以跨学科学习培育学生数字工程素养的实践探索

人才是第一资源，创新是第一动力，培养拔尖人才是实施科教兴国、人才强国的重大战略支撑。]随着信息技术的飞速发展，数字化已经渗透到社会的各个领域。各国深入推进数字化发展战略，竞争日趋激烈，数字时代的国际格局正在加速重塑。而数字化与工程技术的融合一一数字工程，成为各国竞争的重点领域。数字工程素养是数字工程人才必备的素养，指的是将数字化技术融入工程实践，通过系统性观察、分析、批判、创新、迭代来解决问题的意识与能力。具备数字工程素养的学生通常对数字技术、工程技术感兴趣，且具有独立分析问题并制订解决方案的能力，还具有发散性思维、创造性思维、良好的动手能力和丰富的空间想象力。我国对数字工程人才的培养相对较晚，目前仅在高校开设相关专业，在中小学则少有这方面的探索。2019年以来，遂渐探索出了一条以跨学科学习为主要方式的数字工程素养培育路径，取得了一定成果。一、建立培育学生数字工程素养的支持系统（一）融数字素养与工程素养于一体的课程建设数字工程与科技实践之间有着紧密的联系。学校创造性地引人了设计与技术课程。这一课程不仅是工程特色课程的典范，也是跨学科学习理念的实践路径。设计与技术课程不仅涉及机械、电子、编程等领域，还巧妙地将科学、数学、美术和信息科技等多学科融于一体，形成了一个多维度、跨领域的综合学习平台。在设计与技术课堂上，学生不再是某个单一领域的学习者，而是解决综合问题的实践者。通过参与项自设计、材料探索、工艺制作等过程，学生不仅系统掌握了工程技术，还学会了如何在跨学科背景下分析问题、提出解决方案。学校充分考虑学生的认知发展规律，在小学各年段设计了不同梯度的设计与技术课程，建立了低、中、高三段式课程体系。在低年级，课程主要包括充满趣味和具有直观性的活动。例如，在“数字积木乐园”项自中，学生通过拼接不同形状且带有数字标识的积木，知道数字的天小、排列顺序以及简单的组合规律，同时初步了解物体的结构与特性，形成空间感知能力。中年级的设计与技术课程旨在引导学生对知识进行实践应用。其中，“智能玩具创意制作\"项目要求学生运用美术知识与手工技巧设计玩具的外观和结构，同时利用简单的编程模块和传感器，如触摸传感器、声音传感器等，使玩具具有互动功能。可见，这一项目实现了信息科技、美术与工程技术的初步融合。高年级的设计与技术课程侧重于综合性的项目实践与创新能力的培养。以“环保智能家居模型设计”项目为例，学生需要全面考虑家居的功能分区、能源利用与环保材料选择等工程问题，并运用数学知识进行空间规划与能耗计算，而后借助编程技术实现对智能设备的控制。（二）以数字技术赋能课堂教学在小学课堂教学中，数字技术的应用丰富多样且贴合学生实际。其中，数字化信息系统在科学课上大放异彩。以教科版《科学》四年级上册“声音”单元为例，学生使用该系统的声音传感器收集不同物体发出的声音的频率、振幅等数据，如敲击不同材质的乐器，拨动粗细不同的琴弦等。实验数据实时传输到电脑上，以直观的图表形式呈现。学生通过观察和分析这些可视化数据，能够发现声音与物体材质、结构之间的关系。这种数字化实验将抽象的知识变得具体可感，极大地增强了学生的学习兴趣，有效地培养了学生基于数据进行分析探究的能力。人工智能技术也为教学带来了新的活力。智能学习平台能够根据学生的学习习惯和知识掌握情况，推送个性化的学习内容和练习。比如在语文识字课中，智能学习平台能够识别学生的生字认读错误率和书写薄弱点，而后有针对性地推送包含易错字的趣味短文、笔顺演示动画以及听写练习等内容，帮助学生巩固知识，突破重难点。（三）支持跨学科学习的空间建设学校打造了未来学习中心、未来创新中心、未来体能中心等八大学习空间，用于支持学生的跨学科学习。其中，未来创新中心是一个充满童趣且具有安全保障的数字工程实践空间，配备了适合学生操作的小型3D打印机、简易电子焊接工具、安全机械套件以及丰富的手工材料等。此外，学校积极与周边单位合作，拓展学生的学习空间。一方面，学校与社区公园合作开展“生态数字观察站”项目。学生定期到公园观察动植物，利用平板电脑记录植物的生长变化、动物的行为习性等信息。然后运用简单的数据处理软件分析生态数据，如统计不同季节植物的种类和数量、动物的活动频率等。同时结合语文课上学到的描写自然的方法和美术课上学到的绘画技巧，完成生态观察手抄报或科普小视频，向社区居民展示成果，深化人们对自然生态的认识，提升人们保护环境的意识，发挥跨学科学习的社会价值。另一方面，学校与科技馆建立长期合作关系，定期组织学生参加科技馆的互动展览活动和科普讲座活动。在此过程中，学生亲身体验各种数字工程技术的应用，如通过虚拟现实技术模拟自然灾害，观着机器人的表演，等等。科技馆的工作人员会用通俗易懂的语言为学生讲解背后的科学原理和工程技术，激发学生探索数字工程的热情，拓宽学生的科技视野，为跨学科学习提供丰富的灵感。（四）提升教师的数字工程素养学校十分重视教师数字工程素养的培养，构建了全方位、多层次的教师培训体系。如，学校定期举办校内\"数字工程教育工作坊\"活动，邀请教育技术专家和一线优秀教师分享经验并展开案例教学。在工作坊中，专家会详细介绍适合小学生的数字工程教育软件的使用方法，如简单的编程软件、数据处理工具等，并通过实际操作演示和现场指导帮助教师快速掌握技术。同时，一线优秀教师通过案例分享介绍将数字工程知识融人语文、数学、科学等学科教学的方法，如在科学课上利用数字模拟软件讲解地球公转与四季变化的知识，在数学课上通过编程游戏让学生练习数学运算，等等。这都为其他教师提供了教学思路和教学方向。学校积极组织教师参加校外的专业课程培训和学术研讨会，如“小学数字工程教育创新与实践”培训课程。通过该课程，教师系统学习了数字工程教育的理论体系、课程设计方法和教学评价策略，了解了国内外小学数字工程教育的最新研究成果和发展趋势。在学术研讨会上，教师有机会与来自不同地区的教育同行交流经验，共同探讨教学中遇到的问题和解决方法。学校鼓励教师开展基于教学实践的行动研究。教师针对数字工程素养培育过程中出现的实际问题，如学生在跨学科学习中的参与度差异、不同学科知识融合的难点等，制订研究计划并付诸实践。教师通过收集教学数据，分析学生表现，反思教学过程，不断改进教学方法和策略，并将研究成果总结成教学论文或案例报告，在学校内部或教育论坛上进行交流，形成良好的教学研究氛围。这不仅有利于教师团队的共同成长，也为学生数字工程素养的培育提供了师资保障。二、以跨学科学习培育学生数字工程素养有效的跨学科学习不仅可以使学生在主动探究、合作创新中提升数字工程素养，还能让学生在实践中提升解决现实问题的能力。下面以“夺命渔线之祸一黑天鹅智能守护计划”跨学科学习为例，展开具体分析。（一）确定跨学科学习主题跨学科学习必须具备真实性的特点，也就是要贴近学生的生活。学校应充分利用社区资源，引导学生深入了解社区的文化、历史、环境以及居民的需求。通过观察、调研和访谈，师生发现了许多具有现实意义的学习主题。“夺命渔线之祸一一黑天鹅智能守护计划\"跨学科学习源于真实的问题：距学校几百米的大梅沙湖心岛两年前迎来了六对高贵优雅的黑天鹅，深受游客及居民的喜爱。渐渐地，学生发现黑天鹅的数量有所减少，于是他们上网查询资料，分析黑天鹅的死因，并进行实地走访调查。学生得知黑天鹅是被湖中丢弃的渔线缠绕致死的。黑天鹅的相继死亡激发了学生的社会责任感，为阻止悲剧再次发生，学生在教师的组织下，开展了以守护黑天鹅为主题的跨学科学习。（二）设立跨学科学习目标数字工程素养的培养是本次跨学科学习的最终目的。学习过程中，学生始终是学习的主人，占主体地位。他们通过解决实际生活中的问题，掌握关键知识和核心原理，获得综合能力的发展。在“夺命渔线之祸一一黑天鹅智能守护计划”跨学科学习中，学生发现黑天鹅经常由于渔线缠绕而死，于是决定通过构建黑天鹅智能保护系统来守护黑天鹅。风险预防小组通过制作发光标识、走马灯、鱼饵扭蛋机来预防可能发生的断线风险；问题处理小组制作自动巡航水下打捞器，智能化打捞黑天鹅活动范围内的渔线。在此过程中，学生将会用到电学与力学等科学知识、编程控制等信息科技手段、问卷编写和倡议书撰写等语文能力、艺术字和UI设计等美术技能、3D打印等劳动技能等。教师只提供研究方向，学生以合作学习的方式建构科学、信息科技、语文、美术、劳动等跨学科知识。（三）设计跨学科学习内容旨在提高数字工程素养的跨学科学习内容设计应遵循以下原则。首先，确保内容的整体性，打破学科壁垒，融合不同领域的知识。其次，注重实践性，通过实际问题与案例引导学生应用知识。再次，强调创新性，鼓励学生发挥创造力，提出新颖的解决方案。最后，确保内容的连贯性和系统性，使学生在学习过程中形成完整的知识体系。这些原则有助于培养学生的数字工程素养，提升他们解决复杂问题的能力。本次跨学科学习以“保护湖中的黑天鹅\"为总任务，以提高学生的数字工程素养为总目标。活动流程如下。一是情境导人。引人实际案例，让学生了解大梅沙湖心岛黑天鹅死亡的事件，产生对该问题的思考，为后续活动的开展奠定情感基础。二是职业体验。学生代入大梅沙湖心岛生态管理员的角色，了解管理员的职责和工作内容，意识到保护生态环境的重要性，明确作为管理员需要掌握的知识和技能。三是科学探究。学生探究黑天鹅死亡的原因、黑天鹅的生活习性及生态需求，学习相关生态知识和动物保护知识。同时，学生学习数字技术在生态保护中的应用，如传感器的使用技巧和数据分析技术等，提升数字工程素养。四是工程实施。学生设计制作黑天鹅智能保护系统，分为两个部分。（1）预防可能发生的事件：设计并制作发光标识、走马灯等警示装置，以鱼饵扭蛋机来替代渔线垂钓，减少黑天鹅被渔线缠绕的风险。（2）处理已发生的事件：开发自动巡航水下打捞器，用于快速发现并解救被渔线缠绕的黑天鹅。五是汇报展示。学生展示自己设计的黑天鹅智能保护系统，通过模拟实验或实际测试对成果加以检验。评价环节包括师评、自评和互评等，全面评估学生的参与度、创新能力和实践能力。六是总结反思。师生共同总结跨学科学习过程中积累的经验，针对存在的问题提出改进建议，并对方案进行迭代和优化。同时，教师引导学生反思自己在数字工程素养发展方面的优势与不足，并在后续的学习中做到扬长避短。由此，学生将全面了解数字工程在生态保护领域的应用，提升跨学科整合能力、实践能力和创新能力，形成数字工程素养。（四）评价跨学科学习实效构建一套基于拔尖创新人才培养的小学生科学品质评价指标体系具有重要意义。2科学的评价是跨学科学习的关键支撑，能准确及时地反映学生的学习效果并推动其进步。在开展评价的过程中，应关注以下几个方面：明确评价自标和标准，使评价目标与跨学科学习目标紧密联系；采用多元的评价方式，如作品展示、访谈和观察等，全面了解学生的表现；重视过程评价，关注学生在学习过程中的参与、合作情况；鼓励学生开展自我反思和同伴评价，全面评价跨学科学习情况。“夺命渔线之祸黑天鹅智能守护计划”跨学科学习评价包含方案设计评价、过程性评价和终结性评价三个板块。方案设计评价主要关注学生在提出方案过程中的表现以及方案的实效性：评估学生是否对问题进行了深入的分析，并基于分析结果提出了合理的解决方案；评估该方案是否注重用数字技术或工具解决问题，并考虑其创新性和实用性；评估该方案是否关注到环境、经济和社会等方面的影响。具体如表1所示。表1方案设计评价量表过程性评价关注学生的技术应用能力，即评估学生在活动中使用数字工具和技术分析问题的能力以及收集和处理数据的能力；关注学生的创新思维能力，即观察学生能否运用创新思维解决问题，提出新颖的解决方案；关注学生的项目管理能力，即评估学生在项目管理中的表现，如时间规划、任务分配和进度控制等；关注学生的团队合作与沟通能力。具体如表2所示。表2过程性评价量表续表终结性评价要求学生展示最终成