在教育改革的大潮中，“雙減”政策的實(shí)施為科學(xué)教育注入了新的活力，帶來了前所未有的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。筆者以“溫室大棚智能種植”項(xiàng)目式學(xué)習(xí)為載體，探索一種創(chuàng)新的跨學(xué)科教學(xué)模式，旨在提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。筆者將傳統(tǒng)農(nóng)耕與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合，為學(xué)生提供了親身實(shí)踐的平臺(tái)，讓他們?cè)谡鎸?shí)的科學(xué)探究中學(xué)習(xí)和成長(zhǎng)，體驗(yàn)科學(xué)探究的樂趣，并在多學(xué)科的交叉融合中培養(yǎng)解決問題的能力。這種教學(xué)模式的探索與實(shí)踐，對(duì)于推動(dòng)科學(xué)教育創(chuàng)新發(fā)展具有重要意義。

一、項(xiàng)目緣起和教學(xué)構(gòu)想

（一）項(xiàng)目背景

在“雙減”政策的指引下，教師需改進(jìn)教學(xué)方法，強(qiáng)化科學(xué)實(shí)踐，以增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和提高學(xué)習(xí)效率。《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》強(qiáng)調(diào)，教師應(yīng)提供更多機(jī)會(huì)讓學(xué)生參與項(xiàng)目式學(xué)習(xí)和跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)[1]。為此，筆者設(shè)計(jì)了“溫室大棚智能種植”項(xiàng)目，為學(xué)生提供科技實(shí)踐和勞動(dòng)的機(jī)會(huì)[2]。該項(xiàng)目以種子萌發(fā)、果蔬種植和科學(xué)問題探究為核心，利用水耕機(jī)和溫室大棚智能種植技術(shù)，圍繞果蔬的“播種—催芽—育苗—栽培—采收”等智能種植過程和生長(zhǎng)階段，開展一系列的跨學(xué)科探究活動(dòng)。學(xué)生通過掌握智慧種植系統(tǒng)的操作方法與技巧，進(jìn)行種子處理、育苗、移苗和日常養(yǎng)護(hù)等基礎(chǔ)實(shí)踐操作，并借助數(shù)字化顯微鏡探究植物葉片的結(jié)構(gòu)、酸雨對(duì)植物生長(zhǎng)的影響、維生素含量的測(cè)定、葉綠素的提取與分離，以及非洲冰草種子的催芽育苗等。

（二）“智能種植”項(xiàng)目教學(xué)任務(wù)與目標(biāo)

隨著農(nóng)業(yè)科技的飛速發(fā)展，溫室大棚智能種植作為一種新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式應(yīng)運(yùn)而生，該模式利用信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的數(shù)字化、智能化和自動(dòng)化。項(xiàng)目組通過體驗(yàn)水耕機(jī)、智慧大棚的生產(chǎn)場(chǎng)景和種植設(shè)備，深入了解智能種植的概念、原理和應(yīng)用方法，體驗(yàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的智能化和高效性，并掌握智慧農(nóng)業(yè)場(chǎng)景應(yīng)用的傳感器、執(zhí)行器及其功能。智慧大棚的物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)可以通過電腦、智能手機(jī)上網(wǎng)查詢和檢索，管理員可遠(yuǎn)程操作控制現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備。氣象站基礎(chǔ)包括風(fēng)速和風(fēng)向傳感器、雨量傳感器、土壤酸堿度和熵值傳感器（濕度、溫度、電導(dǎo)率）、氣象站智能控制箱和基礎(chǔ)配件。

筆者開展項(xiàng)目活動(dòng)，以書面設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐、口頭匯報(bào)等形式，開展學(xué)生自我評(píng)價(jià)、同伴互評(píng)、教師評(píng)價(jià)等多元評(píng)價(jià)，旨在提升學(xué)生的核心素養(yǎng)、工程思維與創(chuàng)新能力。學(xué)生參與項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)，完成6個(gè)子項(xiàng)目任務(wù)（見表1），應(yīng)達(dá)到4個(gè)維度的學(xué)習(xí)目標(biāo)要求（見表2）。

二、在連續(xù)性的跨主題項(xiàng)目活動(dòng)中推進(jìn)跨學(xué)科實(shí)踐

學(xué)生參與該項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)需要完成6項(xiàng)跨主題任務(wù)，時(shí)長(zhǎng)可根據(jù)實(shí)際情況靈活調(diào)整。

（一）誰是“金牌設(shè)計(jì)家”（活動(dòng)主題1）

在該子項(xiàng)目中，學(xué)生需設(shè)計(jì)種子萌發(fā)和科學(xué)探究方案，并體驗(yàn)種子萌發(fā)實(shí)踐活動(dòng)過程。

環(huán)節(jié)一：回顧種子萌發(fā)基本知識(shí)。師生提前浸泡種子，回顧種子萌發(fā)的條件，借助虛擬仿真技術(shù)，在NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)室中快速進(jìn)行基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)知識(shí)的回顧?？偨Y(jié)時(shí)使用思維導(dǎo)圖軟件進(jìn)行梳理，并借助AI輔助功能，幫助學(xué)生進(jìn)行拓展聯(lián)想（如圖1）。

環(huán)節(jié)二：設(shè)計(jì)種子萌發(fā)方案。教師引導(dǎo)學(xué)生研討育苗注意事項(xiàng)。學(xué)生設(shè)計(jì)無土育苗方案，包含目的、原理、材料、步驟和預(yù)期結(jié)果等，互相提問和記錄。課后完善育種方案，可在線進(jìn)行，便于學(xué)生查找資料。常用平臺(tái)為在線文檔（如騰訊、金山在線文檔），支持用戶實(shí)時(shí)研討和修改，多人同步修改方案，促進(jìn)團(tuán)隊(duì)協(xié)作。編輯內(nèi)容自動(dòng)保存，隨時(shí)調(diào)取，便于整理最終方案。教師選取部分方案進(jìn)行簡(jiǎn)要點(diǎn)評(píng)，并留有充足時(shí)間讓學(xué)生討論和答辯。

環(huán)節(jié)三：育苗實(shí)踐。學(xué)生按照方案開始種子萌發(fā)實(shí)踐活動(dòng)，在噴灑清水的海綿墊上播種。育苗盤需學(xué)生用噴壺噴灑營(yíng)養(yǎng)液，使?fàn)I養(yǎng)液浸沒海綿墊。播種后每天要用噴壺噴灑營(yíng)養(yǎng)液一兩次，注意控制溫度，必要時(shí)可遮光。定期觀察，了解種子發(fā)芽、生長(zhǎng)情況。溫度適宜時(shí)，許多種類的蔬菜，在3—5天即可發(fā)芽出苗，5—7天齊苗。

環(huán)節(jié)四：種子萌發(fā)記錄與日常養(yǎng)護(hù)觀察。學(xué)生進(jìn)行種子萌發(fā)的觀察和養(yǎng)護(hù)，設(shè)計(jì)記錄表，小組分工，書面記錄和照片記錄種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的每日變化。出芽后的植物要置于光照下（大棚人工光源LED燈亦可），一周后綠化。當(dāng)植物長(zhǎng)出兩片小葉時(shí)，需定時(shí)增加營(yíng)養(yǎng)液以滿足植物生長(zhǎng)需求。該階段的環(huán)境控制包括溫度、光環(huán)境以及營(yíng)養(yǎng)液離子濃度（EC）等。

環(huán)節(jié)五：項(xiàng)目階段進(jìn)展的小組匯報(bào)。學(xué)生用“測(cè)定種子的發(fā)芽率”實(shí)驗(yàn)中測(cè)定發(fā)芽率的方法，計(jì)算種子發(fā)芽率。學(xué)生進(jìn)行階段成果匯報(bào)，用文字或視頻交流體會(huì)。教師對(duì)其做過程性評(píng)價(jià)。

（二）誰是“植物魔法師”（活動(dòng)主題2）

教師使用希沃平臺(tái)錄制“知識(shí)膠囊”微課視頻，靈活性強(qiáng)。學(xué)生無需下載應(yīng)用，根據(jù)需求掃碼即可觀看微課，對(duì)存疑的部分加強(qiáng)理解，提高學(xué)習(xí)成效。

環(huán)節(jié)一：介紹水耕機(jī)。教師介紹水耕機(jī)的工作原理，介紹配套的材料用具。學(xué)生熟悉水耕機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，認(rèn)識(shí)種植槽、種植籃、種植棉、種植孔、補(bǔ)氧系統(tǒng)、補(bǔ)光系統(tǒng)。學(xué)生認(rèn)識(shí)到不同植物種類所需的光照時(shí)間不同，而水耕機(jī)的智能傳感器系統(tǒng)通過使用定時(shí)器和自動(dòng)補(bǔ)光系統(tǒng)促進(jìn)植物生長(zhǎng)。植物移栽過程中對(duì)根部有氧呼吸和吸收無機(jī)鹽的研究，需使用增氧泵、離子傳感器。

環(huán)節(jié)二：配備營(yíng)養(yǎng)液。教師簡(jiǎn)要介紹稱量步驟，并設(shè)置問題：“如何科學(xué)地配置營(yíng)養(yǎng)液？”清水、 抗菌水及營(yíng)養(yǎng)素的比例為600 mL（清水）∶1 mL（抗菌水）∶0.5 g（營(yíng)養(yǎng)素）。一個(gè)種植槽中12000 mL水，需要配制多少抗菌水，添加多少營(yíng)養(yǎng)素？學(xué)生計(jì)算 ：抗菌水為12000/（600×1）=20（mL），營(yíng)養(yǎng)素為12000/（600× 0.5）=10（g），根據(jù)計(jì)算結(jié)果配制營(yíng)養(yǎng)液。

環(huán)節(jié)三：幼苗移栽（定植）。教師闡述幼苗移栽定植的目的，指導(dǎo)學(xué)生完成一系列實(shí)踐操作。

環(huán)節(jié)四：根據(jù)虹吸原理為水耕機(jī)換水。蔬菜種植后需注意水耕機(jī)的日常養(yǎng)護(hù)和幼苗的日常維護(hù)。植物生長(zhǎng)過程中可能出現(xiàn)病蟲害、缺素癥，這與水質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)液的成分和用量有關(guān)?？捎脗鞲衅鞅O(jiān)測(cè)水質(zhì)，對(duì)水耕機(jī)中的水進(jìn)行不定期更換。教師介紹虹吸原理和為水耕機(jī)換水的方法，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行灌水、虹吸、擦拭等操作。學(xué)生為水耕機(jī)換水時(shí)，水槽端必須高于水桶端，否則無法虹吸。

（三）誰是“精英研究員”（活動(dòng)主題3）

各小組依據(jù)已定主題開展實(shí)驗(yàn)，例如“探究光照強(qiáng)度（或光照時(shí)長(zhǎng)、營(yíng)養(yǎng)元素）對(duì)植物生長(zhǎng)的影響”等研究。以下以“缺素探究”為例具體介紹。

環(huán)節(jié)一：選材及培養(yǎng)液準(zhǔn)備。教師提示與引導(dǎo)學(xué)生選擇適宜的植株，設(shè)計(jì)問題情境：根據(jù)對(duì)照實(shí)驗(yàn)的基本原則，選擇的番茄幼苗的長(zhǎng)勢(shì)應(yīng)具備什么特點(diǎn)？常規(guī)的缺素培養(yǎng)使用的是相同的容器，在本實(shí)驗(yàn)中，如何借助水耕機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，如何操作？學(xué)生應(yīng)選擇形成真葉的幼苗，植株長(zhǎng)勢(shì)應(yīng)該相同，根系完整，一個(gè)種植槽中存留的植株數(shù)量應(yīng)該相同；可直接使用種植槽作為種植容器。學(xué)生按查閱的資料配制培養(yǎng)液，倒入種植槽。

環(huán)節(jié)二：移植。教師指導(dǎo)學(xué)生用試劑瓶做實(shí)驗(yàn)時(shí)，注意植物莖的基部要用脫脂棉輕輕包扎，使得植株能固定在試劑瓶中，根系浸沒在溶液中。每種元素的研究需要3個(gè)試劑瓶。為更好地進(jìn)行移植操作，教師提出問題：“與常規(guī)的缺素培養(yǎng)不同，借助水耕機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，脫脂棉應(yīng)該用什么材料代替，整體操作和設(shè)計(jì)上有何便利之處，如何操作？”學(xué)生思考并回答：一個(gè)種植槽放置多株植株，增加樣本數(shù)量，提高實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性和可信度。移植過程，學(xué)生的操作流程如下：選擇4個(gè)種植槽，洗凈。莖基部用種植棉固定在種植籃中，放入種植孔中，根系浸沒在溶液中。在每個(gè)種植槽上注明不同處理，分別標(biāo)記為缺氮、缺磷、缺鉀、對(duì)照組。教師巡視，適時(shí)給予指導(dǎo)。

環(huán)節(jié)三：日常養(yǎng)護(hù)設(shè)置。學(xué)生完成日常養(yǎng)護(hù)：①將試劑瓶放在陰處1天，再放在光照充足、溫度適宜處培養(yǎng)；②每周更換培養(yǎng)液，每隔3天加1次蒸餾水，補(bǔ)充至原培養(yǎng)液體積；③每2天用雙連球通氣一次。學(xué)生進(jìn)而體驗(yàn)水耕智能種植系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：①自帶光源，可調(diào)節(jié)溫度，在條件設(shè)置上更易保持相同且適宜；②定期加清水，補(bǔ)充種植槽中培養(yǎng)液，采用虹吸法更換培養(yǎng)液；③自帶氧氣泵，保證根部呼吸所需氧氣。

環(huán)節(jié)四：階段成果匯報(bào)。教師組織階段性的成果匯報(bào)展示，使用Excel的基礎(chǔ)功能即可滿足數(shù)據(jù)處理需求。評(píng)價(jià)方式為小組互評(píng)、教師點(diǎn)評(píng)、學(xué)生反思。各組學(xué)生用多種形式展示和匯報(bào)實(shí)驗(yàn)的過程與探究結(jié)論（如圖2）。小組間互評(píng)，提出疑問或建議。各組進(jìn)行答辯和反思。

（四）誰是“實(shí)力創(chuàng)作家”（活動(dòng)主題4）

教師組織學(xué)生完成葉拓畫、植物印染環(huán)保袋、滴膠作品、干花制作等文創(chuàng)品，使用希沃一體機(jī)配套的軟件（希沃授課助手）實(shí)時(shí)展示成果，闡述作品的創(chuàng)作理念和內(nèi)涵，方便快捷地將作品通過投屏軟件展示在大屏幕上，進(jìn)行簡(jiǎn)要點(diǎn)評(píng)，增強(qiáng)活動(dòng)的互動(dòng)性（如圖3）。

（五）誰是“發(fā)明小工匠”（活動(dòng)主題5）

學(xué)生從技術(shù)與工程角度出發(fā)，使用Arduino主板、光敏傳感器、溫度傳感器、土壤傳感器、TECL熱電制冷元件、顯示器、LED燈、按鈕、水泵、多邦線、銅絲、收納箱等，完成智能微型環(huán)保水培機(jī)的設(shè)計(jì)和制作，使用傳感器可采集直觀的數(shù)據(jù)結(jié)果。學(xué)生整理探究過程與成果，運(yùn)用剪輯軟件如剪映、Camtasia、ArcTime制作科學(xué)影像視頻，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行梳理和總結(jié)。教師采用無線便攜錄播主機(jī)在5G通信網(wǎng)絡(luò)的加持下，構(gòu)建生物園植物培植課程的在線直播和學(xué)生輸入與輸出知識(shí)（展示作品）的平臺(tái)。

（六）誰是“大棚小管家”（活動(dòng)主題6）

活動(dòng)一：溫室大棚土耕區(qū)栽培作物。選取自己喜歡、適合的種子，記錄種子信息，提前浸泡過夜；認(rèn)識(shí)種植工具——耙；沿著滴灌管路，將種子放進(jìn)土里（配合鏟子、耙子），注意合理密植，定期維護(hù)，澆水、施肥。

活動(dòng)二：配置辣椒大蒜水。配置辣椒大蒜水做生物農(nóng)藥；觀察未噴施、噴施不同辣椒大蒜水用量濃度的施用效果。

活動(dòng)三：在溫室大棚進(jìn)行水培育苗。提前泡好種子，記錄信息，將種子卡在正方形海綿圓形凹槽十字縫隙中央；進(jìn)行苗期維護(hù)。

活動(dòng)四：在溫室大棚進(jìn)行水耕移植。將符合“兩葉一心”、適宜株高等移栽條件幼苗的海綿塊取下，將幼苗塞入水耕架種植籃；將移好苗的種植籃放在水耕大棚四周的種植架上；測(cè)量數(shù)據(jù)，記錄作物成長(zhǎng)過程；調(diào)節(jié)參數(shù)確保作物健康生長(zhǎng)。

三、生物學(xué)數(shù)字化和跨學(xué)科項(xiàng)目教學(xué)的實(shí)踐與思考

（一）“智能種植”項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)農(nóng)耕與現(xiàn)代技術(shù)的深度融合

學(xué)生通過實(shí)踐體驗(yàn)溫室大棚的智能種植功能，認(rèn)識(shí)到智能種植項(xiàng)目推動(dòng)了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與數(shù)字化技術(shù)的深度結(jié)合。第一，智能系統(tǒng)通過聯(lián)動(dòng)溫室氣溫和營(yíng)養(yǎng)液溫度監(jiān)測(cè)傳感器，自動(dòng)調(diào)整空氣和營(yíng)養(yǎng)液的溫度。第二，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制濕度。第三，LED光照系統(tǒng)可調(diào)節(jié)光照時(shí)長(zhǎng)和光源類型。第四，系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控二氧化碳濃度，通過堆肥處理和封閉系統(tǒng)內(nèi)增加“氣肥”來提高二氧化碳濃度。第五，灌溉一體化設(shè)備管理控制器讓水以管道和滴頭形式，定期、定量滲入作物根系生長(zhǎng)和發(fā)展區(qū)域，使土壤始終保持疏松狀態(tài)并確保其含有適當(dāng)?shù)乃?。第六，EC檢測(cè)器可顯示土壤、水層中營(yíng)養(yǎng)肥料的濃度（用電導(dǎo)率表征），當(dāng)EC檢測(cè)器數(shù)據(jù)顯示營(yíng)養(yǎng)液離子含量降低時(shí)，啟動(dòng)補(bǔ)液提醒功能。

（二）數(shù)字化綜合實(shí)踐落實(shí)了“雙減”提質(zhì)增效的理念

“雙減”要求教學(xué)要提質(zhì)增效，教師積極引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注智慧農(nóng)業(yè)，了解科技在生產(chǎn)生活中的具體應(yīng)用場(chǎng)景。在種子萌發(fā)實(shí)踐和水耕機(jī)應(yīng)用實(shí)踐中，學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)被極大地激發(fā)，他們親身體驗(yàn)到種子從萌發(fā)到植物生根發(fā)芽直至成熟可供采摘的全過程，感受到生命的神奇力量和勞動(dòng)后收獲的喜悅。

綜合實(shí)踐創(chuàng)新體現(xiàn)在以下三點(diǎn)。一是開展個(gè)性化的植物種子萌發(fā)及種植活動(dòng)。開展這種兼具趣味性與創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，能促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。二是該數(shù)字化項(xiàng)目嘗試融入跨學(xué)科要素，搭建知識(shí)和能力的綜合網(wǎng)絡(luò)，豐富和延展了科學(xué)素養(yǎng)的內(nèi)涵。基于生物學(xué)知識(shí)，聯(lián)系物理、化學(xué)和地理知識(shí)，滲透數(shù)學(xué)和信息科技知識(shí)，并鍛煉學(xué)生書面和口頭表達(dá)能力。三是該項(xiàng)目作為科技實(shí)踐勞動(dòng)課程，促進(jìn)了初中學(xué)生科技素養(yǎng)發(fā)展和實(shí)踐勞動(dòng)能力提升。教師通過指導(dǎo)學(xué)生完善科技作品、主動(dòng)展示小組的水耕種植成果和工程作品，踐行了“雙減”提質(zhì)增效的理念。

（三）跨學(xué)科項(xiàng)目學(xué)習(xí)有助于促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展和核心素養(yǎng)提升

生物學(xué)是現(xiàn)代科學(xué)的重要組成部分。筆者圍繞生物學(xué)，融合科學(xué)探究、技術(shù)實(shí)踐、工程應(yīng)用、數(shù)學(xué)應(yīng)用、藝術(shù)素養(yǎng)培養(yǎng)，以“溫室大棚智能種植”項(xiàng)目式學(xué)習(xí)為中心，引導(dǎo)學(xué)生分組研討，解決問題，以智能種植問題為導(dǎo)向完成任務(wù)，是一種可行且高效的教學(xué)方式。教師從學(xué)生已有的理論知識(shí)和生活經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，創(chuàng)設(shè)生活中的問題情境，引導(dǎo)學(xué)生不斷探索，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是地進(jìn)行科學(xué)探究，所培養(yǎng)的能力既全面，又使學(xué)生終身受益，這有利于全方位提升學(xué)生的核心素養(yǎng)、工程思維、創(chuàng)新能力。

注：本文系廣東省教育規(guī)劃2025年度中小學(xué)教師教育科研能力提升計(jì)劃的重點(diǎn)項(xiàng)目“文化自信背景下科學(xué)教育中講好中國(guó)科學(xué)家故事的實(shí)踐研究”（立項(xiàng)號(hào)：2025DQJK31）的階段性研究成果。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)：2022年版[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

[2] 林建芬，王瑜，曾玉芳，等.青少年科技創(chuàng)新課程體系的構(gòu)建與實(shí)踐：以深圳市寶安中學(xué)（集團(tuán)）實(shí)驗(yàn)學(xué)校為例[J].教育與裝備研究，2020（5）：35-38.

[作者林建芬系廣東省深圳市南山區(qū)蛇口學(xué)校教師，本文通訊作者；肖曉婷系廣東省深圳市寶安中學(xué)（集團(tuán)）實(shí)驗(yàn)學(xué)校教師；陳萍系華南師范大學(xué)教育信息技術(shù)學(xué)院碩士研究生；張梓燕系華南師范大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院碩士研究生]

責(zé)任編輯：祝元志