智慧農(nóng)業(yè)在中學(xué)生物教學(xué)中的可行性研究

劉思思 范麗仙 王重力 韓寧

[摘? ? ? ? ? ?要]? 對如何在中學(xué)建設(shè)“智慧農(nóng)業(yè)”大棚的費(fèi)用進(jìn)行了預(yù)算和可行性研究，結(jié)合植物生長需要，在中學(xué)生物實(shí)踐教學(xué)中充分利用這套設(shè)備，進(jìn)一步加強(qiáng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化知識的教育并促進(jìn)學(xué)生對綠色植物的學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生將實(shí)際生活知識與科技創(chuàng)新相聯(lián)系，并利用跨學(xué)科的知識解決實(shí)際問題，在潛移默化中培養(yǎng)學(xué)生的合作探究能力和動手實(shí)踐能力。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 智慧農(nóng)業(yè);中學(xué)生物教學(xué);跨學(xué)科

[中圖分類號]? G633.91? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2021）36-0186-02

跨學(xué)科教育在解決復(fù)雜問題以及全球性問題上有著不可替代的優(yōu)勢[1]，中學(xué)生對如何利用新科技改變生活有強(qiáng)烈的好奇心，樂于探究與實(shí)踐。在實(shí)際觀察與操作過程中，學(xué)生以生物知識為出發(fā)點(diǎn)，與科技、數(shù)學(xué)、物理等知識建立聯(lián)系，通過大數(shù)據(jù)平臺采集數(shù)據(jù)，監(jiān)測pH值、溫度、濕度、病蟲害數(shù)量、光照等數(shù)據(jù)并制成曲線圖，與預(yù)設(shè)環(huán)境形成對比，根據(jù)生物學(xué)知識分析曲線圖做出解決方案，在終端系統(tǒng)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)大棚種植的智能灌溉、智能施肥、病蟲害智能監(jiān)測與防治，為植物生長營造最佳環(huán)境。

一、智慧農(nóng)業(yè)

智慧農(nóng)業(yè)（Intelligent Agriculture）是指利用大數(shù)據(jù)云平臺、物聯(lián)網(wǎng)傳感器、移動物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)構(gòu)建一個智能型、經(jīng)濟(jì)型育苗大棚，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的智能化生產(chǎn)與管理。即利用手機(jī)端以及數(shù)據(jù)平臺對溫室棚內(nèi)參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測，實(shí)時獲取大棚中氣候、微量元素含量、病蟲害、土壤墑情等信息，從而預(yù)測作物長勢，指導(dǎo)灌溉和施肥，預(yù)估產(chǎn)量，以確保農(nóng)作物的全過程在監(jiān)控中實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)養(yǎng)殖方面，根據(jù)數(shù)據(jù)監(jiān)測進(jìn)行定量施肥，可有效改善土壤板結(jié)，且經(jīng)處理排放的畜禽糞便不會造成水和大氣污染[2]，反而能提供肥力等。綜上，智慧農(nóng)業(yè)在種植、畜牧、水產(chǎn)養(yǎng)殖等方面均有廣泛的應(yīng)用。

二、智慧農(nóng)業(yè)在教學(xué)中的意義

實(shí)施智慧農(nóng)業(yè)的跨學(xué)科活動可以解決基礎(chǔ)教育的內(nèi)容延續(xù)性和現(xiàn)代實(shí)用技術(shù)的快速普及的矛盾，用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)統(tǒng)領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生主動參與其中，將抽象知識具體化，解決動手與動腦的矛盾，用跨學(xué)科知識解決復(fù)雜問題，同時也便于云上監(jiān)督課程實(shí)施的要求。此外，還能滿足勞動者對基本技能的學(xué)習(xí)，用科技改變生活，做到省錢、省時、省力。

三、設(shè)備與組件

溫室大棚種植在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位，管理者通過“智慧大棚”具備的多種設(shè)備（如圖1）遠(yuǎn)程監(jiān)控農(nóng)作物生長狀況并獲得詳盡而準(zhǔn)確的信息，實(shí)時掌握植株生育進(jìn)程和生長動態(tài)。管理者通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)接收終端系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的收集與處理。同時，用戶也可以利用電腦端或者手機(jī)端的環(huán)境控制基本軟件通過無線網(wǎng)絡(luò)做出輸出處理，自動聯(lián)動棚內(nèi)基礎(chǔ)硬件設(shè)備的開啟和關(guān)閉，為室內(nèi)植物提供最佳的生長環(huán)境。

建構(gòu)主義者認(rèn)為應(yīng)當(dāng)建立“有關(guān)認(rèn)知與學(xué)習(xí)的情境”，使之“提供有意義學(xué)習(xí)并促進(jìn)知識向真實(shí)生活情境轉(zhuǎn)化”[3]。按照50畝地28萬進(jìn)行縮減，可在中學(xué)建立一個總預(yù)算為19萬，面積為200 m2的溫室大棚，開展綠色植物的培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)全天候不間斷自動化管理（數(shù)據(jù)來源于精簡通訊公司提供的智慧農(nóng)業(yè)解決方案）。

四、學(xué)生的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)與實(shí)際操作

智慧大棚種植植物需用跨學(xué)科知識解決復(fù)雜問題。植物的生長規(guī)律和影響因素涉及生物學(xué)知識，營養(yǎng)診斷以及營養(yǎng)液的配制涉及化學(xué)知識，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的灌溉與施肥涉及工程學(xué)知識，培育期間的監(jiān)測和管理涉及傳感器等技術(shù)手段的運(yùn)用和對數(shù)據(jù)的分析處理能力。

（一）自動控制植物生長環(huán)境

根據(jù)不同植物的不同生長特性，查閱資料找出適宜該植物種子萌發(fā)的條件，通過中央控制器和遠(yuǎn)程調(diào)控系統(tǒng)及時調(diào)節(jié)室內(nèi)光照強(qiáng)度、溫度等環(huán)境因子，為種子萌發(fā)提供適宜的溫度、一定的水分和充足的空氣。

（二）觀測植株生長過程中的生理變化

觀測種子從萌發(fā)到發(fā)育成完整植株的全過程，并記錄各階段生長發(fā)育和生理性狀的變化，有利于學(xué)生更好地體會生命的意義。

在植物從幼苗發(fā)育成植株的過程中，可在大棚內(nèi)探究光照強(qiáng)度、溫度、二氧化碳濃度等環(huán)境因子對植物光合作用、呼吸作用和蒸騰作用的影響;同時也可探究不同植物光合速率的差異。通過系統(tǒng)監(jiān)測室內(nèi)CO2、O2含量以及室內(nèi)溫度和濕度等數(shù)據(jù)，從而探究植物從種子萌發(fā)到生長發(fā)育以及繁殖過程中光合作用、呼吸作用和蒸騰作用的變化。

（三）調(diào)控營養(yǎng)物質(zhì)促進(jìn)植株的生長

精準(zhǔn)施肥：植物的生長需從外界獲取營養(yǎng)物質(zhì)，在每個生長階段，植物所需的營養(yǎng)元素不同。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)是根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)對地塊的土壤灌溉和施肥，而通過智慧大棚可以實(shí)時監(jiān)測植物中無機(jī)物（氮、磷、鉀等元素）的含量精準(zhǔn)施肥。實(shí)驗(yàn)課中可以設(shè)置梯度濃度探究營養(yǎng)元素含量對植物生長狀況的影響，通過生物攪拌器按比例攪拌并調(diào)好pH值和EC值，通過管道控制流速，對每個區(qū)域的植物進(jìn)行灌溉施肥，從而達(dá)到變量施肥的效果。小組間對比結(jié)果找出最適宜植物生長的營養(yǎng)元素含量，從而將植物所需營養(yǎng)元素準(zhǔn)確注入植物根部（施肥的同時會釋放溫室氣體，空氣濕度長期過低，葉片會因氣壓差出現(xiàn)邊緣或葉尖壞死，故實(shí)驗(yàn)過程中要注意控溫和保濕）。

營養(yǎng)診斷：對于生長不佳的植物，可利用傳感器監(jiān)測植株?duì)I養(yǎng)元素的含量及其比值，精確用量做到精準(zhǔn)施肥，從而改善植株長勢，提高肥力利用率的同時減少環(huán)境污染。

（四）調(diào)控植株的開花和結(jié)果

通過控制光照時間、溫度等環(huán)境因子還可調(diào)控開花植物的花期以及生長速度，在開花期完成人工傳粉與受精的過程，得到預(yù)期的效果，學(xué)生在體會開花植物的春化作用和光周期現(xiàn)象與原理的同時，也能夠提升數(shù)據(jù)分析能力。在植株開花結(jié)果階段也要注意控制營養(yǎng)元素比例，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)。將學(xué)科交叉知識應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，有利于加強(qiáng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化教育，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上有利于出售時令花卉、蔬菜，促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。

（五）病蟲害監(jiān)測與防治

蟲情監(jiān)測系統(tǒng)晚上自動開啟監(jiān)測，白天自動待機(jī)，通過移動網(wǎng)絡(luò)，攝像頭準(zhǔn)確抓拍獲取蟲子的種類、蟲子數(shù)量、最后進(jìn)入紅外線殺蟲室，實(shí)現(xiàn)蟲情預(yù)警、處理分析等一體化的蟲情監(jiān)測目標(biāo)，每天收集的數(shù)據(jù)將會制成圖表，學(xué)生透過紅外線可探究昆蟲的種類及其活動時間、活動方式和天敵數(shù)量，以紅外線加熱的方式自動完成誘蟲、殺蟲等作業(yè)，及時準(zhǔn)確地判斷植物的生長狀態(tài)與病蟲害情況，從而制定解決方案，做好生物防治。

如何找出植物生長的營養(yǎng)元素最適量以及對長勢不佳的植物進(jìn)行營養(yǎng)診斷和病蟲害的防治的實(shí)驗(yàn)過程中融合了生物學(xué)問題、數(shù)學(xué)問題、工程學(xué)知識;最后延伸則要求學(xué)生由課堂上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和思路查閱資料，設(shè)計(jì)出在進(jìn)行大規(guī)模澆灌作物時，如何控制營養(yǎng)元素的用量，可將生物學(xué)和數(shù)學(xué)緊密地聯(lián)系在一起。學(xué)生思考發(fā)現(xiàn)并解決問題的過程可以使其更好地感知科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四大領(lǐng)域之間的密切聯(lián)系，從而幫助他們更加全面地掌握和運(yùn)用知識，做到有效灌溉，水鹽平衡，從而調(diào)節(jié)植物的長勢，實(shí)現(xiàn)植物所需微量元素的最佳值，讓學(xué)生更好地理解“細(xì)胞中的無機(jī)物”這節(jié)內(nèi)容的知識。對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)來說，有利于實(shí)現(xiàn)營養(yǎng)物質(zhì)對糧食增產(chǎn)的效果。

五、建設(shè)“智慧農(nóng)業(yè)”大棚面臨的問題及解決辦法

（一）經(jīng)濟(jì)方面

首先，促進(jìn)農(nóng)村農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展與跨學(xué)科培養(yǎng)社會人才，需要國家、高校、社會的大力支持，一方面需要國家加大經(jīng)濟(jì)投入，向農(nóng)村傾斜，進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的推廣與升級，進(jìn)而促進(jìn)農(nóng)村實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化;另一方面在設(shè)備的生產(chǎn)上可考慮降低成本，在設(shè)備材料的選擇方面，做到平價替換。

其次，因資源缺乏不能建立“智慧大棚”的中學(xué)，可采取就近原則，帶領(lǐng)學(xué)生實(shí)地參觀高校設(shè)立的“智慧大棚”，采取線上教學(xué)，利用遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行視頻觀看，在一定程度上既降低了成本，又能帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)現(xiàn)代技術(shù)相關(guān)知識，并將學(xué)科知識與實(shí)際生活相聯(lián)系，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

（二）場地方面

對于市中心的中學(xué)，耕地面積較少，可以借助屋頂建設(shè)“智慧大棚”，建筑立面綠植;對于新建校園則在建校時應(yīng)考慮校園整體規(guī)劃，保證有足夠空間開展智慧農(nóng)業(yè);對于耕地面積較少且不位于市中心的學(xué)校，可考慮與周邊需發(fā)展農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的企業(yè)或者公司合作，既能促進(jìn)學(xué)生對新技術(shù)的掌握，又能促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的增長。

利用“智慧農(nóng)業(yè)”大棚，在教學(xué)中結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新教學(xué)方式，通過生物傳感器輕松管理植物生長發(fā)育的健康狀態(tài)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生能更加全面、深入地體驗(yàn)植物的生長發(fā)育過程，同時也能開闊學(xué)生的視野，進(jìn)一步促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化知識的普及，培養(yǎng)學(xué)生利用學(xué)科交叉知識解決實(shí)際問題的能力。通過理論與實(shí)踐的結(jié)合不斷提升生物學(xué)科核心素養(yǎng)，發(fā)揚(yáng)創(chuàng)新精神，有利于培養(yǎng)跨學(xué)科領(lǐng)域的復(fù)合型人才。

參考文獻(xiàn)：

[1]王兆守，孫熙.高等教育國際化背景下跨學(xué)科教育的優(yōu)勢和改進(jìn)措施[J].高等理科教育，2019（5）：13-18.

[2]王瑩.“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下我國智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展路徑研究[J].物流科技，2021，44（2）：131-134.

[3]萊斯利.P.斯特弗，杰里·蓋爾.21世紀(jì)人類學(xué)習(xí)的革命（譯叢）教育中的建構(gòu)主義[M].高文，徐斌燕，程可拉，等，譯.上海：華東師范大學(xué)出版社，2002：3.

◎編輯 郭小琴