动，促进人工智能在荔湾区青少年的普及应用，推进我区青少年人工智能教育工作。
在青少年中普及推广机器人与人工智能相关教学，也是未来国家大力推动的主要教育方向。而当今的社会是信息化、网络化、智能化的社会，机器人与人工智能技术也融入到我们每天的日常生活当中。机器人与人工智能教育更是要从青少年阶段抓起，为国家培育科技创新人才，提高全民族的科学教育素质与生产创新意识。
2、项目研究目标
人工智能技术的快速发展预示着一个全新时代的到来, 世界各国已经充分意识到人工智能是未来国家之间竞争的关键赛场，纷纷开始部署战略规划, 试图抢占人工智能领域研究与实践的高地。我国国务院发布的《新一代人工智能发展规划》, 提出要“广泛开展人工智能科普活动, 在中小学设置人工智能相关课程, 逐步推广编程教育”, 这是我国首次将“编程教育”写入政府决策。
致力于推动广大优秀青少年参与科技创新实践、培养工程实践能力、提高团队协作水平、培养创新创业精神，广州市荔湾区青少年宫拟搭建机器人与人工智能教学实践平台。该机器人与人工智能教学实践平台致力于通过机器人技术科技创新教育，采用多元化的教研实践，导师制专人指导青少年进行系统的机器人知识学习，激发其学习内驱力，发掘其兴趣点和特长，提升青少年多学科融合、自主学习、创新精神等核心能力和个人素质，并通过科学客观的创新人才评价体系，发现和培养年轻的科技精英，激发引领未来的科技少年。项目实施期间具体以达成以下效果为目标：
（一）着力打造广州市机器人与人工智能教学实践平台及教学实践平台运营团队，开发分层面的项目式机器人课程体系和教学案例，将技术研发、科普宣传、创客教育、科技体验等统筹规划，实现理论知识及实践相结合，引导学生积极主动进行科技创新实践。承接教育局、科技局、各小学、初高中的科技节、开放日等展示活动邀请，进行各种竞赛机器人、教育机器人展示宣传，显著提升素质教育和科技创新教育在广州市青少年中的影响力；
（二）发挥机器人与人工智能教学实践平台在青少年科技创新能力培养方面的提升作用，积极组织区域性青少年人工智能竞赛或交流活动，以赛促学，培养青少年解决实际问题的能力、技术的决策能力和创造能力。开展以竞赛任务驱动的科技创新培养活动，依托机器人与人工智能教学实践平台的建设推进赛、学、研、创一体化进程；
（三）构建机器人与人工智能科技创新资源共享平台，降低使用成本，提高普及度，实现机器人与人工智能教育的普及化发展。在建设机器人及人工智教学实践实体平台的同时引入网络资源共享模式，在互联网范围内为青少年科技创新活动搭建为所有人都可免费、不受限使用的虚拟机器人仿真教学实践平台模块，普及青少年科技教育。该网络共享教学实践平台的优势还在于使用成本的降低，没有所谓的使用或是培训费用，可以面向所有青少年开放，结合网络虚拟机器人仿真平台，将优质科技教育资源的整合及利用作为入手点，构建相应机器人科技资源共享平台，便于开展广泛的青少年机器人科普教育和实践体验活动。
二. 项目计划进度安排
本课题以青少年科创教育为主线，通过机器人与人工智能课程设置、师资培养、青少年科技竞赛、机器人科创实验室建设、构建机器人与人工智能科技创新资源共享平台、推广普及青少年机器人科普教育和实践体验活动。
1、第一阶段
机器人科创实验室建设及师资培养（2021年12月-2022年6月）
着力打造广州市机器人与人工智能教学实践平台及教学实践平台运营团队，开发分层面的项目式机器人课程体系和教学案例，将技术研发、科普宣传、创客教育、科技体验等统筹规划，实现理论知识及实践相结合，引导学生积极主动进行科技创新实践。承接教育局、科技局、各小学、初高中的科技节、开放日等展示活动邀请，进行各种竞赛机器人、教育机器人展示宣传，显著提升素质教育和科技创新教育在广州市青少年中的影响力；
2、第二阶段
建立机器人与人工智能课程体系，引导青少年参加科技竞赛（2022年7月-2022年12月）
发挥机器人与人工智能教学实践平台在青少年科技创新能力培养方面的提升作用，积极组织区域性青少年人工智能竞赛或交流活动，以赛促学，培养青少年解决实际问题的能力、技术的决策能力和创造能力。开展以竞赛任务驱动的科技创新培养活动，依托机器人与人工智能教学实践平台的建设推进赛、学、研、创一体化进程；
3、第三阶段
构建机器人与人工智能科技创新资源共享平台，推广青少年机器人科普教育和实践体验活动（2023年01月-2023年06月）
构建机器人与人工智能科技创新资源共享平台，降低使用成本，提高普及度，实现机器人与人工智能教育的普及化发展。在建设机器人及人工智教学实践实体平台的同时引入网络资源共享模式，在互联网范围内为青少年科技创新活动搭建为所有人都可免费、不受限使用的虚拟机器人仿真教学实践平台模块，普及青少年科技教育。该网络共享教学实践平台的优势还在于使用成本的降低，没有所谓的使用或是培训费用，可以面向所有青少年开放，结合网络虚拟机器人仿真平台，将优质科技教育资源的整合及利用作为入手点，构建相应机器人科技资源共享平台，便于开展广泛的青少年机器人科普教育和实践体验活动。
4、第四阶段
总结归纳，进一步完善，凝练成果（2023年07月）
认真做好项目研究资料的整理、归类、汇编工作。着手撰写研究总结，汇总项目成果，形成研究成果报告。
三. 项目实施所获成果
1．青少年人工智能与机器人技术课程一套，包含课程大纲、课程资源、相关实验等设计，并总结成教材出版；开发分层面的项目式机器人课程体系和教学案例，将技术研发、科普宣传、创客教育、科技体验等统筹规划设计，实现理论知识及实践相结合，引导学生积极主动进行科技创新实践。在研发机器人技术与人工智能的过程中形成知识产权，撰写机器人与人工智能25万字教材一本。《人工智能与机器人技术STEAM教育系列教材—EP机器人拓展与实战》，已完成，书号：ISBN 978-7-5668-3822-3，CIP核准号：2023235455，主编 喻晓伶、王伟健、周宇鹏, 中国国家版本馆（国家版本数据中心）管网查询。
2．建设机器人与人工智能教学实践平台，搭建科技训练资源库和训练环境；在线下硬件平台建设上，我们综合考虑了成本效益、教学需求及可扩展性，选取了大疆教育及自制多款具有代表性的教育机器人作为教学载体，如麦克纳姆轮式机器人S1、无人机TT、潜水机器人等。同时，配备了高清摄像头、激光雷达、陀螺仪、超声波、红外测距等传感器，以增强机器人的感知与交互能力。通过标准化的接口设计，实现了硬件模块间的无缝集成与互换，给予学生更多自制多传感器机器人选择和实践平台。
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- 机器人场地1
线上机器人技术共享仿真实践平台基于开源框架（如ROS、TensorFlow等）进行二次开发，构建了可视化的编程环境，支持Python、C++等多种编程语言。开发了统一的通信协议和数据管理系统，确保各组件间的顺畅通信和数据共享。此外，还集成了仿真模拟工具，让学生在无实物环境下也能进行算法测试与调试。相关教育网上学习平台©2023 ROBOTIC EDU.网站备案号：粤ICP备2023139159，点此访问。
3．培养出一支具有专业水平的人工智能青少年师资团队。项目执行期间带队3次进行嘉湾区中学科技教师参观交流，包括华南理工大学国际校区和香港科技大学（广州）进行培训学习交流活动（详见附件参观交流）
4．支撑学科竞赛：组织学生参加各级科技竞赛，取得省级科技竞赛获奖21项，包括第六届全国青少年无人机大赛全国亚军、广东省赛冠亚军；第七届全国青少年无人机大赛全国季军，广东省赛冠亚军等一系列获奖。同时完成参赛器材的建造、技术改造，构建了完善的机器人与人工智能课程体系，落实参赛学生的理论、技能培训（参训学生人数20人以上），完成机器人相关课程培训时长不少于24课时/12次课。
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- 第六届全国青少年无人机大赛广东省赛冠亚军
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- 第六届全国青少年无人机大赛全国亚军
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- 第七届全国青少年无人机大赛广东省赛冠亚军
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- 第七届全国青少年无人机大赛全国季军
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- 穗港澳中学科技教师科技课程培训
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- 穗港澳中学科技教师科技课程培训
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- 珠三角大湾区多所省重点高中学习交流
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- 珠三角大湾区多所省重点高中学习交流
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- 机器人与人工智能青少年课程培训
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- 机器人与人工智能青少年课程培训
5.在研发机器人技术与人工智能课程体系的过程中形成知识产权，申请发明及实用新型专利各2项，合计4项，授权实用新型专利1项；
①.一种基于机器视觉的共享单车分拣智能运输车（发明申请号：202311775582.6）
②.一种基于机器视觉的共享单车分拣搬运装置（实用新型申请号：202323507421.7）
③.一种无人机有轨快速多发射装置（发明申请号：202311653901.6）
④.一种固定翼无人机有轨快速多组发射装置（实用新型授权号：ZL202323301610.9）
撰写并发表相关教研论文2篇。
①.Research on quadruped robots: Review and Prospect（已发表，EI收录，2023）
②. 基于STEAM教育的中医药文化传播与实践（已见刊，南京理工大学学报，2024.6）（详见附件专利、论文）
四. 项目建设对社会发展的意义和推广应用效果
1.项目建设对社会发展的意义
目前中国青少年教育面临两个主要问题：
一、青少年没有明确而正确的学习动机和动力。从小被强迫着去学习很多知识，其中很大一部分是不知道为什么而学的。努力盲目的学，仅仅是为了考出个好成绩，以得到父母和老师的表扬以及同学的羡慕。这样慢慢在学生的意识中就形成了为考试而学习，为竞争而努力的错误意识。
二、中国教育体系以理论教学为主，培养内容还停留在理论课程的基本概念、理论和知识的灌输，而缺乏实践验证的基础和实验创新的平台，造成了学生理论知识与实践能力脱节、无法贯穿知识体系间的内在联系，无法发挥学生的主观能动性和创造力。
更为深刻的是过于强调理论缺乏实践会引发学生缺乏上进心、意志力，厌学，甚至会造成焦虑、抑郁、自闭、亲子关系紧张等各种严重问题。原因是中国青少年教育几乎把所有的时间都花在知识教育上，而实践教育几乎没有。而做人的道理、道德品德教育、做事能力技能、团队分工合作等综合素质都需要具体的实践动手来培养。
习近平总书记全国教育大会重要讲话：培养什么人，是教育的首要问题。我国要深化教育体制改革，健全立德树人落实机制，扭转不科学的教育评价导向，坚决克服唯分数、唯升学、唯文凭、唯论文、唯帽子的顽瘴痼疾，从根本上解决教育评价指挥棒问题。要深化办学体制和教育管理改革，充分激发教育事业发展生机活力。要提升教育服务经济社会发展能力，调整优化区域布局、学科结构、专业设置，建立健全学科专业动态调整机制，推进产学研协同创新，积极投身实施创新驱动发展战略，着重培养创新型、复合型、应用型人才。
由于我国人口数量庞大而优质教育资源稀缺，为了公平性高考制度成为了筛选机制，通过标准化考试用有限的知识体系把高考分数高的孩子筛选出来，难免人才评价维度过于单一。而高校真正需要录取和培养的也并非只会考试的孩子，进入大学之后培养的是真正能够解决问题的，能够为社会做出贡献、能让世界发生改变的创新型人才，所以高等院校和社会需要的是多维度综合素质优秀的学生。因此合作、沟通、坚韧、乐观、谦虚、包容、勇敢、创新、变通、共情、自信、自立、进取、勤奋、珍惜时间、执行力、认真、负责、自制、诚实、正直、忠诚、善良、宽容、谦逊、孝顺、节俭、感恩、尊重他人、分享、主动学习、自省、热爱生命、崇尚运动、具体问题具体分析、知行合一等等，这里任何一种品质都比考试要重要的多，对人生影响深远。这些优秀的品质是需要通过具体的实践动手一点点培养起来的，而机器人技术培训教育可以很好的成为青少年科技创新培养的载体。
构建机器人与人工智能教学实践平台，建设机器人技术实践平台，在专业融合、学科交叉及创新思维和方法、技术与能力的培养上实现学生创新能力与实践水平的提升。以综合型跨专业平台模式引导机器人技术实践的方法，进行培训、培养并组织参与机器人技术相关的科技竞赛。
2.项目建设的推广应用效果
- 构建了机器人与人工智能课程体系方案
课程等级分为，基础小学4-6年级；中级初中1-2年级；高级初中3年级-高中1-2年级。综合能力培养：好奇心、观察力、逻辑思维、动手实践能力、自主学习、发现问题、解决问题、团队协作、沟通能力、多学科融合、培养工程实践、坚韧抗压、任务管理能力、创造性思维、批判性思维、文献检索、科学实验、成果撰写发表、参加国际学术会议等。
知识体系架构：机械模型拼装、Scratch编程、机械三维模型设计、传感器应用、Scratch编程、3D模型设计制造、人工智能、运动控制、机器视觉、软件编程、智能制造、电路设计制作、计算机深度学习、Python编程等。
科技竞赛：积极组织参加教育部发布公示2021-2022学年的20项自然科学素养类科技竞赛。包括面向中小学生开展的全国性竞赛活动及指导各年龄段主要机器人竞赛（RoboMaster青少年挑战赛、FLL、FRC、FTC、VEX等）机器人比赛。
课程项目内容：解决方案实验室（灾害救援、智慧交通、智能家居、智慧仓储、竞赛场地）及参观高校机器人实验室等科技活动。
课程器材：以青少年动手实践为主，自主设计三维模型、3D打印制作、拼装调试具有一定传感器和执行器的教学机器人，同时学习使用大疆教育的Tello、RMS1、RMEP等人工智能教学机器人。 使用加工设备及装备：3D打印机、激光切割机、雕刻机、数控设备、示波器、频谱仪、逻辑分析仪、焊台、虚拟仪器等。
- 项目具体课程内容设置
1）机器人与人工智能基础教育内容：无人机简介、了解团队成员、无人机的飞行原理、Scratch控制无人机飞行、无人机传感器应用、走进人工智能、无人机特技飞行、无人机编程竞速挑战赛、高校机器人实验室交流、反馈青少年人才培养评价体系。
2）机器人与人工智能中级教育内容：全自动无人机器人简介、了解团队成员、麦克纳姆轮及其运动原理、认识瞄准增稳器：二轴云台、机器人传感器应用、走进人工智能、机器视觉与图像、机器人挑战赛、高校机器人实验室交流、反馈青少年人才培养评价体系。
3）机器人与人工智能高级教育内容：机器人与人工智能简介、了解团队成员、三维建模及数控加工、电子电路设计、机器人传感器应用、软件编程、机器视觉与图像处理、机器人竞赛制作、文献及资料检索、科研实验设计与构建、科技论文写作方法、专利撰写方法、论文投稿与专利申请、国际学术会议交流、高校机器人实验室交流、反馈青少年人才培养评价体系。
充分发挥机器人与人工智能教学实践平台在青少年机器人技术教育中的引领作用，通过与青少年宫与华工机器人创新基地紧密合作，机器人创新基地在高校实验室完成技术支持、参观展示、师资培训的主要工作。借助青少年宫的宣传影响力，有效开展青少年科创教育、素质教育，同时培养助教团队并将机器人与人工智能教学实践平台影响力扩展至各个高中；
依托青少年宫进行推广科普展示，科技创新教育，同时也通过线上资源共享模块普及了机器人与人工智能教学实践课程内容。依托机器人与人工智能教学实践平台高效的组织管理能力，组织各项机器人竞赛带动机器人培训任务驱动，促进青少年机器人培训的顺利开展，完成机器人与人工智能教学实践平台辐射普及和正常运营发展的各项事务。
三、项目的特色和创新之处
（一）着力打造广州市机器人与人工智能教学实践平台及教学实践平台运营团队，开发分层面的项目式机器人教学案例，将技术研发、科普宣传、科普讲座、科技体验、职业体验等统筹规划，实现理论知识及实践相结合，引导学生积极主动进行科技创新实践。广泛承接教育厅、教育局、科技局、各小学、初高中的科技节、开放日等展示活动邀请，进行各种竞赛机器人、教育机器人展示宣传，显著提升素质教育和科技创新教育在广州市青少年中的影响力；
（二）发挥人工智能教学实践平台在青少年科技创新能力培养方面的提升作用，积极组织青少年参加教育部面向中小学生开展的全国性竞赛活动，以赛促学，培养青少年解决实际问题的能力、技术的决策能力和创造能力。开展以竞赛任务驱动的科技创新培养活动，依托机器人与人工智能教学实践平台的建设推进赛、学、研、创一体化进程；
（三）构建机器人与人工智能科技创新资源共享平台，降低使用成本，提高普及度，实现机器人教育的普及化发展。在建设机器人及人工智教学实践实体平台的同时引入网络资源共享模式，在互联网范围内为青少年科技创新活动搭建为所有人都可免费、不受限使用的虚拟机器人仿真教学实践平台模块，普及青少年科技教育。该网络共享教学实践平台的优势还在于使用成本的降低，没有所谓的使用或是培训费用，可以向所有青少年开放，结合网络虚拟机器人仿真平台，将优质科技教育资源的整合及利用作为入手点，构建相应机器人科技资源共享平台，便于开展广泛的青少年机器人科普教育和实践体验活动。
四、总结与展望
本项目的成功实施，不仅为青少年科创活动提供了优质的机器人与人工智能教学实践平台，也促进了教师在相关领域的教学改革和科研创新。未来，我们将继续完善平台功能，优化教学资源，加强产学研合作，探索更多元化的教学模式和应用场景，为培养更多具有创新精神和实践能力的复合型青少年创新人才贡献力量。
绩效指标完成情况对照表
| 成果形式 | 合同书预期 | 实际完成数量 | 具体名称 | 完成质量 | |
| 发明专利（项） | 申请 | 0 | 2 | 1.一种固定翼无人机有轨快速多组发射装置及其装填方法 2.一种用于机器视觉的共享单车分拣运输车 | 良好 |
| 授权 | |||||
| 实用型专利（项） | 申请 | 1 | 2 | 1. 一种固定翼无人机有轨快速多组发射装置 2. 一种用于机器视觉的共享单车分拣运输车 | 良好 |
| 授权 | 1 | 王伟健;张东;邓业祥，一种固定翼无人机有轨快速多组发射装置，实用新型专利授权号：ZL202323301610.9 | |||
| 论文、专著、研究报告（篇） | 2 | 2 | Research on quadruped robots Review and Prospect、基于STEAM教育的中医药文化传播与实践 | 良好 | |
| 获奖成果数（项） | 2 | 17 | 2023学年度广东省人工智能创新挑战活动一等奖2项及第九届全国青年科普创新实验暨作品大赛等17项获奖。 | 良好 | |
| 示范点、试验基地（个） | 1 | 1 | 人工智能教育示范基地 | 良好 | |
| 其它成果及形式说明 （如相关许可认证） | 1．出版机器人与人工智能25万字教材一本。《人工智能与机器人技术STEAM教育系列教材—EP机器人拓展与实战》，书号：ISBN 978-7-5668-3822-3，CIP核准号：2023235455，主编 喻晓伶、王伟健、周宇鹏, 中国国家版本馆（国家版本数据中心）管网查询https://www.cnapc.cn/shuju.html。 2．建设机器人与人工智能教学实践平台，搭建科技训练资源库和训练环境；相关教育网上学习平台2023 ROBOTIC EDU.网站备案号：粤ICP备2023139159，网址：https://roboticedu.site/ | ||||
| 技术指标和质量标准完成情况 | 已按合同要求超额完成相关指标。 | ||||
