通过在协作探究环境中整合生成式人工智能和分析支持的反思性评估，培养职前教师的设计思维能力

《COMPUTERS and EDUCATION》：Fostering Preservice Teachers’ Design Thinking by Integrating Generative AI and Analytics-Supported Reflective Assessment in a Collaborative Inquiry Environment

设计思维在AI辅助的协作探究环境中通过生成式AI与数据分析支持的反思评估实现发展，110名职前教师参与课程实验，发现问题发现与定义能力显著提升，协作迭代模式增强，工具介入时机影响效果。

　　

杨玉琴|陈林白宇|孙丹尔|朱旺达|庞世彦

中国湖北省武汉市华中师范大学教育人工智能学院

摘要

培养职前教师（PSTs）的设计思维（DT）对于应对复杂的教学挑战至关重要，但在教师教育中仍然难以实现。尽管生成式人工智能（GenAI）和基于分析的反思性评估（ASRA）在支持设计思维方面显示出潜力，但它们如何能够被教学法地整合到协作探究中仍相对较少被探索。本研究旨在探讨在协作探究知识构建（KB）环境中结合使用GenAI和ASRA对PSTs设计思维的影响，以及他们的设计思维能力如何随着这种整合设计而发展。参与者是110名注册了一学期教学设计课程的PSTs。我们提出了一个概念框架，将协作探究、战略性延迟的GenAI使用和ASRA结合起来，并通过一个教学模型将其具体化，该模型将GenAI定位为认知和反思性的设计伙伴，而不是解决方案提供者。分析了多种数据来源，包括设计思维能力量表、连续的教学设计成果和1,305条在线讨论记录。结果显示，在问题发现和定义方面有显著提升，同时从阶段性的参与方式转变为更加整合和迭代的做法，特别是在原型制作和测试方面。当GenAI在仅有人类设计努力之后引入时效果最佳，而反思性分析则有助于监控集体进展并持续迭代。本研究通过理论化GenAI和ASRA如何可以在KB环境中整合以支持设计思维，为准备适应AI丰富的教学环境的PSTs提供了实证基础。

引言

设计思维（DT）越来越被视为一种高阶思维的关键能力，使学习者能够通过创造性和迭代的方法解决复杂的现实世界问题（Bereiter & Scardamalia 2022; Calavia et al., 2023; Hong et al., 2025; Lee & Kim, 2025）。DT通常被定义为一种迭代的、以人为中心的过程，涉及通过问题构建、构思、原型制作、测试和反思的循环来解决结构不良的问题（Buchanan, 1992; Razzouk & Shute, 2012）。最近在教师教育中的研究表明，以DT为导向的活动有助于PSTs构建真实的教学问题，做出基于原则的教学决策，并设计出更具适应性的学习环境（Calavia et al., 2023; Hong et al., 2025; Lee & Kim, 2025）。除了技术技能的发展外，DT还培养了诸如韧性、宽容性和对模糊性的元认知意识等品质——这些品质对于应对复杂的、结构不良的问题至关重要（Koh et al. 2015a; Thuan & Antunes, 2024）。它还促进了创造性、创新性和批判性思维——这些能力是21世纪教育的核心（Koh et al., 2015b; Lin et al., 2020）。如果没有良好的设计思维能力，PSTs往往难以设计出符合当代教育要求的有意义的学习者中心课程（Avsec & Jagie??o-Kowalczyk, 2021; Baran & AlZoubi, 2024; Yüksel, 2025）。因此，帮助PSTs发展设计思维能力至关重要。

然而，培养PSTs的设计思维能力仍然具有挑战性。许多PSTs严重依赖现有的模板或在线资源，缺乏独立设计教学的能力（Ananda et al., 2023; Baran & AlZoubi, 2024）。即使在以设计为导向的课程中，PSTs也常常难以维持构思、原型制作和测试的迭代周期，尤其是在设计工作需要协调、论证和随时间修订时（Calavia et al., 2023; Lee & Kim, 2025）。先前的研究表明，教师教育往往更重视最终的教学成果，而不是过程导向的想法改进和反思（Ohly et al., 2017; Panke & Harth, 2019）。此外，PSTs经常缺乏使设计过程可见并支持在协作过程中评估想法联系和推理差距的工具（Rodríguez-Chirino et al., 2025）。这些挑战与教学设计的本质密切相关，教学设计是PSTs预期要执行设计思维的核心专业实践。有效的教学设计要求PSTs能够为设计决策提供理由，整合理论，并根据证据修订教学，而不是遵循固定的模板。从这个意义上说，教学设计为设计思维的发展提供了真实的背景，而设计思维则代表了使PSTs能够高效参与此类设计工作的思维方式。

生成式人工智能（GenAI）的迅速发展为支持教学设计提供了新的机会，但也引发了教学法上的担忧。研究表明，GenAI可以促进想法生成，提供替代的设计选项，并支持教师教育中的早期课程草拟（Moorhouse & Kohnke, 2024; Moorhouse et al., 2024）。同时，关于准确性、过度依赖和教师自主性的担忧仍然存在（Ko et al., 2025; Liu et al., 2025）。关于GenAI支持的知识构建的研究进一步表明，当GenAI嵌入到协作探究中而不是作为独立工具使用时，它可以促进详细化和综合（Chen et al., 2023）。然而，大多数现有研究关注的是PSTs的态度或意图，而较少探讨GenAI如何能够被教学法地整合到结构化的、协作的设计思维过程中。

关于知识构建（KB）和基于分析的反思性评估（ASRA）的平行研究为解决这一差距提供了有希望的基础。KB是一个协作探究框架，学习者作为一个社区通过持续的想法改进来推进共享知识（Scardamalia & Bereiter, 2014, 2022）。先前的研究表明，KB环境支持教师教育中的渐进式讨论和以设计为导向的探究（Chen & Hong, 2016; Hong et al., 2019）。ASRA通过帮助学习者监控、评估和调节探究过程来补充KB（Borge et al., 2018; Rodríguez-Chirino et al., 2025）。反思性评估是一种以学习为导向的方法，学习者使用评分标准或关于学习的数据来监控、评估和调整他们的学习策略，以改进探究和学习过程及结果（Lei & Chan, 2018; Scardamalia, 2002; White & Frederiksen, 1998），而学习分析使探究过程可见且可解释（Tao & Zhang, 2021; Tong et al., 2024）。在GenAI增强的环境中，这种支持尤为重要，因为想法生成可能会加速，但反思性判断和基于原则的修订仍然具有挑战性。尽管有这些进展，GenAI和ASRA如何能够在KB环境中共同整合以支持PSTs的教学设计中的设计思维仍然不够清楚。

基于这些研究方向，本研究设计了一个富含GenAI和ASRA的KB协作探究环境，以通过教学设计支持PSTs的设计思维。本研究旨在探讨结合使用GenAI和ASRA对PSTs设计思维的影响，以及他们的设计思维能力如何随着时间的推移在这种整合设计中发展。参与者是110名在中国中部一所师范大学注册了必修教学设计课程的三年级PSTs。GenAI工具（例如Kimi、DeepSeek、iFlytek Spark、Doubao-Seed）被用作认知和反思性的伙伴，以支持构思、详细化和批判，而ASRA则支持KB探究中的监控、反思和行动计划规划。反思性评估由Knowledge-Building Discourse Explorer（KBDeX；Oshima et al., 2012）提供支持，这是一种学习分析工具，它提供了基于社交网络的可视化，使PSTs能够看到想法是如何连接的，贡献是如何发展的，以及他们的工作如何推进集体进展。这些可视化提供了可操作的反馈，帮助学习者跟踪他们的探究，识别差距，并深化他们的探究（Wise et al., 2021）。在这项研究中，KBDeX作为一个过程导向的支架，与在KB环境中培养PSTs设计思维的目标相一致。

部分摘录

设计思维（DT）、教学设计和职前教师（PSTs）

设计思维（DT）越来越被认为对于准备PSTs应对教学实践中的复杂和结构不良问题至关重要（Baran & AlZoub, 2024; Yüksel, 2025）。DT强调问题构建、构思、原型制作、测试和反思的迭代循环，这与课堂上的教学决策本质紧密相关（Buchanan, 1992; Razzouk & Shute, 2012）。在现有的定义中，

研究背景和参与者

本研究在中国中部一所顶尖的教师教育大学进行，该校的核心机构使命是培养合格的K–12教师。参与者是110名注册了必修本科课程的三年级PSTs。所有参与者都是英语教育专业的学生，而这一专业在中国教师教育背景下存在严重的性别失衡。因此，86.4%的参与者是女性（n = 95），13.6%是男性（n = 15），这反映了典型的

通过设计思维量表测量的PSTs设计思维的变化

表2展示了PSTs在使用GenAI和ASRA之前的设计思维平均值（M）和标准差（SD），以及配对样本检验结果。表1显示，PSTs的设计思维从预测试（M = 5.15, SD = 0.60）到后测试（M = 5.25, SD = 0.58）有统计学上的显著提高，(102) = 2.151,

= .034，效应量较小（Cohen’s d = 0.21）。这表明观察到的变化幅度较小，应被视为渐进的

GenAI和ASRA对PSTs设计思维的联合影响

来自量表和教学设计评估的结果表明，将GenAI和ASRA整合到KB协作探究环境中选择性地支持了PSTs的设计思维发展，而不是均匀地改善所有设计思维阶段。总体得分显著提高，特别是在问题发现和定义方面，表明该设计帮助PSTs澄清问题并明确设计目标。然而，自我报告的设计思维变化幅度较小，

CRediT作者贡献声明

孙丹尔：写作——审阅与编辑，撰写——初稿，方法论，概念化。朱旺达：写作——审阅与编辑，撰写——初稿，概念化。庞世彦：写作——审阅与编辑，撰写——初稿，概念化。杨玉琴：写作——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，监督，项目管理，方法论，调查，资金获取，正式分析，概念化。陈林白宇：写作——

未引用的参考文献

Chen and Zhu, 2023; Koh et al., 2015; Siemens and Gasevic, 2012.

数据和材料的可用性

这些数据将按个案 basis 提供给其他研究人员。

资金

本研究得到了第一作者的国家级资金支持，并已移除以便进行盲审。

致谢

作者感谢参与的学生。

杨玉琴是华中师范大学教育人工智能学院的学习科学全职教授。她的研究兴趣包括知识构建的教学法和评估、数据科学教育、学习分析和协作学习。她的研究成果发表在《Computers & Education》、《Internet and Higher Education》、《American Educational Research Journal》、《International Journal of Computer-Supported