人工智能教育視閾下小學“創新實驗室”建設核心議題

郝進峰 江蘇省太倉市實驗小學

● 引言

目前，不少地方都已經開始探索在義務教育階段開展人工智能教育，但因基礎和條件各不相同，研究所面臨的現實問題也各不相同。人工智能教育不同于傳統教育，筆者認為，在人工智能教育中，物理空間解決在哪兒培養的問題，校本課程解決用什么來培養的問題，師資隊伍就是誰來培養的問題，綜合起來就是如何可持續培養創新人才的問題，三者統整為“創新實驗室”，它是人工智能教育的孵化器，是解決可持續培養創新人才的陣地。

在國內，關于“創新實驗室”的建設研究樣態有很多，要推動人工智能教育健康發展，可分三步厘清“創新實驗室”存在的底層邏輯。第一步：建立理論模型，理順要素間的結構關系，明確每個層級邏輯關系；第二步：對“創新實驗室”的“創新”進行定義和規范，明確“創新實驗室”建設的關鍵，避免建設出現偏差；第三步：確立“創新實驗室”建設的核心議題，精準剖析并深入研究。

● “創新實驗室”建設的理論模型

創新人才的培養就是創新能力的培養，創新能力培養的過程就是核心素養的落地過程，筆者從李藝教授的核心素養三層架構理論[1]中得到啟示，推導歸納出人工智能教育的三層架構。

最底層稱為物理層，即“創新實驗室”，不僅有硬件設備，還包含校本教材、各學科知識以及人工智能教育涉及的學科教師，它是人工智能教育的物理基礎，可見可用，需要即可包含在內。

中間層稱為設計層，側重“設計”，不僅包含人工智能教育的頂層設計、基于物理層的課程設計，以及將“設計”這種能力作為結構化知識的教學設計，更包含學生在實踐過程中從被引導到自發形成的設計能力等。

最高層稱為思維層，指在系統的人工智能學習中通過體驗、認識及內化等過程逐步形成的相對穩定的思考問題、解決問題的思維方法和價值觀。在學科融合之后的教育實踐中，包含多種相關學科思維，但又不限于學科思維，更強調設計思維以及人所包含的其他核心素養。

三層關系遵循“向上逐層歸因，向下層層包含”的原則，相互依托又相互歸屬。[2]自下而上是逐步從知識接近思維的過程，自上而下就是核心素養落地的過程。這種架構理論的關鍵在于，對教學者而言，讓設計過程有了全新的視界，對發生在學習者內部的知識與思維發生過程進行準確把握，更有效地開展教學。[3]

● “創新實驗室”建設的基礎定位

羅森博格在1995年就如何解決問題提出了一個簡單的方程：是什么（問題）+怎么做（原則/方法）=結果。[4]筆者將公式調整為：是什么（創新實驗室）+怎么做（基于創新實驗的研究）=結果（人工智能教育/可持續培養創新人才）。在公式中，只有“結果”是最明確的，“是什么”已定義待完善，而“怎么做”是整個研究的關鍵所在，它既要約束“創新實驗室”為其所用，又要設計并觸及人才培養。從三者的邏輯關系來論證：建設“創新實驗室”是基礎，基于“創新實驗室”開展的研究是過程，可持續地培養創新人才是結果。在這個邏輯中只有結果是明確的，一是培養的是創新人才，二是要可持續地培養，而過程是需要架構的，那么要實現這樣的結果，就需要架構對應的過程框架來實現可持續地培養，同樣的邏輯，需要建設相匹配的“創新實驗室”才能更好地支撐這個培養過程。

1.對“創新”的定義和規范

這里的“創新”一是指硬件結構上的創新，有別于傳統的教學實驗室，有更豐富、廣泛、開放的設施設備，形成全新的學習、實踐、探究環境，為學生的問題意識、創新意識、探究能力、造物能力、合作能力的培養提供環境支撐。二是指不僅包含各科知識，還包含學科教師或專業人才等其他可用創新因素，可用皆可成為“創新實驗室”的一部分。當然，“創新”不是涵蓋所有，不是盲目投入，其硬件建設要成為課程開發的重要參考，而課程開發，也要為創新實驗室的建設帶來實質的應用突破，“創新實驗室”的設施投入和教師投入必須以培養人才為核心目標，為課程開發服務，受課程開發約束，逐節投入，良性發展，螺旋提升。

2.確立實現“創新”的關鍵因素

實現創新的基礎是“創新實驗室”，但物理空間、校本課程、師資隊伍僅僅是創新的物理基礎，它的背后是設計。這里的“設計”一是對空間環境的設計，二是對課程的開發設計，三是對課堂教學的設計，“設計”的主體皆指向師資隊伍。設計后的創新實驗室，硬件建設會成為課程開發的重要參考，而課程開發也會為創新實驗室的建設帶來實質的應用突破，最終讓學生通過學習的方式來實現創新能力的培養。因此，“設計”是建設好“創新實驗室”、實現創新人才培養的關鍵。

● “創新實驗室”建設的核心要素

三層架構理論填補了知識與思維之間的空缺，設計層就是物理層知識和思維層之間相互影響、相互促進的過程，它以知識結構和思維結構的雙屬性形式存在，于是“設計”呈現出它的第三層意思：設計思維。在“創新實驗室”建設中，設計思維既是教師對物理層設計所展現出的一種創新思維能力，也是一種能呈現出思維能力特性的知識結構，它在教學中成為知識的一部分，學生通過學習這種知識結構進而轉化為自身的思維能力。

設計思維可以實現學校、教師、學生等多方用戶的需求，也能提升創新實驗室技術及理念支撐的可靠度，關鍵是能實現創新人才培養的可持續性，因此，它是“創新實驗室”建設的核心。以設計思維為核心理念的“創新實驗室”結構化創新才是“創新實驗室”建設的核心議題，才具備真正意義上的創新價值。

通過對“創新實驗室”建設的底層邏輯進行分析，可以歸納出：創新是目標，設計是關鍵，結構是重點，設計思維是核心。

● 基于設計思維的結構化創新——設計思維模型

厘清了“創新實驗室”建設的底層邏輯問題，接下來就可以圍繞基于設計思維的結構化創新研究“怎么做”的問題。由于設計思維還處于由商業向教育過渡的階段，因此關于設計思維模型也沒有相對權威的界定，在教育領域常用的是斯坦福思維模型和IDEO設計思維模型[5]，而英格麗葛斯特巴赫在其《結構化創新，設計思維創造商業價值》一書中，將設計思維分成四個階段——感知、定義問題、想法生成和實踐[6]，筆者將其書中內容整理歸納成下表的設計思維模型進行研究。

在這個模型的四個階段中，第一階段是了解目標群體的需求、愿望、擔憂等，第二階段是尋求解決問題最有效的方法，第三階段強調的不是準確的答案，而是盡可能有多的想法，并將其整合起來，這樣研究范圍會大大超出問題本身，為后續的研究提供更廣闊的思路。

在研究之初，筆者并未真正將其作為標準模型進行研究，但在后期的整理歸納中，發現有很多思路和行為與設計思維模型有共通之處，因此它便成為后續研究的借鑒。設計模型給“創新實驗室”建設這一復雜的工程提供了“怎么做”的具體流程，并在環節修正過程中不斷反饋、優化，實現設計思維結構化、過程化。而且，師資隊伍完全參與“創新實驗室”的建構，提升了建設者的協作能力、問題解決能力以及創新能力[7]，從而直接影響校本課程開發的后續進展，然后帶動學習者高階思維能力的發展，最終實現思維層目標要求——可持續地培養創新人才。

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● 結語

本文從人工智能教育大環境出發，研究了“創新實驗室”建設的必要性，并以核心素養三層架構為依托建立了“創新實驗室”建設的理論模型。之后，從底層邏輯出發，學科思維層對應思維層，問題解決層對應設計層，學科知識層對應物理層（創新實驗室建設），從而將“可持續地培養創新人才”這一核心理念與物理層的“創新實驗室”建設形成勾連，強調了承上啟下的“設計層”在三層結構中的關鍵地位，并尋找到設計層的核心——設計思維，明確了“創新實驗室”建設的核心議題是基于創新思維的結構化創新。在厘清了底層邏輯、探尋到了核心議題之后，通過歸納的設計思維模型對實踐進行指導，取得了一定成效。