胡岳 王自珍 袁偉 胡孟

摘要：本文基于“乾坤板”，設(shè)計(jì)了一套智能種植綜合實(shí)踐平臺(tái)。平臺(tái)以芽苗菜種植為場(chǎng)景，可根據(jù)種植溫濕度、光照等環(huán)境狀態(tài)傳感和補(bǔ)光、水肥調(diào)控等功能需求，進(jìn)行編程試驗(yàn)。所開發(fā)平臺(tái)通過工程創(chuàng)新培訓(xùn)、綜合實(shí)踐活動(dòng)、科普講座等形式在大學(xué)和中小學(xué)進(jìn)行推廣，通過在家庭與宿舍陽臺(tái)種植的實(shí)際應(yīng)用，推動(dòng)了綜合實(shí)踐活動(dòng)課程的家校社聯(lián)動(dòng)。

關(guān)鍵詞：智能種植；綜合實(shí)踐；創(chuàng)新教育；科普平臺(tái)；產(chǎn)教融合

中圖分類號(hào)：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 論文編號(hào)：1674-2117（2024）02-0074-04

引言

作為上海交大未來電網(wǎng)科普教育基地負(fù)責(zé)人，基于近幾年的科普經(jīng)歷，筆者認(rèn)識(shí)到當(dāng)前高校在基于科普活動(dòng)進(jìn)行創(chuàng)新人才培養(yǎng)方面還存在一些不足，具體包括：因科研與教學(xué)非緊密銜接的現(xiàn)狀，科普活動(dòng)對(duì)教育資源的利用并不充分；因教材更新與技術(shù)發(fā)展之間的速度差，教學(xué)與生產(chǎn)實(shí)踐脫節(jié)嚴(yán)重，產(chǎn)教融合不充分；因升學(xué)壓力，中小學(xué)創(chuàng)新活動(dòng)呈現(xiàn)低年級(jí)活躍高年級(jí)基本停滯的特點(diǎn)，并且中小學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)也主要圍繞升學(xué)開展，與大學(xué)面向產(chǎn)業(yè)需求的創(chuàng)新教育無法直接貫通，脫節(jié)比較厲害。

針對(duì)上述問題，結(jié)合上海交通大學(xué)未來電網(wǎng)電力科普教育基地“面向創(chuàng)新人才培養(yǎng)”的科普特色，筆者選取“智能種植”項(xiàng)目為內(nèi)容載體，面向科普和創(chuàng)新人才培養(yǎng)，進(jìn)行了智能種植綜合實(shí)踐平臺(tái)的開發(fā)。該平臺(tái)設(shè)計(jì)以“乾坤板”為基礎(chǔ)[1]，以產(chǎn)教融合為設(shè)計(jì)理念，旨在通過平臺(tái)的開發(fā)設(shè)計(jì)活動(dòng)與綜合實(shí)踐應(yīng)用互動(dòng)的貫通，銜接大學(xué)與中小學(xué)創(chuàng)新教育。同時(shí)，在中小學(xué)階段，通過家庭陽臺(tái)種植方式，引導(dǎo)家長(zhǎng)參與核心實(shí)踐活動(dòng)，形成學(xué)校、家庭、社會(huì)聯(lián)動(dòng)生態(tài)。

智能種植實(shí)踐平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)

經(jīng)過前期科研項(xiàng)目和中小學(xué)綜合實(shí)踐活動(dòng)課程實(shí)際需求的調(diào)研，筆者認(rèn)為，采取項(xiàng)目式教學(xué)模式開展綜合實(shí)踐活動(dòng)比較合適，實(shí)踐場(chǎng)景和內(nèi)容需要有一定的趣味性、實(shí)用性和技術(shù)性，并且具有開放性、啟發(fā)性和引領(lǐng)性。據(jù)此，筆者選擇以芽苗菜為主的微型智能種植為具體實(shí)踐內(nèi)容，進(jìn)行了種植設(shè)備的框架設(shè)計(jì)和實(shí)踐內(nèi)容的規(guī)劃。

芽苗菜種植包含了智能種植的大部分要素，可學(xué)習(xí)實(shí)踐植物生長(zhǎng)的過程，同時(shí)，芽苗菜種植周期短，大約一周左右就可以收獲實(shí)踐成果，并且作為一個(gè)產(chǎn)業(yè)，芽苗菜工廠化生產(chǎn)也是行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。整體設(shè)計(jì)既具有操作性，又與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)合。如下頁(yè)圖1所示，通過對(duì)生物學(xué)、信息科技和勞動(dòng)實(shí)踐課程大綱的融合需求分析，確定家庭芽苗菜智能種植系統(tǒng)的調(diào)控需求，進(jìn)而選定智能硬件，搭建芽苗菜智能種植系統(tǒng)（基礎(chǔ)版），可用于課堂教學(xué)和陽臺(tái)種植實(shí)踐（家庭與宿舍）。同時(shí)，希望在基礎(chǔ)版系統(tǒng)實(shí)踐基礎(chǔ)上，能夠激發(fā)部分學(xué)生的創(chuàng)新思維，使他們可以基于前期實(shí)踐對(duì)種植知識(shí)和智慧農(nóng)業(yè)深入了解，進(jìn)一步搭建出滿足真實(shí)場(chǎng)景需求的智能種植系統(tǒng)。

圖2展示了當(dāng)前設(shè)計(jì)的一套芽苗菜智能種植系統(tǒng)（基礎(chǔ)版）和一套陽臺(tái)智能種植拓展系統(tǒng)?；A(chǔ)版包含光敏、溫濕度、水位、傳感器，霧噴水泵、植物補(bǔ)光燈（加熱器為可選項(xiàng)）等執(zhí)行器，水箱、種植盤等組件可放置于避光收納箱中，系統(tǒng)可通過乾坤板編程。根據(jù)不同品種芽苗菜生長(zhǎng)需求，自動(dòng)進(jìn)行光溫水肥氣的調(diào)控，當(dāng)接入本地WIFI后，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。整套系統(tǒng)由充電寶5V供電，可在課堂、家庭和宿舍多場(chǎng)景使用。陽臺(tái)智能種植拓展系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)、傳感控制硬件與基礎(chǔ)版種植系統(tǒng)相同，為進(jìn)一步適應(yīng)家庭陽臺(tái)智能種植需求，重新選擇了種植容器，其底部是一個(gè)長(zhǎng)方形種植盆，種植盆上方為一塊垂直綠化植物種植袋掛墻，并將霧噴改為滴灌。系統(tǒng)成本不高，簡(jiǎn)單實(shí)用，且完全滿足智能控制的需求。

創(chuàng)新教育課程體系構(gòu)建

課程以培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)為目標(biāo)，圍繞農(nóng)業(yè)種植、信息技術(shù)、勞動(dòng)實(shí)踐等方面設(shè)計(jì)科普和工程創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，并與中小學(xué)校園植物角和家庭陽臺(tái)的智能種植勞動(dòng)、科技下鄉(xiāng)活動(dòng)結(jié)合，形成以真實(shí)產(chǎn)業(yè)場(chǎng)景為課程體系設(shè)計(jì)背景，家-校-社-基地聯(lián)動(dòng)的科普與創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。

如圖3所示，課程開發(fā)以智能種植為主題，以當(dāng)前智慧農(nóng)業(yè)中設(shè)施農(nóng)業(yè)為設(shè)計(jì)背景，以植物工廠為具體參考模型，從使用對(duì)象和使用場(chǎng)景兩個(gè)維度，面向大學(xué)、中小學(xué)不同階段的使用對(duì)象和學(xué)校課程、社會(huì)科普及實(shí)踐活動(dòng)不同使用場(chǎng)景進(jìn)行設(shè)計(jì)。

大學(xué)生在學(xué)習(xí)智能種植系統(tǒng)（基礎(chǔ)版）的基礎(chǔ)上，主要進(jìn)行基于基礎(chǔ)版的智能種植應(yīng)用案例開發(fā)（工科創(chuàng)1）和新的創(chuàng)新應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)，重點(diǎn)包括乾坤板嵌入式硬件系統(tǒng)中應(yīng)用坤板的硬件開發(fā)以及所開發(fā)應(yīng)用坤板的圖形化編程環(huán)境的開發(fā)，如示范應(yīng)用程序開發(fā)、固件開發(fā)等。同時(shí)，以智能種植系統(tǒng)的推廣應(yīng)用為主要方式，開展科普資源開發(fā)、科普教師志愿者、社會(huì)實(shí)踐和陽臺(tái)種植等實(shí)踐活動(dòng)。在整個(gè)課程體系中，大學(xué)生主要參與課程開發(fā)，參與創(chuàng)造性實(shí)踐活動(dòng)，通過系統(tǒng)開發(fā)與科普授課，為中小學(xué)服務(wù)。這樣既從形式上銜接了大學(xué)與中小學(xué)創(chuàng)新教育，也在內(nèi)容上通過智能種植系統(tǒng)在中小學(xué)的應(yīng)用，提前在中小學(xué)奠定了嵌入式系統(tǒng)硬件和編程語言基礎(chǔ)，使得嵌入式系統(tǒng)課程在中小學(xué)與大學(xué)得以銜接。

中學(xué)則以學(xué)生核心素養(yǎng)和綜合素質(zhì)培養(yǎng)為目標(biāo)，融合多學(xué)科內(nèi)容，進(jìn)行綜合實(shí)踐活動(dòng)校本課程的開發(fā)。綜合實(shí)踐活動(dòng)與生物學(xué)（自然）、信息科技等課程融合，學(xué)生在信息科技硬件編程體驗(yàn)練習(xí)基礎(chǔ)上，根據(jù)自身?xiàng)l件開展智能種植綜合實(shí)踐活動(dòng)，其中包括學(xué)生家庭陽臺(tái)種植、學(xué)校植物角種植、校園綠化養(yǎng)護(hù)、方艙型植物工廠種植等。

小學(xué)則以科普感受為主，重在興趣培養(yǎng)，有興趣班基礎(chǔ)的高年級(jí)小學(xué)生，可開展智能種植圖形化編程體驗(yàn)課。課程對(duì)課堂教學(xué)課程、綜合實(shí)踐和科普推廣活動(dòng)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，由小學(xué)到大學(xué)，循序漸進(jìn)，遵循由培養(yǎng)興趣、引導(dǎo)志趣到形成志向的螺旋上升規(guī)律，形成大中小學(xué)銜接的創(chuàng)新教育體系。

智能種植系統(tǒng)應(yīng)用與課程實(shí)踐

自2019年開發(fā)乾坤板以來，開發(fā)組選擇合適的場(chǎng)景進(jìn)行了推廣應(yīng)用，前期以小學(xué)微課堂形式進(jìn)行了智能種植相關(guān)內(nèi)容的講座。

在產(chǎn)教融合方面，開發(fā)組基于某公司的垂直農(nóng)業(yè)科研項(xiàng)目，合作開展了模塊化智能種植教具系統(tǒng)和課程內(nèi)容的開發(fā)。2023年，為上海市多所學(xué)校的學(xué)生進(jìn)行了智能種植的知識(shí)講解和植物工廠補(bǔ)光系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備的拆解展示，并進(jìn)行了播種和移栽勞動(dòng)實(shí)踐。

在系統(tǒng)應(yīng)用與課程開發(fā)方面，開發(fā)組與長(zhǎng)沙市某中學(xué)組建了多學(xué)科融合的課程設(shè)計(jì)小組，在教學(xué)樓樓頂建設(shè)了植物角，包含多種種植模式，并在初一開展智能種植基礎(chǔ)課堂教學(xué)與家長(zhǎng)參與的體驗(yàn)式實(shí)踐活動(dòng)，初二以興趣班的形式開設(shè)以智能種植為主題的綜合實(shí)踐活動(dòng)校本課程。經(jīng)過近一年的探索，初步形成了生物基礎(chǔ)課程4課時(shí)、學(xué)校信息技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)課程4課時(shí)、基地參觀體驗(yàn)實(shí)踐課程4課時(shí)、家庭種植應(yīng)用實(shí)踐課程4課時(shí)的課程體系。

另外，開發(fā)組在上海交通大學(xué)創(chuàng)新教育課程、勞動(dòng)實(shí)踐及科普基地傳播方面積極進(jìn)行推廣。在大中學(xué)銜接培養(yǎng)方面，基于乾坤板的智能種植作為2023年“學(xué)森挑戰(zhàn)計(jì)劃”暑期挑戰(zhàn)營(yíng)的模塊內(nèi)容之一，為中學(xué)生提供了創(chuàng)新實(shí)踐機(jī)會(huì)。[2]同時(shí)，開發(fā)組以大學(xué)創(chuàng)新教育者的身份參加了中國(guó)中小學(xué)STEAM教育大會(huì)，推廣微型智能種植系統(tǒng)在勞動(dòng)教育中的應(yīng)用，通過組建教師共同體，為滿足中小學(xué)創(chuàng)新教育和綜合實(shí)踐活動(dòng)需要的系統(tǒng)開發(fā)與課程模塊開發(fā)夯實(shí)隊(duì)伍基礎(chǔ)。在本科創(chuàng)新教育方面，智能種植已列入電子信息與電氣工程學(xué)院工程創(chuàng)新課程1的拓展模塊，同時(shí)，陽臺(tái)智能種植項(xiàng)目已經(jīng)與筆者所在學(xué)校團(tuán)委等相關(guān)部門討論，后續(xù)將以學(xué)校勞動(dòng)教育形式進(jìn)行推廣。

智能種植系統(tǒng)開發(fā)推廣展望

基于智能種植平臺(tái)的綜合實(shí)踐活動(dòng)課程與創(chuàng)新教育初步實(shí)現(xiàn)了迭代開發(fā)與實(shí)踐應(yīng)用循環(huán)、大學(xué)與中學(xué)銜接、家庭-學(xué)校-社會(huì)聯(lián)動(dòng)的格局，但是在實(shí)際開發(fā)應(yīng)用過程中還存在很多有待解決的問題。

首先，基于智能種植的綜合實(shí)踐活動(dòng)課程大面積推廣存在現(xiàn)實(shí)的困難。雖然核心素養(yǎng)和創(chuàng)新教育已經(jīng)受到中小學(xué)的高度重視，但是在升學(xué)壓力下，學(xué)校難以拿出連續(xù)足夠的課時(shí)來給學(xué)生提供訓(xùn)練和實(shí)踐機(jī)會(huì)，需要將整個(gè)實(shí)踐活動(dòng)拆分融入到不同課程中分階段實(shí)施。同時(shí)，為了吸引更多的學(xué)生對(duì)以智能種植為內(nèi)容載體的創(chuàng)新實(shí)踐產(chǎn)生興趣，并通過分階段的實(shí)踐逐步形成志趣，需要在智能種植平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)考慮更多的場(chǎng)景，最好一套系統(tǒng)具備觀察、應(yīng)用和開發(fā)等各種實(shí)踐場(chǎng)景，照顧到不同階段、不同層次的需求，因此，按照模塊化構(gòu)建思路對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步開發(fā)很有必要。

其次，如果智能種植平臺(tái)要在中小學(xué)應(yīng)用并得到普遍接受，一支經(jīng)驗(yàn)豐富的課程開發(fā)隊(duì)伍必不可少，除了依托大學(xué)生工程實(shí)踐課程進(jìn)行軟硬件開發(fā)外，最重要的是了解實(shí)際需求，有豐富教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的中小學(xué)一線教師的加入。以教師共同體的形式擴(kuò)展開發(fā)隊(duì)伍，在興趣愛好與情懷基礎(chǔ)上，建立長(zhǎng)久機(jī)制調(diào)動(dòng)教師共同體成員的積極性是推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。同時(shí)，智能種植系統(tǒng)中人工智能元素的持續(xù)引入也很重要。種植是內(nèi)容基礎(chǔ)，智能是技術(shù)手段，產(chǎn)教融合的開發(fā)理念決定了智能種植系統(tǒng)的開發(fā)必須緊跟產(chǎn)業(yè)需求和技術(shù)發(fā)展的步伐。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡岳，謝作如.讓校園創(chuàng)意和產(chǎn)品開發(fā)“無縫”聯(lián)接——談乾坤板的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)信息技術(shù)教育，2021（15）：5-7.

[2]宿舍陽臺(tái)智慧種菜，電工學(xué)堂手腦并用——上海交大開辟創(chuàng)造性勞動(dòng)大課堂[N].勞動(dòng)報(bào)，2023-3-19.

基金項(xiàng)目：①國(guó)家自然科學(xué)基金科技活動(dòng)專項(xiàng)項(xiàng)目“基于產(chǎn)教融合理念的智能種養(yǎng)農(nóng)工交叉科普平臺(tái)開發(fā)與推廣”（項(xiàng)目編號(hào)：52242705）；②湖南省首屆基礎(chǔ)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“面向家校社協(xié)同育人‘智能種植’跨學(xué)科學(xué)習(xí)課程開發(fā)與實(shí)施研究”（項(xiàng)目編號(hào)：Y20230099）；③長(zhǎng)沙市教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃課題“基于家校社聯(lián)動(dòng)的中學(xué)勞動(dòng)實(shí)踐活動(dòng)實(shí)施路徑研究”（項(xiàng)目編號(hào)：CJKZH202210）；④上海市“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”農(nóng)業(yè)科技領(lǐng)域項(xiàng)目“模塊化高能效智能垂直農(nóng)場(chǎng)關(guān)鍵系統(tǒng)研發(fā)集成及產(chǎn)業(yè)化推廣”（項(xiàng)目編號(hào)：23N21900200）。