中小学AI实验室建设指南
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本方案初版由“AI课程众筹计划”团队与OpenHydra开源社区共同推出，遵循CC - BY协议进行开源发布。
伴随人工智能技术的飞速进步，教育界愈发认识到在中小学阶段普及AI教育的紧迫性，而开展人工智能教学需要专门的学习空间。然而，对于如何构建中小学人工智能实验室，其必备要素有哪些，以及人工智能实验室与机房、机器人实验室、创客空间之间的具体关系，目前尚无权威定论。
为了协助更多学校着手创建人工智能实验室，我们特别启动了“中小学开源人工智能实验室建设方案”（简称“AI实验室方案”）的编写工作，期望以此引发更多专家、教师及企业的积极参与和支持。
人工智能实验室是中小学生学习和应用人工智能的核心场所。简而言之，人工智能旨在赋予机器类人的智能，这通常通过“模型”（Model）来实现。我们可以将人工智能模型理解为一个能够处理输入并产生输出的算法，其功能类似于人脑，接收数据后生成相应的结果。因此，“AI实验室方案”以华南师范大学钟柏昌教授的“六层人工智能教育进阶模型”为设计理念，聚焦于AI模型，并突出新一代人工智能技术。
第六层
AI算法创新
第五层
AI要素重组
高中阶段
第四层
AI模型综合
初中阶段
第三层
AI模型应用
小学阶段
第二层
AI模型理解
第一层
AI功能体验
第一层（AI功能体验）：在图形化编程环境中调用API，或利用智能硬件预训练模型构建识别模型，进而制作简易的智能交互系统。
第二层（AI模型理解）：运用非代码工具生成数据集、训练模型并进行部署（可在仿真平台或嵌入式设备上），制作具备特定功能的智能交互系统。
第三层（AI模型应用）：采用低代码编程方式，完成数据集生成、模型训练和部署的基本流程，并反思和优化数据集及模型训练策略的不足，制作更为复杂的智能交互系统。
第四层（AI模型综合）：构建问题链，从系统层面训练和部署多个模型，实现多模型协同工作的智能交互系统。
第五层（AI要素重组）：掌握模型优化技术（如压缩、量化、剪枝等），深入理解算力、数据和算法间的内在联系，在特定条件下生成先进（SOTA）模型，充分利用算力资源构建智能交互系统。
第六层（AI算法创新）：能够理解不同模型间的算法逻辑，具备优化现有算法或设计新算法并进行模型验证的能力，并能撰写实验报告。
从AI开发的视角来看，“数据”+“算法”+“算力”这三个核心要素的结合构成了“AI模型”，再加上其他程序代码，最终形成“AI应用”。这是一个正向的开发流程。其中，“AI模型”对许多人来说可能较为陌生。当前，AI开发者常聚集在Hugging Face、魔搭等社区。“AI模型”承载着AI的核心能力，是AI研发过程中所谓的“丹药”（AI研发者常自称“炼丹师”）。如图所示，整个过程包括研究AI模型如何产生，如何使用，以及最终形成完整的AI产品，即我们熟知的AI软件。
从学习者的角度看，尤其对于以中小学生为主的初学者，学习路径通常是逆向的。他们一般会先体验和应用“AI应用”和“智能体”，然后逐步理解“AI模型”，最后才深入研究“数据”、“算法”和“算力”。根据学习的先后顺序，本框架将“利用AI解决问题”划分为三个阶段：“使用AI应用解决问题”、“使用AI模型解决问题”以及“使用AI算法解决问题”。
根据人工智能实验室的定位，其功能可大致分为五大部分：基础学习条件、AI课程教学、AI科创实践、AI环境氛围营造以及AI算力支撑。
基础学习条件：人工智能实验室首先是一个学习空间，需具备机房、教室等基础教学硬件设施。
AI课程教学：人工智能实验室必须能够支持人工智能课程的实施，开展常规的课堂教学活动。
AI科创实践：人工智能实验室应为学生提供人工智能实践的场所，通过结合科技创新活动，让学生在解决实际问题的过程中深入理解人工智能。
AI环境氛围营造：人工智能实验室需要营造一种浓厚的AI氛围，让学生随时随地都能接触和体验人工智能，并能适时展示学生的创新作品。
AI算力支撑：数据、算法（模型）和算力是推动人工智能发展的关键驱动力，人工智能的学习离不开算力的支持，这也是人工智能实验室与其他学习空间最显著的区别所在。
1）多维度分级
不同学校的需求各异，例如小学阶段可能更偏好图形化工具，而中学阶段则更倾向于代码编程。
2）优先选择开源
为了便于复制和推广，本方案优先考虑采用开源的软硬件解决方案。
人工智能实验室首先是一个学习空间，应具备机房和教室的基本功能。其组成大致包括教师用机、学生用机、投影设备以及网络环境四个主要部分。鉴于市面上的产品选择众多，此处暂不具体推荐。
编号
名称
推荐产品
备注
1-1
教师电脑
略
1-2
学生电脑
略
1-3
投影设备
略
可选
1-4
网络环境
略
需要企业级
人工智能实验室必须能够支持人工智能课程的实施，开展常规的课堂教学活动。
编号
名称
推荐产品
功能简介
备注
2-1
教学平台
浦育平台
云端部署，不支持本地安装
上海AILab
Mo
支持云端和本地部署
浙大智海
OpenHydra
支持云端和本地部署
上海喻视科技
中鸣
云端部署，不支持本地安装
腾讯
2-2
开发语言与环境（框架）
Python配合Pytorch
Mind+、mPython
XEdu一键安装包
Python配合Keras（TensorFlow）
Anaconda、Mind+、mPython
Python配合图形化编程
Mind+、扣叮
js配合图形化编程
浦育平台创意积木、扣叮
2-3
AI课程（书籍）
开源AI课程
科创书目（含价格）.xlsx
2024年度推荐，附带ISBN信息
表格说明：
在AI教学平台方面，目前支持本地部署的有OpenHydra和Mo。
关于开发语言和环境（框架），图形化编程仅适合小学阶段，中学阶段则推荐使用Python代码进行开发。
在AI课程（书籍）方面，课程设计遵循开源开放的原则，强调算法的实际应用，并以实际案例作为独立的学习单元，便于不同课程间的交叉复用。课程内容涵盖机器学习、深度学习、计算机视觉和自然语言处理等多个领域，每个实验都配有详尽的指导说明和操作步骤。
人工智能实验室应为学生提供人工智能实践的平台，结合科技创新活动，使学生在解决实际问题的过程中理解人工智能。
编号
名称
推荐产品
功能简介
备注
3-1
边缘计算单元
树莓派
支持Linux操作系统。
树莓派并非开源硬件，建议选用第四代及以上型号。
行空板M10
支持Linux操作系统
内置单片机，可直接驱动各类扩展模块。
拿铁熊猫
采用Intel芯片，支持Win11和Linux操作系统。
其他pi系列
支持Linux操作系统。
3-2
开源硬件平台
Arduino系列
Arduino以其易用性、灵活性和开源特性而闻名，支持快速原型开发及广泛的硬件兼容性。
推荐DFRobot品牌
行空板K10
专为教育场景设计，集成多种传感器和丰富的扩展接口，支持图形化编程，易于学习和使用。
microbit
3-3
输入输出设备
各类传感器
推荐DFRobot品牌
各种执行器
推荐DFRobot品牌
人工智能实验室需要营造一种氛围，使人工智能无处不在，便于体验，同时也要为学生的作品提供展示空间。
编号
名称
推荐产品
功能简介
备注
4-1
智能家居设备
小米系列产品
AI音箱、智能灯泡、智能插座、智能摄像头、智能门锁、空气净化器、智能窗帘、智能扫地机器人等。
天猫精灵系列产品
4-2
交互式产品
可定制或自行制作
基于各类开源硬件，通过DIY方式制作产品，以解决日常生活中遇到的实际问题。
建议与学生共同设计
4-3
AI文化展示墙
可定制或自行制作
内容可包括AI发展史、重要里程碑事件、学生优秀作品等，以营造AI学习氛围。
可选项目，建议让学生参与设计，并持续更新内容。
数据、算法和算力是驱动人工智能发展的关键要素，人工智能的学习过程离不开算力的支持。这也是人工智能实验室相较于其他学习空间的最大不同之处。
算力支持主要可通过三种方式实现：云端算力、本地算力服务器以及本地算力工作站。
编号
名称
推荐产品
功能简介
备注
5-1
云端算力服务
北京超算中心
5-2
算力服务器
Dell R740
5-3
算力工作站
基于人工智能课程体系及人工智能科创中心整体规划，拟采购的核心设备如下：
序号
设备名称
型号配置
数量
备注
2
服务器机箱（2U）
CPU：2颗Intel® Xeon® Silver 4216
内存：8*32GB RDIMM, 3200MT/s, 双列
硬盘：1*480GB SSD SATA (读取密集型, 6Gbps, 512e, 2.5英寸热插拔)
硬盘：2*4TB 10K RPM SAS 12Gbps 512n 2.5英寸热插拔硬盘
阵列卡：PERC H730P RAID控制器, 2GB NV缓存, 适配器
网卡：Intel X520 双端口 10GbE SFP+适配器, PCIe 半高
电源：双冗余热插拔电源 (1+1), 1100瓦
GPU：2块 NVIDIA® Tesla T4 16GB (被动式, 单宽, 全高)
电源：双冗余热插拔电源 (1+1)
1
提供算力支持模型训练，实现本地化模型训练。
参考产品及价格：单卡24G，约6万元 (链接：https://item.jd.com/100149648376.html)；双卡48G x 2，约23万元 (链接：https://item.jd.com/100123558053.html)
3
工作站
2
4
拿铁熊猫
处理器：Intel Cherry Trail Z8350四核处理器
处理器频率：1.44 GHz (最高可达1.92 GHz)
操作系统：Windows 10 家庭版 (未激活)
内存：2 GB LPDDR3
存储：32 GB eMMC
MicroSD卡槽：支持最高2TB MicroSD卡扩展
显卡：Intel HD Graphics, 12 EUs @200-500 MHz, 单通道内存
USB接口：USB 3.0 x 1, USB 2.0 x 2
WIFI：802.11b/g/n 2.4G
蓝牙：蓝牙4.0
板载Arduino协处理器：ATmega32u4 (兼容Arduino Leonardo)
30
若干数据采集外设（如罗技C270摄像头、ESP32摄像头、带麦克风耳机等）。
笔记本电脑
若干
用于特定课程及外出竞赛需求。
其他设备清单（部分）：
序号
设备名称
型号
数量
1
3D打印机
拓竹X1-Carbon Combo
2
2
桌面级激光切割机
xTool P2
1
3
大型激光切割机
雷宇Nova35
1
4
烟尘净化器
雷宇 LY-600
1
5
亚克力板材、木板板材
50套
6
行空板
DF Robot
22
7
掌控板
DF Robot
50
8
传感器套件
DF Robot
22
9
掌控宝
盛思 2代
30
10
掌控板扩展板
盛思
30
11
AI下棋机器人
商汤 元萝卜SenseRobot
2
12
AI 视觉套件
商汤 商小鸣
10
13
编程无人机
大疆 Roboaster TT
16
15
迷宫挑战赛场地
大疆
1
18
MakeX Challenge赛事套装
MakeX
2
19
打印机
Brother HL-B2188DW
1
本方案由“AI课程众筹计划”团队与OpenHydra开源社区共同发起，采用CC-BY协议开放。
“AI课程众筹计划”的全称是中小学开源AI课程众筹计划，这是一项由谢作如名师工作室与温州科技高级中学联合发起的公益性活动。该计划聚焦于以机器学习、深度学习为核心的新一代人工智能技术，旨在分享各类针对实际问题解决的项目式学习课程，并期望能够构建一套可复制性强、价值高中的中小学人工智能课程体系。
当前版本为0.02初稿（魅客修改版），主要增补了行空板K10硬件。本方案致力于为中小学人工智能实验室的建设提供一个基础性的框架和指导思想。方案汇集了多方智慧，以开源精神为引领，力求为教育工作者和学校提供切实可行的参考建议，以推动人工智能教育的普及和发展。
0.01版本，初稿，用于开源讨论，完成于2024年12月。
0.02版本，二稿，用于开源讨论，完成于2025年5月。
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魅客科创中心*魅客智创
一家深耕科创教育领域11年的成都本土企业，专注于创客、人工智能、机器人等科创类课程与教学服务，为中小学校提供专业的一站式（课程、器材、实验室建设等）科创教育解决方案。
公司目前在四川省内设有10余家线下校区，致力于为学生提供多元化的STEAM科技课程，让更多学生体验“创造”的乐趣，培养其动手能力，激发创新思维。公司与四川科技馆、绵阳科技馆保持长期合作，共同开展科技教育和科普研学活动。
公司面向学校业务的品牌“魅客智创”已与四川省内八十多家学校建立了科创产品和课程合作关系，并获得了广泛好评。
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