中小學智能創新實驗室建設模式研究

廣東省廣州市荔灣區教育裝備和校產管理中心(510140) 周瑞賢 黃馨宜

近年來，伴隨互聯網和大數據信息技術的普及，開展“人工智能+教育”已成為國內教育領域的大勢所趨。2017年，國務院發布《新一代人工智能發展規劃》，明確提出“應逐步開展全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關課程”。2019年，教育部發布了《教育部關于加強和改進中小學實驗教學的意見》(教基〔2019〕16號，以下簡稱《實驗教學意見》)，明確表示：“完善實驗教學體系，注重加強實驗教學與多學科融合教育、編程教育、創客教育、人工智能教育、社會實踐等有機融合。創新實驗教學方式，促進傳統實驗教學與現代新興科技有機融合，切實增強實驗教學的趣味性和吸引力，提高實驗教學質量和效果?！?/p>

在這種形勢下，各地紛紛啟動人工智能技術與學科教育融合的研究，中小學校智能創新實驗室應運而生，如雨后春筍。中小學智能創新實驗室為學校落實立德樹人的根本任務，培養學生創新精神和實踐能力，發揮著舉足輕重的作用。

1 中小學智能創新實驗室的內涵與特征

當前對智能創新實驗室的定義并不清晰，教育部沒有具體的文件指引。它是隨著我國大力發展教育，加快對教育裝備配備理念以及以營造創新教育實踐環境，提升學生創新精神和實踐能力為目標，積極探索“人工智能+教育”而涌現出來的多種類型創新實驗室的統稱。

中小學智能創新實驗室區別于傳統的中小學理化生、科學等實驗室?；趯嵺`研究，筆者認為中小學智能創新實驗室應該是指以裝備課程化，課程活動化為指導思想，以“智能”為著力點，引入先進的智慧教育理念和人工智能技術，運用新興技術和智能化教育裝備，打造以服務學校培養學生創新思維和實踐能力的數字化、網絡化、智能化學習環境。

中小學智能創新實驗室較之傳統的實驗室，由原來傳統實驗室進行基礎學科實驗，發展成如今開展創新實驗、探究未知科學領域于一體的學習平臺；由固定面積、配置常規設備的傳統實驗場室，發展成區域靈活、自主布局、配置先進智能設備的學習環境。

1.1 靈活自主的空間布局

不同于傳統的理化生實驗室常規配備實驗準備室、儀器室及實驗操作室，智能創新實驗室打破固定的場室結構，空間環境布置沒有統一的標準，學校根據智能創新實驗室的具體功能和課程開設需求，自主設計以學生為中心的智慧學習環境和靈活多變的功能區域。實驗室的空間布局一般根據學校創新實踐課程的教學需要，對學習環境進行靈活布局和功能分區；還可以根據學生開展不同的實驗項目研究，按照具體學習需要隨時進行調整；并與學校的其他學習空間實現“無邊界”銜接，拓展創新實踐的學習空間。靈活開放的空間結構區域設計，便于學生開展多樣化的實踐探究與協助交流活動，充分滿足學生自主探究和創新實踐的需求。

1.2 先進智能的硬件支撐

《實驗教學意見》明確指出：對于因受時空限制而在現實世界中無法觀察和控制的事物和現象、變化太快或太慢的過程，以及有危險性、破壞性和對環境有危害的實驗，可用增強現實、虛擬現實等技術手段呈現。智能創新實驗室正是擁有先進智能的硬件支撐，較好地將現代信息技術、人工智能廣泛應用到實驗教學及探究活動中。先進的技術及智能裝備，積極支持學生適應智能化、信息化時代的個性化學習需要與創新素養發展，更是對時代發展和技術進步給教育教學帶來積極影響的有力回應。

1.3 豐富多樣的課程體系

傳統的學科實驗室所用的課程與教材，強調的是知識體系的掌握，具有極大的統一性、同質性。學生沒有選擇性，其基本的價值在于學生通過學習，了解掌握人類已經創造的文明成果。智能創新實驗室不同于傳統實驗室的課程教材體系，立足于學校的育人目標和辦學特色，緊扣實驗室學習環境的建設與重構，通過整合學校內外多方資源，形成豐富多樣的校本課程體系，實現課程資源有效配置。實驗室使用的課程具有較大的自主性，可以涉及中小學生學習的各個學科，也可以是探究某個科學領域、生態領域未知的事物；可以是學校自主邀請專家、本校的教師甚至學生參與設計課程。

2 中小學智能創新實驗室的類型與區域布局

在智能創新實驗室的建設過程中，始終強調學校應根據自身的辦學基礎、擁有的資源和學生的需求，認準能夠激發學校內在活力的目標，把創新實驗室建設與學校辦學目標直接掛鉤，依托課程，著眼于學生的興趣激發與志趣培養，為學生創設更加寬廣的實踐體驗時空，有效地促進學生的個性化發展，使創新實驗室成為學校構建辦學特色的有效途徑，成為學校特色的有機組成部分。

2.1 中小學智能創新實驗室的類型

智能創新實驗室至今沒有統一的分類。根據各地學校的實踐，類型可以覆蓋中小學所有學科的探究課程，如生命科學、物理、化學、工程技術、地理、音樂、金融等眾多學科和領域。大致分為：學科智能創新實驗室、創客/STEAM創新實驗室、職業體驗類實驗室、傳統文化創新實驗室四大類。

2.2 中小學智能創新實驗室的環境布局

學?？梢愿鶕n程的設置，自主地設計智能創新實驗室的區域。實驗室大體包含幾個功能區域：展示區、教學及創造區、活動交流區和器材區。各個區域還可以進行細化布置，均是以滿足學生個性化學習需求，帶動學生濃厚學習興趣，提升學生實踐項目經驗和學習效率為目的。

3 中小學智能創新實驗室的建設總框架

中小學智能創新實驗室的建設不是一攬子工程，需要學校從自身的實際出發，謀篇布局，分步建設。概括起來就是“121建設模式”，即一個目標，兩個規劃和一個保障。具體來說就是學校根據育人目標首先定位智能創新實驗室的類型及特點，然后從軟件和硬件方面去細化實驗室的建設布局，使富有學校特色的智能創新實驗室具象化。最后，還要規劃好智能實驗室的運行保障機制，為智能實驗室的建設落地及運行提供最有力的保障。

4 中小學智能創新實驗室的可行性建設模式

新時代的智能創新實驗室建設已不再是簡單的實驗室環境構建和先進的智能儀器的堆砌，而是融合學校地域特色、辦學理念、現有辦學基礎，具備個性化的設備設施的獨立學習空間和過硬創新與實踐能力的師資團隊，構建符合學生身心特征與認知特點的課程體系、科學可實操性的保障措施的體系化建設。

學校建設智能創新實驗室，首先要進行實驗室建設的可行性論證，切忌盲目進行新建工作。智能創新實驗室的構建模式流程框架如圖1所示。

圖1 智能創新實驗室的構建模式

4.1 育人目標定位智能創新實驗室的建設目標與功能

在課題調研過程中，筆者發現荔灣區一些學?，F有的創新實驗室與學校的辦學理念及目標幾乎沒有什么關聯。一些學校添置幾個時髦的智能化設備，將原先的理化生、科學實驗室改頭換面為創新實驗室。一些學校為了提高學校辦學的先進性，為了“創新”而“創新”，大搞突擊式的創新實驗室建設，實施方案主要來源于一些智能化設備企業的包干，并沒有去論證實驗室運行效能及可持續發展。我們不能搞零基礎的突擊式建設。因此，學校在建設智能創新實驗室前，務必根據學校的地域特色、辦學理念、現有辦學基礎以及師資力量儲備去綜合考慮實驗室的育人目標，讓建設智能創新實驗室成為落實學校辦學目標的實踐平臺，成為學校辦學目標具體化和深化的途徑。只有緊密結合學校育人目標的智能創新實驗室才有生命力和活力。

4.2 課程體系是智能創新實驗室建設的靈魂因素

學校建設智能創新實驗室應與學校優秀傳承、育人理念、地域特色、現有資源等相結合去考慮設立完整創新實踐探究課程體系。課程設計以實施創新教育為理念，以多樣化和可選擇性為特點，開設基礎型、拓展型、實踐型、研究型等類型的課程，以及開展實踐、探究、創新活動的實驗教學體系，可以是老實驗、老儀器、新技術，可以是老實驗、新儀器、新探究，還可以是新實驗、新儀器、新技術。并且隨著智能創新實驗室建設的不斷完善，不斷去豐富及調整課程設置，使其成為新課程開放的樣本，創出學校的特色。

建設智能創新實驗室，要堅決貫徹落實課程領先的原則，學校要先有課程設計，再考慮建設對應的物質環境滿足課程“落地”的需要。

4.3 師資團隊是智能創新實驗室可持續發展的不竭動力

教師是智能創新實驗室建設的領路人，師資團隊是實驗室可持續發展的不竭動力。一間沒有教師指導的智能創新實驗室無法真正實現育人功能。我們區有個別學校僅依靠一兩位教師開展創新實驗教學。社會上因教師發生工作調動，離開學校，整間創新實驗室就荒廢的現象并不少見。學校應在建設定位階段，充分挖掘在校教師的專業特長，挑選德才兼備的創新型教師擔任實驗室的任教教師，并鼓勵教師“傳幫帶”，形成具備專業知識與技能、創新意識及實踐能力的師資團隊。同時，針對智能創新實驗室某時期課程的發展變化，學校可以充分利用社會資源，通過購買服務等手段，聘請社會上專業的師資團隊助力實驗室教學，不斷滿足智能創新實驗室發展的需要。

4.4 先進智能裝備的配置是智能創新實驗室建設的核心模塊

(1)智能裝備的配置要進行科學論證

智能創新實驗室不同于以往以做驗證性實驗為主的教學實驗室，是為培養學生創新志趣、開發學生創新潛質、開展研究性學習和實施探究性實驗搭建的新平臺。智能創新實驗室的核心是實驗，靈魂是創新，借助智能裝備技術，通過為學生營造創新教育環境、切實促進廣大學生創新精神和實踐能力的培養。

學校應建立新產品、新技術進入智能創新實驗室的科學論證機制。根據學校的建筑格局、實驗室內外部環境、課程需求等因素綜合考慮實驗室應具備的個性化智能設備配置。同時，還要考慮儀器設備的投資效益問題。對智能設備的論證，還應注意前瞻性、科學性、合理性和有效性思考。投資建設創新實驗室的目的是應用，建而不用是最大的浪費。因此，學校在建設前期要充分考慮設施設備的使用效益，并充分挖掘智能儀器設備的“助學”功能，豐富課程內涵，讓裝備成為真正的課程資源，形成具有學校特色的建設方案。

(2)智能裝備配置的原則

一是適宜性原則。智能創新實驗室的儀器設備配置，要立足于實驗室的相關課程內容，符合學生認知特點與身心特征，滿足課程實施的需求。設施設備應具有安全性、學科兼容性、實踐操作性、科學性，應注重教育教學與現代技術的有機結合，能滿足探究課程的生成，滿足不同年級、層次學生發展的需求。

二是長效性原則。智能儀器設備配置，應考慮目前社會普及率較高并且處在發展上升期的創新智能實驗室設備，可以是3D打印、無人機、智能機器人、VR與AR、數字動漫、木藝雕刻機、物聯網智能等。不能出現“配備即過時”的現象，要充分考慮智能設備的發展前景與使用效能，在較長時期均能較好地運行。

4.5 運行機制是智能創新實驗室建設落地及可持續發展的有力保障

學校在建立智能創新實驗室的前期，應規劃好保障實驗室運行的長效機制，包括管理制度、培訓制度、發展規劃及經費保障等四大方面。管理制度包括實驗室建設組織架構、建設保障機制、實驗室運行管理制度、實驗室儀器設備配置制度、實驗室課程落實制度、購買服務制度等。培訓制度主要包括實驗室管理人員培訓、教師和學生培訓制度等。發展規劃包括智能創新實驗室發展目標及遠景規劃。學校應對實驗室運行提供有力的經費保障，做好每年的經費預算，并切實落實。