楊超博 范向花 閆俊 王萍

項目目標

培養(yǎng)學生對農(nóng)業(yè)的興趣及投身鄉(xiāng)村振興的主動性， 將現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與科學結(jié)合，通過系列傳感器、數(shù)據(jù)采集器、相關(guān)軟件培養(yǎng)小學生的科學探究能力，引導學生打破學科界限，嘗試運用綜合思維，從不同學科的“跨界合作”中全面、整體地認識事物，鼓勵學生化身為21 世紀新農(nóng)民，設(shè)計搭建智能農(nóng)植園，體會信息科技的魅力，使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)更具“智慧”。

項目簡介

項目以“設(shè)計與制作智能農(nóng)植園”為主題，綜合利用地域優(yōu)勢及吉林省科技館“現(xiàn)代農(nóng)業(yè)”和“現(xiàn)代信息技術(shù)”展廳的教學資源，對接《義務(wù)教育科學課程標準（2022 年版）》中“工程設(shè)計與物化”學科核心概念和“結(jié)構(gòu)與功能”跨學科概念，采用STEM 教學理念，基于項目的學習、情境教學等教學方法，通過展廳參觀、模型制作、發(fā)布展示會等多種活動形式，探索新型智能農(nóng)業(yè)形式，將科學知識與科學方法更好地融合，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學生的創(chuàng)造能力。

項目設(shè)計

項目開始前，引導學生閱讀現(xiàn)代農(nóng)業(yè)新聞資訊，了解國內(nèi)外智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，指導學生通過問卷調(diào)查、訪問等多種形式調(diào)研身邊人對智慧農(nóng)業(yè)的了解，激發(fā)學生對智慧農(nóng)業(yè)的興趣。此外，利用地域優(yōu)勢組織學生參觀吉林省農(nóng)科院、農(nóng)博園，感受智慧農(nóng)業(yè)的重要性。通過參觀吉林省科技館現(xiàn)代農(nóng)業(yè)展廳和現(xiàn)代信息技術(shù)展廳，讓學生了解現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)和各種傳感器的特點與功能，為搭建設(shè)計智能農(nóng)植園模型作鋪墊。

項目材料

PVC 板、PVC 管、PVC 管接頭、電烙鐵、美工刀、記號筆、小燈泡、燈帶、單刀雙擲開關(guān)、螺絲釘、螺絲刀、土壤、植物幼苗、電源適配器、電工膠布、各類傳感器和電子元件等。在項目實施過程中，教師需提前向?qū)W生展示相關(guān)工具的使用方法。

項目實施

創(chuàng)設(shè)情景，引出項目主題

通過播放國內(nèi)外最新智能苗圃前沿資訊，激發(fā)學生對農(nóng)業(yè)發(fā)展的興趣和探究欲望，鼓勵學生自主收集資料并主動調(diào)研，學習了解智能苗圃內(nèi)的濕度、溫度、LED 燈光強度配比，以及植物所需的營養(yǎng)配比和最佳晝夜周期等，均能通過中央控制系統(tǒng)進行調(diào)控，學習了解環(huán)境檢測系統(tǒng)、智能監(jiān)控系統(tǒng)、智能灌溉系統(tǒng)等智能化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。

確定問題，共建概念圖

確定活動任務(wù)，即：建造一個規(guī)定長、寬、高的智能農(nóng)植園模型，使該模型能夠?qū)崿F(xiàn)智能光控、智能溫控、智能灌溉，能為植物提供適宜的生存環(huán)境。在明確項目任務(wù)后，通過構(gòu)建概念圖，使學生對智能農(nóng)植園模型的設(shè)計和搭建具備整體的認識和規(guī)劃。

任務(wù)１.設(shè)計智能農(nóng)植園模型

活動１. 了解掌握植物生長的必要條件

通過還原科學家海爾蒙特、英國化學家普利斯特、德國科學家薩克斯等的經(jīng)典科學實驗，了解植物生長的必要條件：適度陽光、空氣和適量水分，以及植物生長必需的溫度和養(yǎng)料。

活動２. 確定智能農(nóng)植園的“居民”，了解它們的習性

引導學生自主選擇農(nóng)植園“居民”，讓學生從被動學習變?yōu)橹鲃訉W習；通過搜集、查閱資料，提高學生的自學能力；組織學生小組交流討論智能農(nóng)植園需具備的功能，確定智能農(nóng)植園模型的組成部分。

活動３. 繪制智能農(nóng)植園設(shè)計圖

結(jié)合前期調(diào)研，讓學生畫出智能農(nóng)植園的內(nèi)部設(shè)計圖，并標注栽種區(qū)、智能裝置安裝區(qū)等主要部分及尺寸和功能，通過繪制智能農(nóng)植園設(shè)計圖，將想象中的模型呈現(xiàn)在圖紙上，培養(yǎng)學生的繪圖意識，并讓學生體驗真正的工程師必須經(jīng)歷的設(shè)計、測量等規(guī)劃統(tǒng)籌過程。

任務(wù)2. 制作智能農(nóng)植園模型

活動１. 動手搭建智能農(nóng)植園模型

①選擇合適的場所。選擇光照時間長的場所，特別是早上光照足的場所，如條件允許，可考慮搭建蓄水池，便于儲存雨水等用于灌溉。②選擇合適形狀的框架結(jié)構(gòu)。一般的框架結(jié)構(gòu)主要有拱形、三角形、長方形等形狀，根據(jù)設(shè)計選擇框架形狀，并通過查詢資料選擇合適的覆蓋材料。③設(shè)計農(nóng)植園控制系統(tǒng)。通過安裝溫度傳感器和風扇控制溫度，其中溫度傳感器分散安裝，以便隨時觀察各個位置的溫度，風扇安裝在角落，并伴有通風孔；安裝土壤濕度傳感器檢測土壤濕度，以便適時給植物澆水。需要特別注意室內(nèi)的二氧化碳濃度，雖然植物的光合作用需要二氧化碳，但在相對封閉的空間內(nèi)，二氧化碳濃度太高反而不利于植物生長，因此安裝通風系統(tǒng)非常必要。

智慧農(nóng)業(yè)是在信息技術(shù)和先進裝備條件的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的精準感知、智能控制、智慧管理，追求農(nóng)業(yè)更高的資源利用率、更高的勞動生產(chǎn)率和更好的從業(yè)體驗感。因此，在模型制作中除了基于設(shè)計圖稿完成模型搭建，學生還需思考如何使智能苗圃更加節(jié)能、如何進行智能灌溉、如何自動調(diào)節(jié)溫濕度、如何調(diào)整晝夜周期、如何降低育苗成本、如何縮短育苗時間等問題，培養(yǎng)基于證據(jù)改進實物模型的設(shè)計與制作能力。

活動２. 測試與優(yōu)化智能農(nóng)植園模型

首先，觀摩其他小組的模型， 反思本小組的模型是否有可以改進的地方，小組討論后進行修改。然后，檢測智能農(nóng)植園模型的結(jié)構(gòu)和各項系統(tǒng)是否安裝到位。通過工程項目書的撰寫，幫助學生梳理總結(jié)設(shè)計思路、工程預(yù)算，明確智能農(nóng)植園的檢測方法及驗收標準，逐步培養(yǎng)“問題—改進—新問題—再改進”的實踐習慣。

任務(wù)３. 智能農(nóng)植園程序編寫

以夏天培育某種植物為例，程序要求如下。①空氣溫度。例如適宜溫度25℃，高于30℃，啟動降溫裝置（加濕風扇）；低于20 ℃，啟動升溫裝置（加熱白熾燈）。②自動澆水。土壤干燥時自動澆水，土壤潮濕時停止?jié)菜?。③光照強度。光線不足時自動補光，光線過強時自動遮光。小組討論后提交智能農(nóng)植園程序圖，通過編程讓學生將理論應(yīng)用于實踐，提高學生的編程能力與實踐能力。

以夏天培育綠蘿為例編寫程序，描述：根據(jù)溫度傳感器、濕度傳感器和光照傳感器檢測到的環(huán)境信息，風扇、水泵、燈帶、報警器等傳感器協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)智能溫控、智能灌溉和智能光控。

成果交流

為充分調(diào)動學生的積極性，豐富活動內(nèi)涵，展現(xiàn)學生動手動腦能力，拓寬學生的表達能力，特設(shè)智能農(nóng)植園博覽會環(huán)節(jié)，并邀請專家和教師對學生作品進行評價。

后測與拓展

引導學生開闊思路，通過改進模型結(jié)構(gòu)，增加不同傳感器的電子元器件、單片機編程等方法，不斷更新迭代，以實現(xiàn)智慧農(nóng)植園的不同功能。