胡岳 王自珍 袁偉 胡孟

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

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

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2024）02-0074-04

引言

作為上海交大未來電網(wǎng)科普教育基地負責人，基于近幾年的科普經(jīng)歷，筆者認識到當前高校在基于科普活動進行創(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，科普活動對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)實踐脫節(jié)嚴重，產(chǎn)教融合不充分；因升學(xué)壓力，中小學(xué)創(chuàng)新活動呈現(xiàn)低年級活躍高年級基本停滯的特點，并且中小學(xué)創(chuàng)新實踐活動也主要圍繞升學(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”項目為內(nèi)容載體，面向科普和創(chuàng)新人才培養(yǎng)，進行了智能種植綜合實踐平臺的開發(fā)。該平臺設(shè)計以“乾坤板”為基礎(chǔ)[1]，以產(chǎn)教融合為設(shè)計理念，旨在通過平臺的開發(fā)設(shè)計活動與綜合實踐應(yīng)用互動的貫通，銜接大學(xué)與中小學(xué)創(chuàng)新教育。同時，在中小學(xué)階段，通過家庭陽臺種植方式，引導(dǎo)家長參與核心實踐活動，形成學(xué)校、家庭、社會聯(lián)動生態(tài)。

智能種植實踐平臺設(shè)計開發(fā)

經(jīng)過前期科研項目和中小學(xué)綜合實踐活動課程實際需求的調(diào)研，筆者認為，采取項目式教學(xué)模式開展綜合實踐活動比較合適，實踐場景和內(nèi)容需要有一定的趣味性、實用性和技術(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踐內(nèi)容，進行了種植設(shè)備的框架設(shè)計和實踐內(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)實踐植物生長的過程，同時，芽苗菜種植周期短，大約一周左右就可以收獲實踐成果，并且作為一個產(chǎn)業(yè)，芽苗菜工廠化生產(chǎn)也是行業(yè)發(fā)展的趨勢。整體設(shè)計既具有操作性，又與實際生產(chǎn)結(jié)合。如下頁圖1所示，通過對生物學(xué)、信息科技和勞動實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)和陽臺種植實踐（家庭與宿舍）。同時，希望在基礎(chǔ)版系統(tǒng)實踐基礎(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踐對種植知識和智慧農(nóng)業(yè)深入了解，進一步搭建出滿足真實場景需求的智能種植系統(tǒng)。

圖2展示了當前設(shè)計的一套芽苗菜智能種植系統(tǒng)（基礎(chǔ)版）和一套陽臺智能種植拓展系統(tǒng)?；A(chǔ)版包含光敏、溫濕度、水位、傳感器，霧噴水泵、植物補光燈（加熱器為可選項）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需求，自動進行光溫水肥氣的調(diào)控，當接入本地WIFI后，可實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能。整套系統(tǒng)由充電寶5V供電，可在課堂、家庭和宿舍多場景使用。陽臺智能種植拓展系統(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，為進一步適應(yīng)家庭陽臺智能種植需求，重新選擇了種植容器，其底部是一個長方形種植盆，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，簡單實用，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，圍繞農(nóng)業(yè)種植、信息技術(shù)、勞動實踐等方面設(shè)計科普和工程創(chuàng)新實踐活動，并與中小學(xué)校園植物角和家庭陽臺的智能種植勞動、科技下鄉(xiāng)活動結(jié)合，形成以真實產(chǎn)業(yè)場景為課程體系設(shè)計背景，家-校-社-基地聯(lián)動的科普與創(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，以當前智慧農(nóng)業(yè)中設(shè)施農(nóng)業(yè)為設(shè)計背景，以植物工廠為具體參考模型，從使用對象和使用場景兩個維度，面向大學(xué)、中小學(xué)不同階段的使用對象和學(xué)校課程、社會科普及實踐活動不同使用場景進行設(shè)計。

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，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、社會實踐和陽臺種植等實踐活動。在整個課程體系中，大學(xué)生主要參與課程開發(fā)，參與創(chuàng)造性實踐活動，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，融合多學(xué)科內(nèi)容，進行綜合實踐活動校本課程的開發(fā)。綜合實踐活動與生物學(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練習(xí)基礎(chǔ)上，根據(jù)自身條件開展智能種植綜合實踐活動，其中包括學(xué)生家庭陽臺種植、學(xué)校植物角種植、校園綠化養(yǎng)護、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)的高年級小學(xué)生，可開展智能種植圖形化編程體驗課。課程對課堂教學(xué)課程、綜合實踐和科普推廣活動進行整體設(shè)計，由小學(xué)到大學(xué)，循序漸進，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)用與課程實踐

自2019年開發(fā)乾坤板以來，開發(fā)組選擇合適的場景進行了推廣應(yīng)用，前期以小學(xué)微課堂形式進行了智能種植相關(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)生進行了智能種植的知識講解和植物工廠補光系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備的拆解展示，并進行了播種和移栽勞動實踐。

在系統(tǒng)應(yīng)用與課程開發(fā)方面，開發(fā)組與長沙市某中學(xué)組建了多學(xué)科融合的課程設(shè)計小組，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)與家長參與的體驗式實踐活動，初二以興趣班的形式開設(shè)以智能種植為主題的綜合實踐活動校本課程。經(jīng)過近一年的探索，初步形成了生物基礎(chǔ)課程4課時、學(xué)校信息技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)課程4課時、基地參觀體驗實踐課程4課時、家庭種植應(yīng)用實踐課程4課時的課程體系。

另外，開發(fā)組在上海交通大學(xué)創(chuàng)新教育課程、勞動實踐及科普基地傳播方面積極進行推廣。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)計劃”暑期挑戰(zhàn)營的模塊內(nèi)容之一，為中學(xué)生提供了創(chuàng)新實踐機會。[2]同時，開發(fā)組以大學(xué)創(chuàng)新教育者的身份參加了中國中小學(xué)STEAM教育大會，推廣微型智能種植系統(tǒng)在勞動教育中的應(yīng)用，通過組建教師共同體，為滿足中小學(xué)創(chuàng)新教育和綜合實踐活動需要的系統(tǒng)開發(fā)與課程模塊開發(fā)夯實隊伍基礎(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，陽臺智能種植項目已經(jīng)與筆者所在學(xué)校團委等相關(guān)部門討論，后續(xù)將以學(xué)校勞動教育形式進行推廣。

智能種植系統(tǒng)開發(fā)推廣展望

基于智能種植平臺的綜合實踐活動課程與創(chuàng)新教育初步實現(xiàn)了迭代開發(fā)與實踐應(yīng)用循環(huán)、大學(xué)與中學(xué)銜接、家庭-學(xué)校-社會聯(lián)動的格局，但是在實際開發(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踐活動課程大面積推廣存在現(xiàn)實的困難。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)足夠的課時來給學(xué)生提供訓(xùn)練和實踐機會，需要將整個實踐活動拆分融入到不同課程中分階段實施。同時，為了吸引更多的學(xué)生對以智能種植為內(nèi)容載體的創(chuàng)新實踐產(chǎn)生興趣，并通過分階段的實踐逐步形成志趣，需要在智能種植平臺設(shè)計時考慮更多的場景，最好一套系統(tǒng)具備觀察、應(yīng)用和開發(fā)等各種實踐場景，照顧到不同階段、不同層次的需求，因此，按照模塊化構(gòu)建思路對系統(tǒng)進行進一步開發(fā)很有必要。

其次，如果智能種植平臺要在中小學(xué)應(yīng)用并得到普遍接受，一支經(jīng)驗豐富的課程開發(fā)隊伍必不可少，除了依托大學(xué)生工程實踐課程進行軟硬件開發(fā)外，最重要的是了解實際需求，有豐富教學(xué)經(jīng)驗的中小學(xué)一線教師的加入。以教師共同體的形式擴展開發(fā)隊伍，在興趣愛好與情懷基礎(chǔ)上，建立長久機制調(diào)動教師共同體成員的積極性是推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。同時，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：

[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[J].中國信息技術(shù)教育，2021（15）：5-7.

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

基金項目：①國家自然科學(xué)基金科技活動專項項目“基于產(chǎn)教融合理念的智能種養(yǎng)農(nóng)工交叉科普平臺開發(fā)與推廣”（項目編號：52242705）；②湖南省首屆基礎(chǔ)教育教學(xué)改革研究項目“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)與實施研究”（項目編號：Y20230099）；③長沙市教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃課題“基于家校社聯(lián)動的中學(xué)勞動實踐活動實施路徑研究”（項目編號：CJKZH202210）；④上海市“科技創(chuàng)新行動計劃”農(nóng)業(yè)科技領(lǐng)域項目“模塊化高能效智能垂直農(nóng)場關(guān)鍵系統(tǒng)研發(fā)集成及產(chǎn)業(yè)化推廣”（項目編號：23N21900200）。