中小學(xué)智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建設(shè)模式研究

廣東省廣州市荔灣區(qū)教育裝備和校產(chǎn)管理中心(510140) 周瑞賢 黃馨宜

近年來(lái)，伴隨互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)信息技術(shù)的普及，開展“人工智能+教育”已成為國(guó)內(nèi)教育領(lǐng)域的大勢(shì)所趨。2017年，國(guó)務(wù)院發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，明確提出“應(yīng)逐步開展全民智能教育項(xiàng)目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程”。2019年，教育部發(fā)布了《教育部關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意見(jiàn)》(教基〔2019〕16號(hào)，以下簡(jiǎn)稱《實(shí)驗(yàn)教學(xué)意見(jiàn)》)，明確表示：“完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，注重加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與多學(xué)科融合教育、編程教育、創(chuàng)客教育、人工智能教育、社會(huì)實(shí)踐等有機(jī)融合。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，促進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與現(xiàn)代新興科技有機(jī)融合，切實(shí)增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的趣味性和吸引力，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和效果。”

在這種形勢(shì)下，各地紛紛啟動(dòng)人工智能技術(shù)與學(xué)科教育融合的研究，中小學(xué)校智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室應(yīng)運(yùn)而生，如雨后春筍。中小學(xué)智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室為學(xué)校落實(shí)立德樹人的根本任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，發(fā)揮著舉足輕重的作用。

1 中小學(xué)智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)涵與特征

當(dāng)前對(duì)智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的定義并不清晰，教育部沒(méi)有具體的文件指引。它是隨著我國(guó)大力發(fā)展教育，加快對(duì)教育裝備配備理念以及以營(yíng)造創(chuàng)新教育實(shí)踐環(huán)境，提升學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為目標(biāo)，積極探索“人工智能+教育”而涌現(xiàn)出來(lái)的多種類型創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的統(tǒng)稱。

中小學(xué)智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室區(qū)別于傳統(tǒng)的中小學(xué)理化生、科學(xué)等實(shí)驗(yàn)室?；趯?shí)踐研究，筆者認(rèn)為中小學(xué)智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室應(yīng)該是指以裝備課程化，課程活動(dòng)化為指導(dǎo)思想，以“智能”為著力點(diǎn)，引入先進(jìn)的智慧教育理念和人工智能技術(shù)，運(yùn)用新興技術(shù)和智能化教育裝備，打造以服務(wù)學(xué)校培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化學(xué)習(xí)環(huán)境。

中小學(xué)智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室較之傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室，由原來(lái)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行基礎(chǔ)學(xué)科實(shí)驗(yàn)，發(fā)展成如今開展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、探究未知科學(xué)領(lǐng)域于一體的學(xué)習(xí)平臺(tái)；由固定面積、配置常規(guī)設(shè)備的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)室，發(fā)展成區(qū)域靈活、自主布局、配置先進(jìn)智能設(shè)備的學(xué)習(xí)環(huán)境。

1.1 靈活自主的空間布局

不同于傳統(tǒng)的理化生實(shí)驗(yàn)室常規(guī)配備實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備室、儀器室及實(shí)驗(yàn)操作室，智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室打破固定的場(chǎng)室結(jié)構(gòu)，空間環(huán)境布置沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)校根據(jù)智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的具體功能和課程開設(shè)需求，自主設(shè)計(jì)以學(xué)生為中心的智慧學(xué)習(xí)環(huán)境和靈活多變的功能區(qū)域。實(shí)驗(yàn)室的空間布局一般根據(jù)學(xué)校創(chuàng)新實(shí)踐課程的教學(xué)需要，對(duì)學(xué)習(xí)環(huán)境進(jìn)行靈活布局和功能分區(qū)；還可以根據(jù)學(xué)生開展不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目研究，按照具體學(xué)習(xí)需要隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整；并與學(xué)校的其他學(xué)習(xí)空間實(shí)現(xiàn)“無(wú)邊界”銜接，拓展創(chuàng)新實(shí)踐的學(xué)習(xí)空間。靈活開放的空間結(jié)構(gòu)區(qū)域設(shè)計(jì)，便于學(xué)生開展多樣化的實(shí)踐探究與協(xié)助交流活動(dòng)，充分滿足學(xué)生自主探究和創(chuàng)新實(shí)踐的需求。

1.2 先進(jìn)智能的硬件支撐

《實(shí)驗(yàn)教學(xué)意見(jiàn)》明確指出：對(duì)于因受時(shí)空限制而在現(xiàn)實(shí)世界中無(wú)法觀察和控制的事物和現(xiàn)象、變化太快或太慢的過(guò)程，以及有危險(xiǎn)性、破壞性和對(duì)環(huán)境有危害的實(shí)驗(yàn)，可用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)手段呈現(xiàn)。智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室正是擁有先進(jìn)智能的硬件支撐，較好地將現(xiàn)代信息技術(shù)、人工智能廣泛應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)及探究活動(dòng)中。先進(jìn)的技術(shù)及智能裝備，積極支持學(xué)生適應(yīng)智能化、信息化時(shí)代的個(gè)性化學(xué)習(xí)需要與創(chuàng)新素養(yǎng)發(fā)展，更是對(duì)時(shí)代發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步給教育教學(xué)帶來(lái)積極影響的有力回應(yīng)。

1.3 豐富多樣的課程體系

傳統(tǒng)的學(xué)科實(shí)驗(yàn)室所用的課程與教材，強(qiáng)調(diào)的是知識(shí)體系的掌握，具有極大的統(tǒng)一性、同質(zhì)性。學(xué)生沒(méi)有選擇性，其基本的價(jià)值在于學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)，了解掌握人類已經(jīng)創(chuàng)造的文明成果。智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室不同于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的課程教材體系，立足于學(xué)校的育人目標(biāo)和辦學(xué)特色，緊扣實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)環(huán)境的建設(shè)與重構(gòu)，通過(guò)整合學(xué)校內(nèi)外多方資源，形成豐富多樣的校本課程體系，實(shí)現(xiàn)課程資源有效配置。實(shí)驗(yàn)室使用的課程具有較大的自主性，可以涉及中小學(xué)生學(xué)習(xí)的各個(gè)學(xué)科，也可以是探究某個(gè)科學(xué)領(lǐng)域、生態(tài)領(lǐng)域未知的事物；可以是學(xué)校自主邀請(qǐng)專家、本校的教師甚至學(xué)生參與設(shè)計(jì)課程。

2 中小學(xué)智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的類型與區(qū)域布局

在智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)過(guò)程中，始終強(qiáng)調(diào)學(xué)校應(yīng)根據(jù)自身的辦學(xué)基礎(chǔ)、擁有的資源和學(xué)生的需求，認(rèn)準(zhǔn)能夠激發(fā)學(xué)校內(nèi)在活力的目標(biāo)，把創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與學(xué)校辦學(xué)目標(biāo)直接掛鉤，依托課程，著眼于學(xué)生的興趣激發(fā)與志趣培養(yǎng)，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)更加寬廣的實(shí)踐體驗(yàn)時(shí)空，有效地促進(jìn)學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展，使創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室成為學(xué)校構(gòu)建辦學(xué)特色的有效途徑，成為學(xué)校特色的有機(jī)組成部分。

2.1 中小學(xué)智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的類型

智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室至今沒(méi)有統(tǒng)一的分類。根據(jù)各地學(xué)校的實(shí)踐，類型可以覆蓋中小學(xué)所有學(xué)科的探究課程，如生命科學(xué)、物理、化學(xué)、工程技術(shù)、地理、音樂(lè)、金融等眾多學(xué)科和領(lǐng)域。大致分為：學(xué)科智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室、創(chuàng)客/STEAM創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室、職業(yè)體驗(yàn)類實(shí)驗(yàn)室、傳統(tǒng)文化創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室四大類。

2.2 中小學(xué)智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境布局

學(xué)校可以根據(jù)課程的設(shè)置，自主地設(shè)計(jì)智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的區(qū)域。實(shí)驗(yàn)室大體包含幾個(gè)功能區(qū)域：展示區(qū)、教學(xué)及創(chuàng)造區(qū)、活動(dòng)交流區(qū)和器材區(qū)。各個(gè)區(qū)域還可以進(jìn)行細(xì)化布置，均是以滿足學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)需求，帶動(dòng)學(xué)生濃厚學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生實(shí)踐項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)和學(xué)習(xí)效率為目的。

3 中小學(xué)智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)總框架

中小學(xué)智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)不是一攬子工程，需要學(xué)校從自身的實(shí)際出發(fā)，謀篇布局，分步建設(shè)。概括起來(lái)就是“121建設(shè)模式”，即一個(gè)目標(biāo)，兩個(gè)規(guī)劃和一個(gè)保障。具體來(lái)說(shuō)就是學(xué)校根據(jù)育人目標(biāo)首先定位智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的類型及特點(diǎn)，然后從軟件和硬件方面去細(xì)化實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)布局，使富有學(xué)校特色的智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室具象化。最后，還要規(guī)劃好智能實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行保障機(jī)制，為智能實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)落地及運(yùn)行提供最有力的保障。

4 中小學(xué)智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的可行性建設(shè)模式

新時(shí)代的智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建設(shè)已不再是簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境構(gòu)建和先進(jìn)的智能儀器的堆砌，而是融合學(xué)校地域特色、辦學(xué)理念、現(xiàn)有辦學(xué)基礎(chǔ)，具備個(gè)性化的設(shè)備設(shè)施的獨(dú)立學(xué)習(xí)空間和過(guò)硬創(chuàng)新與實(shí)踐能力的師資團(tuán)隊(duì)，構(gòu)建符合學(xué)生身心特征與認(rèn)知特點(diǎn)的課程體系、科學(xué)可實(shí)操性的保障措施的體系化建設(shè)。

學(xué)校建設(shè)智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，首先要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的可行性論證，切忌盲目進(jìn)行新建工作。智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建模式流程框架如圖1所示。

圖1 智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建模式

4.1 育人目標(biāo)定位智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)目標(biāo)與功能

在課題調(diào)研過(guò)程中，筆者發(fā)現(xiàn)荔灣區(qū)一些學(xué)校現(xiàn)有的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室與學(xué)校的辦學(xué)理念及目標(biāo)幾乎沒(méi)有什么關(guān)聯(lián)。一些學(xué)校添置幾個(gè)時(shí)髦的智能化設(shè)備，將原先的理化生、科學(xué)實(shí)驗(yàn)室改頭換面為創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室。一些學(xué)校為了提高學(xué)校辦學(xué)的先進(jìn)性，為了“創(chuàng)新”而“創(chuàng)新”，大搞突擊式的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，實(shí)施方案主要來(lái)源于一些智能化設(shè)備企業(yè)的包干，并沒(méi)有去論證實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行效能及可持續(xù)發(fā)展。我們不能搞零基礎(chǔ)的突擊式建設(shè)。因此，學(xué)校在建設(shè)智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室前，務(wù)必根據(jù)學(xué)校的地域特色、辦學(xué)理念、現(xiàn)有辦學(xué)基礎(chǔ)以及師資力量?jī)?chǔ)備去綜合考慮實(shí)驗(yàn)室的育人目標(biāo)，讓建設(shè)智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室成為落實(shí)學(xué)校辦學(xué)目標(biāo)的實(shí)踐平臺(tái)，成為學(xué)校辦學(xué)目標(biāo)具體化和深化的途徑。只有緊密結(jié)合學(xué)校育人目標(biāo)的智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室才有生命力和活力。

4.2 課程體系是智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的靈魂因素

學(xué)校建設(shè)智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室應(yīng)與學(xué)校優(yōu)秀傳承、育人理念、地域特色、現(xiàn)有資源等相結(jié)合去考慮設(shè)立完整創(chuàng)新實(shí)踐探究課程體系。課程設(shè)計(jì)以實(shí)施創(chuàng)新教育為理念，以多樣化和可選擇性為特點(diǎn)，開設(shè)基礎(chǔ)型、拓展型、實(shí)踐型、研究型等類型的課程，以及開展實(shí)踐、探究、創(chuàng)新活動(dòng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，可以是老實(shí)驗(yàn)、老儀器、新技術(shù)，可以是老實(shí)驗(yàn)、新儀器、新探究，還可以是新實(shí)驗(yàn)、新儀器、新技術(shù)。并且隨著智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的不斷完善，不斷去豐富及調(diào)整課程設(shè)置，使其成為新課程開放的樣本，創(chuàng)出學(xué)校的特色。

建設(shè)智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，要堅(jiān)決貫徹落實(shí)課程領(lǐng)先的原則，學(xué)校要先有課程設(shè)計(jì)，再考慮建設(shè)對(duì)應(yīng)的物質(zhì)環(huán)境滿足課程“落地”的需要。

4.3 師資團(tuán)隊(duì)是智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室可持續(xù)發(fā)展的不竭動(dòng)力

教師是智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的領(lǐng)路人，師資團(tuán)隊(duì)是實(shí)驗(yàn)室可持續(xù)發(fā)展的不竭動(dòng)力。一間沒(méi)有教師指導(dǎo)的智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)育人功能。我們區(qū)有個(gè)別學(xué)校僅依靠一兩位教師開展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)。社會(huì)上因教師發(fā)生工作調(diào)動(dòng)，離開學(xué)校，整間創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室就荒廢的現(xiàn)象并不少見(jiàn)。學(xué)校應(yīng)在建設(shè)定位階段，充分挖掘在校教師的專業(yè)特長(zhǎng)，挑選德才兼?zhèn)涞膭?chuàng)新型教師擔(dān)任實(shí)驗(yàn)室的任教教師，并鼓勵(lì)教師“傳幫帶”，形成具備專業(yè)知識(shí)與技能、創(chuàng)新意識(shí)及實(shí)踐能力的師資團(tuán)隊(duì)。同時(shí)，針對(duì)智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室某時(shí)期課程的發(fā)展變化，學(xué)?？梢猿浞掷蒙鐣?huì)資源，通過(guò)購(gòu)買服務(wù)等手段，聘請(qǐng)社會(huì)上專業(yè)的師資團(tuán)隊(duì)助力實(shí)驗(yàn)室教學(xué)，不斷滿足智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的需要。

4.4 先進(jìn)智能裝備的配置是智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的核心模塊

(1)智能裝備的配置要進(jìn)行科學(xué)論證

智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室不同于以往以做驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主的教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，是為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新志趣、開發(fā)學(xué)生創(chuàng)新潛質(zhì)、開展研究性學(xué)習(xí)和實(shí)施探究性實(shí)驗(yàn)搭建的新平臺(tái)。智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的核心是實(shí)驗(yàn)，靈魂是創(chuàng)新，借助智能裝備技術(shù)，通過(guò)為學(xué)生營(yíng)造創(chuàng)新教育環(huán)境、切實(shí)促進(jìn)廣大學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

學(xué)校應(yīng)建立新產(chǎn)品、新技術(shù)進(jìn)入智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)論證機(jī)制。根據(jù)學(xué)校的建筑格局、實(shí)驗(yàn)室內(nèi)外部環(huán)境、課程需求等因素綜合考慮實(shí)驗(yàn)室應(yīng)具備的個(gè)性化智能設(shè)備配置。同時(shí)，還要考慮儀器設(shè)備的投資效益問(wèn)題。對(duì)智能設(shè)備的論證，還應(yīng)注意前瞻性、科學(xué)性、合理性和有效性思考。投資建設(shè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的目的是應(yīng)用，建而不用是最大的浪費(fèi)。因此，學(xué)校在建設(shè)前期要充分考慮設(shè)施設(shè)備的使用效益，并充分挖掘智能儀器設(shè)備的“助學(xué)”功能，豐富課程內(nèi)涵，讓裝備成為真正的課程資源，形成具有學(xué)校特色的建設(shè)方案。

(2)智能裝備配置的原則

一是適宜性原則。智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的儀器設(shè)備配置，要立足于實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)課程內(nèi)容，符合學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)與身心特征，滿足課程實(shí)施的需求。設(shè)施設(shè)備應(yīng)具有安全性、學(xué)科兼容性、實(shí)踐操作性、科學(xué)性，應(yīng)注重教育教學(xué)與現(xiàn)代技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，能滿足探究課程的生成，滿足不同年級(jí)、層次學(xué)生發(fā)展的需求。

二是長(zhǎng)效性原則。智能儀器設(shè)備配置，應(yīng)考慮目前社會(huì)普及率較高并且處在發(fā)展上升期的創(chuàng)新智能實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，可以是3D打印、無(wú)人機(jī)、智能機(jī)器人、VR與AR、數(shù)字動(dòng)漫、木藝雕刻機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)智能等。不能出現(xiàn)“配備即過(guò)時(shí)”的現(xiàn)象，要充分考慮智能設(shè)備的發(fā)展前景與使用效能，在較長(zhǎng)時(shí)期均能較好地運(yùn)行。

4.5 運(yùn)行機(jī)制是智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建設(shè)落地及可持續(xù)發(fā)展的有力保障

學(xué)校在建立智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的前期，應(yīng)規(guī)劃好保障實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行的長(zhǎng)效機(jī)制，包括管理制度、培訓(xùn)制度、發(fā)展規(guī)劃及經(jīng)費(fèi)保障等四大方面。管理制度包括實(shí)驗(yàn)室建設(shè)組織架構(gòu)、建設(shè)保障機(jī)制、實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行管理制度、實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備配置制度、實(shí)驗(yàn)室課程落實(shí)制度、購(gòu)買服務(wù)制度等。培訓(xùn)制度主要包括實(shí)驗(yàn)室管理人員培訓(xùn)、教師和學(xué)生培訓(xùn)制度等。發(fā)展規(guī)劃包括智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室發(fā)展目標(biāo)及遠(yuǎn)景規(guī)劃。學(xué)校應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行提供有力的經(jīng)費(fèi)保障，做好每年的經(jīng)費(fèi)預(yù)算，并切實(shí)落實(shí)。