中小学智能创新实验室建设模式研究

广东省广州市荔湾区教育装备和校产管理中心(510140) 周瑞贤 黄馨宜

近年来，伴随互联网和大数据信息技术的普及，开展“人工智能+教育”已成为国内教育领域的大势所趋。2017年，国务院发布《新一代人工智能发展规划》，明确提出“应逐步开展全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程”。2019年，教育部发布了《教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见》(教基〔2019〕16号，以下简称《实验教学意见》)，明确表示：“完善实验教学体系，注重加强实验教学与多学科融合教育、编程教育、创客教育、人工智能教育、社会实践等有机融合。创新实验教学方式，促进传统实验教学与现代新兴科技有机融合，切实增强实验教学的趣味性和吸引力，提高实验教学质量和效果。”

在这种形势下，各地纷纷启动人工智能技术与学科教育融合的研究，中小学校智能创新实验室应运而生，如雨后春笋。中小学智能创新实验室为学校落实立德树人的根本任务，培养学生创新精神和实践能力，发挥着举足轻重的作用。

1 中小学智能创新实验室的内涵与特征

当前对智能创新实验室的定义并不清晰，教育部没有具体的文件指引。它是随着我国大力发展教育，加快对教育装备配备理念以及以营造创新教育实践环境，提升学生创新精神和实践能力为目标，积极探索“人工智能+教育”而涌现出来的多种类型创新实验室的统称。

中小学智能创新实验室区别于传统的中小学理化生、科学等实验室。基于实践研究，笔者认为中小学智能创新实验室应该是指以装备课程化，课程活动化为指导思想，以“智能”为着力点，引入先进的智慧教育理念和人工智能技术，运用新兴技术和智能化教育装备，打造以服务学校培养学生创新思维和实践能力的数字化、网络化、智能化学习环境。

中小学智能创新实验室较之传统的实验室，由原来传统实验室进行基础学科实验，发展成如今开展创新实验、探究未知科学领域于一体的学习平台；由固定面积、配置常规设备的传统实验场室，发展成区域灵活、自主布局、配置先进智能设备的学习环境。

1.1 灵活自主的空间布局

不同于传统的理化生实验室常规配备实验准备室、仪器室及实验操作室，智能创新实验室打破固定的场室结构，空间环境布置没有统一的标准，学校根据智能创新实验室的具体功能和课程开设需求，自主设计以学生为中心的智慧学习环境和灵活多变的功能区域。实验室的空间布局一般根据学校创新实践课程的教学需要，对学习环境进行灵活布局和功能分区；还可以根据学生开展不同的实验项目研究，按照具体学习需要随时进行调整；并与学校的其他学习空间实现“无边界”衔接，拓展创新实践的学习空间。灵活开放的空间结构区域设计，便于学生开展多样化的实践探究与协助交流活动，充分满足学生自主探究和创新实践的需求。

1.2 先进智能的硬件支撑

《实验教学意见》明确指出：对于因受时空限制而在现实世界中无法观察和控制的事物和现象、变化太快或太慢的过程，以及有危险性、破坏性和对环境有危害的实验，可用增强现实、虚拟现实等技术手段呈现。智能创新实验室正是拥有先进智能的硬件支撑，较好地将现代信息技术、人工智能广泛应用到实验教学及探究活动中。先进的技术及智能装备，积极支持学生适应智能化、信息化时代的个性化学习需要与创新素养发展，更是对时代发展和技术进步给教育教学带来积极影响的有力回应。

1.3 丰富多样的课程体系

传统的学科实验室所用的课程与教材，强调的是知识体系的掌握，具有极大的统一性、同质性。学生没有选择性，其基本的价值在于学生通过学习，了解掌握人类已经创造的文明成果。智能创新实验室不同于传统实验室的课程教材体系，立足于学校的育人目标和办学特色，紧扣实验室学习环境的建设与重构，通过整合学校内外多方资源，形成丰富多样的校本课程体系，实现课程资源有效配置。实验室使用的课程具有较大的自主性，可以涉及中小学生学习的各个学科，也可以是探究某个科学领域、生态领域未知的事物；可以是学校自主邀请专家、本校的教师甚至学生参与设计课程。

2 中小学智能创新实验室的类型与区域布局

在智能创新实验室的建设过程中，始终强调学校应根据自身的办学基础、拥有的资源和学生的需求，认准能够激发学校内在活力的目标，把创新实验室建设与学校办学目标直接挂钩，依托课程，着眼于学生的兴趣激发与志趣培养，为学生创设更加宽广的实践体验时空，有效地促进学生的个性化发展，使创新实验室成为学校构建办学特色的有效途径，成为学校特色的有机组成部分。

2.1 中小学智能创新实验室的类型

智能创新实验室至今没有统一的分类。根据各地学校的实践，类型可以覆盖中小学所有学科的探究课程，如生命科学、物理、化学、工程技术、地理、音乐、金融等众多学科和领域。大致分为：学科智能创新实验室、创客/STEAM创新实验室、职业体验类实验室、传统文化创新实验室四大类。

2.2 中小学智能创新实验室的环境布局

学校可以根据课程的设置，自主地设计智能创新实验室的区域。实验室大体包含几个功能区域：展示区、教学及创造区、活动交流区和器材区。各个区域还可以进行细化布置，均是以满足学生个性化学习需求，带动学生浓厚学习兴趣，提升学生实践项目经验和学习效率为目的。

3 中小学智能创新实验室的建设总框架

中小学智能创新实验室的建设不是一揽子工程，需要学校从自身的实际出发，谋篇布局，分步建设。概括起来就是“121建设模式”，即一个目标，两个规划和一个保障。具体来说就是学校根据育人目标首先定位智能创新实验室的类型及特点，然后从软件和硬件方面去细化实验室的建设布局，使富有学校特色的智能创新实验室具象化。最后，还要规划好智能实验室的运行保障机制，为智能实验室的建设落地及运行提供最有力的保障。

4 中小学智能创新实验室的可行性建设模式

新时代的智能创新实验室建设已不再是简单的实验室环境构建和先进的智能仪器的堆砌，而是融合学校地域特色、办学理念、现有办学基础，具备个性化的设备设施的独立学习空间和过硬创新与实践能力的师资团队，构建符合学生身心特征与认知特点的课程体系、科学可实操性的保障措施的体系化建设。

学校建设智能创新实验室，首先要进行实验室建设的可行性论证，切忌盲目进行新建工作。智能创新实验室的构建模式流程框架如图1所示。

图1 智能创新实验室的构建模式

4.1 育人目标定位智能创新实验室的建设目标与功能

在课题调研过程中，笔者发现荔湾区一些学校现有的创新实验室与学校的办学理念及目标几乎没有什么关联。一些学校添置几个时髦的智能化设备，将原先的理化生、科学实验室改头换面为创新实验室。一些学校为了提高学校办学的先进性，为了“创新”而“创新”，大搞突击式的创新实验室建设，实施方案主要来源于一些智能化设备企业的包干，并没有去论证实验室运行效能及可持续发展。我们不能搞零基础的突击式建设。因此，学校在建设智能创新实验室前，务必根据学校的地域特色、办学理念、现有办学基础以及师资力量储备去综合考虑实验室的育人目标，让建设智能创新实验室成为落实学校办学目标的实践平台，成为学校办学目标具体化和深化的途径。只有紧密结合学校育人目标的智能创新实验室才有生命力和活力。

4.2 课程体系是智能创新实验室建设的灵魂因素

学校建设智能创新实验室应与学校优秀传承、育人理念、地域特色、现有资源等相结合去考虑设立完整创新实践探究课程体系。课程设计以实施创新教育为理念，以多样化和可选择性为特点，开设基础型、拓展型、实践型、研究型等类型的课程，以及开展实践、探究、创新活动的实验教学体系，可以是老实验、老仪器、新技术，可以是老实验、新仪器、新探究，还可以是新实验、新仪器、新技术。并且随着智能创新实验室建设的不断完善，不断去丰富及调整课程设置，使其成为新课程开放的样本，创出学校的特色。

建设智能创新实验室，要坚决贯彻落实课程领先的原则，学校要先有课程设计，再考虑建设对应的物质环境满足课程“落地”的需要。

4.3 师资团队是智能创新实验室可持续发展的不竭动力

教师是智能创新实验室建设的领路人，师资团队是实验室可持续发展的不竭动力。一间没有教师指导的智能创新实验室无法真正实现育人功能。我们区有个别学校仅依靠一两位教师开展创新实验教学。社会上因教师发生工作调动，离开学校，整间创新实验室就荒废的现象并不少见。学校应在建设定位阶段，充分挖掘在校教师的专业特长，挑选德才兼备的创新型教师担任实验室的任教教师，并鼓励教师“传帮带”，形成具备专业知识与技能、创新意识及实践能力的师资团队。同时，针对智能创新实验室某时期课程的发展变化，学校可以充分利用社会资源，通过购买服务等手段，聘请社会上专业的师资团队助力实验室教学，不断满足智能创新实验室发展的需要。

4.4 先进智能装备的配置是智能创新实验室建设的核心模块

(1)智能装备的配置要进行科学论证

智能创新实验室不同于以往以做验证性实验为主的教学实验室，是为培养学生创新志趣、开发学生创新潜质、开展研究性学习和实施探究性实验搭建的新平台。智能创新实验室的核心是实验，灵魂是创新，借助智能装备技术，通过为学生营造创新教育环境、切实促进广大学生创新精神和实践能力的培养。

学校应建立新产品、新技术进入智能创新实验室的科学论证机制。根据学校的建筑格局、实验室内外部环境、课程需求等因素综合考虑实验室应具备的个性化智能设备配置。同时，还要考虑仪器设备的投资效益问题。对智能设备的论证，还应注意前瞻性、科学性、合理性和有效性思考。投资建设创新实验室的目的是应用，建而不用是最大的浪费。因此，学校在建设前期要充分考虑设施设备的使用效益，并充分挖掘智能仪器设备的“助学”功能，丰富课程内涵，让装备成为真正的课程资源，形成具有学校特色的建设方案。

(2)智能装备配置的原则

一是适宜性原则。智能创新实验室的仪器设备配置，要立足于实验室的相关课程内容，符合学生认知特点与身心特征，满足课程实施的需求。设施设备应具有安全性、学科兼容性、实践操作性、科学性，应注重教育教学与现代技术的有机结合，能满足探究课程的生成，满足不同年级、层次学生发展的需求。

二是长效性原则。智能仪器设备配置，应考虑目前社会普及率较高并且处在发展上升期的创新智能实验室设备，可以是3D打印、无人机、智能机器人、VR与AR、数字动漫、木艺雕刻机、物联网智能等。不能出现“配备即过时”的现象，要充分考虑智能设备的发展前景与使用效能，在较长时期均能较好地运行。

4.5 运行机制是智能创新实验室建设落地及可持续发展的有力保障

学校在建立智能创新实验室的前期，应规划好保障实验室运行的长效机制，包括管理制度、培训制度、发展规划及经费保障等四大方面。管理制度包括实验室建设组织架构、建设保障机制、实验室运行管理制度、实验室仪器设备配置制度、实验室课程落实制度、购买服务制度等。培训制度主要包括实验室管理人员培训、教师和学生培训制度等。发展规划包括智能创新实验室发展目标及远景规划。学校应对实验室运行提供有力的经费保障，做好每年的经费预算，并切实落实。