人工智能教育视阈下小学“创新实验室”建设核心议题

郝进峰 江苏省太仓市实验小学

● 引言

目前，不少地方都已经开始探索在义务教育阶段开展人工智能教育，但因基础和条件各不相同，研究所面临的现实问题也各不相同。人工智能教育不同于传统教育，笔者认为，在人工智能教育中，物理空间解决在哪儿培养的问题，校本课程解决用什么来培养的问题，师资队伍就是谁来培养的问题，综合起来就是如何可持续培养创新人才的问题，三者统整为“创新实验室”，它是人工智能教育的孵化器，是解决可持续培养创新人才的阵地。

在国内，关于“创新实验室”的建设研究样态有很多，要推动人工智能教育健康发展，可分三步厘清“创新实验室”存在的底层逻辑。第一步：建立理论模型，理顺要素间的结构关系，明确每个层级逻辑关系；第二步：对“创新实验室”的“创新”进行定义和规范，明确“创新实验室”建设的关键，避免建设出现偏差；第三步：确立“创新实验室”建设的核心议题，精准剖析并深入研究。

● “创新实验室”建设的理论模型

创新人才的培养就是创新能力的培养，创新能力培养的过程就是核心素养的落地过程，笔者从李艺教授的核心素养三层架构理论[1]中得到启示，推导归纳出人工智能教育的三层架构。

最底层称为物理层，即“创新实验室”，不仅有硬件设备，还包含校本教材、各学科知识以及人工智能教育涉及的学科教师，它是人工智能教育的物理基础，可见可用，需要即可包含在内。

中间层称为设计层，侧重“设计”，不仅包含人工智能教育的顶层设计、基于物理层的课程设计，以及将“设计”这种能力作为结构化知识的教学设计，更包含学生在实践过程中从被引导到自发形成的设计能力等。

最高层称为思维层，指在系统的人工智能学习中通过体验、认识及内化等过程逐步形成的相对稳定的思考问题、解决问题的思维方法和价值观。在学科融合之后的教育实践中，包含多种相关学科思维，但又不限于学科思维，更强调设计思维以及人所包含的其他核心素养。

三层关系遵循“向上逐层归因，向下层层包含”的原则，相互依托又相互归属。[2]自下而上是逐步从知识接近思维的过程，自上而下就是核心素养落地的过程。这种架构理论的关键在于，对教学者而言，让设计过程有了全新的视界，对发生在学习者内部的知识与思维发生过程进行准确把握，更有效地开展教学。[3]

● “创新实验室”建设的基础定位

罗森博格在1995年就如何解决问题提出了一个简单的方程：是什么（问题）+怎么做（原则/方法）=结果。[4]笔者将公式调整为：是什么（创新实验室）+怎么做（基于创新实验的研究）=结果（人工智能教育/可持续培养创新人才）。在公式中，只有“结果”是最明确的，“是什么”已定义待完善，而“怎么做”是整个研究的关键所在，它既要约束“创新实验室”为其所用，又要设计并触及人才培养。从三者的逻辑关系来论证：建设“创新实验室”是基础，基于“创新实验室”开展的研究是过程，可持续地培养创新人才是结果。在这个逻辑中只有结果是明确的，一是培养的是创新人才，二是要可持续地培养，而过程是需要架构的，那么要实现这样的结果，就需要架构对应的过程框架来实现可持续地培养，同样的逻辑，需要建设相匹配的“创新实验室”才能更好地支撑这个培养过程。

1.对“创新”的定义和规范

这里的“创新”一是指硬件结构上的创新，有别于传统的教学实验室，有更丰富、广泛、开放的设施设备，形成全新的学习、实践、探究环境，为学生的问题意识、创新意识、探究能力、造物能力、合作能力的培养提供环境支撑。二是指不仅包含各科知识，还包含学科教师或专业人才等其他可用创新因素，可用皆可成为“创新实验室”的一部分。当然，“创新”不是涵盖所有，不是盲目投入，其硬件建设要成为课程开发的重要参考，而课程开发，也要为创新实验室的建设带来实质的应用突破，“创新实验室”的设施投入和教师投入必须以培养人才为核心目标，为课程开发服务，受课程开发约束，逐节投入，良性发展，螺旋提升。

2.确立实现“创新”的关键因素

实现创新的基础是“创新实验室”，但物理空间、校本课程、师资队伍仅仅是创新的物理基础，它的背后是设计。这里的“设计”一是对空间环境的设计，二是对课程的开发设计，三是对课堂教学的设计，“设计”的主体皆指向师资队伍。设计后的创新实验室，硬件建设会成为课程开发的重要参考，而课程开发也会为创新实验室的建设带来实质的应用突破，最终让学生通过学习的方式来实现创新能力的培养。因此，“设计”是建设好“创新实验室”、实现创新人才培养的关键。

● “创新实验室”建设的核心要素

三层架构理论填补了知识与思维之间的空缺，设计层就是物理层知识和思维层之间相互影响、相互促进的过程，它以知识结构和思维结构的双属性形式存在，于是“设计”呈现出它的第三层意思：设计思维。在“创新实验室”建设中，设计思维既是教师对物理层设计所展现出的一种创新思维能力，也是一种能呈现出思维能力特性的知识结构，它在教学中成为知识的一部分，学生通过学习这种知识结构进而转化为自身的思维能力。

设计思维可以实现学校、教师、学生等多方用户的需求，也能提升创新实验室技术及理念支撑的可靠度，关键是能实现创新人才培养的可持续性，因此，它是“创新实验室”建设的核心。以设计思维为核心理念的“创新实验室”结构化创新才是“创新实验室”建设的核心议题，才具备真正意义上的创新价值。

通过对“创新实验室”建设的底层逻辑进行分析，可以归纳出：创新是目标，设计是关键，结构是重点，设计思维是核心。

● 基于设计思维的结构化创新——设计思维模型

厘清了“创新实验室”建设的底层逻辑问题，接下来就可以围绕基于设计思维的结构化创新研究“怎么做”的问题。由于设计思维还处于由商业向教育过渡的阶段，因此关于设计思维模型也没有相对权威的界定，在教育领域常用的是斯坦福思维模型和IDEO设计思维模型[5]，而英格丽葛斯特巴赫在其《结构化创新，设计思维创造商业价值》一书中，将设计思维分成四个阶段——感知、定义问题、想法生成和实践[6]，笔者将其书中内容整理归纳成下表的设计思维模型进行研究。

在这个模型的四个阶段中，第一阶段是了解目标群体的需求、愿望、担忧等，第二阶段是寻求解决问题最有效的方法，第三阶段强调的不是准确的答案，而是尽可能有多的想法，并将其整合起来，这样研究范围会大大超出问题本身，为后续的研究提供更广阔的思路。

在研究之初，笔者并未真正将其作为标准模型进行研究，但在后期的整理归纳中，发现有很多思路和行为与设计思维模型有共通之处，因此它便成为后续研究的借鉴。设计模型给“创新实验室”建设这一复杂的工程提供了“怎么做”的具体流程，并在环节修正过程中不断反馈、优化，实现设计思维结构化、过程化。而且，师资队伍完全参与“创新实验室”的建构，提升了建设者的协作能力、问题解决能力以及创新能力[7]，从而直接影响校本课程开发的后续进展，然后带动学习者高阶思维能力的发展，最终实现思维层目标要求——可持续地培养创新人才。

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● 结语

本文从人工智能教育大环境出发，研究了“创新实验室”建设的必要性，并以核心素养三层架构为依托建立了“创新实验室”建设的理论模型。之后，从底层逻辑出发，学科思维层对应思维层，问题解决层对应设计层，学科知识层对应物理层（创新实验室建设），从而将“可持续地培养创新人才”这一核心理念与物理层的“创新实验室”建设形成勾连，强调了承上启下的“设计层”在三层结构中的关键地位，并寻找到设计层的核心——设计思维，明确了“创新实验室”建设的核心议题是基于创新思维的结构化创新。在厘清了底层逻辑、探寻到了核心议题之后，通过归纳的设计思维模型对实践进行指导，取得了一定成效。