在教育改革的大潮中，“雙減”政策的實施為科學教育注入了新的活力，帶來了前所未有的機遇與挑戰(zhàn)。筆者以“溫室大棚智能種植”項目式學習為載體，探索一種創(chuàng)新的跨學科教學模式，旨在提升學生的科學素養(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，為學生提供了親身實踐的平臺，讓他們在真實的科學探究中學習和成長，體驗科學探究的樂趣，并在多學科的交叉融合中培養(yǎng)解決問題的能力。這種教學模式的探索與實踐，對于推動科學教育創(chuàng)新發(fā)展具有重要意義。

一、項目緣起和教學構(gòu)想

（一）項目背景

在“雙減”政策的指引下，教師需改進教學方法，強化科學實踐，以增強學生的學習興趣和提高學習效率。《義務(wù)教育生物學課程標準（2022年版）》強調(diào)，教師應(yīng)提供更多機會讓學生參與項目式學習和跨學科實踐活動[1]。為此，筆者設(shè)計了“溫室大棚智能種植”項目，為學生提供科技實踐和勞動的機會[2]。該項目以種子萌發(fā)、果蔬種植和科學問題探究為核心，利用水耕機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階段，開展一系列的跨學科探究活動。學生通過掌握智慧種植系統(tǒng)的操作方法與技巧，進行種子處理、育苗、移苗和日常養(yǎng)護等基礎(chǔ)實踐操作，并借助數(shù)字化顯微鏡探究植物葉片的結(jié)構(gòu)、酸雨對植物生長的影響、維生素含量的測定、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”項目教學任務(wù)與目標

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)運而生，該模式利用信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的數(shù)字化、智能化和自動化。項目組通過體驗水耕機、智慧大棚的生產(chǎn)場景和種植設(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)云平臺可以通過電腦、智能手機上網(wǎng)查詢和檢索，管理員可遠程操作控制現(xiàn)場電氣設(shè)備。氣象站基礎(chǔ)包括風速和風向傳感器、雨量傳感器、土壤酸堿度和熵值傳感器（濕度、溫度、電導率）、氣象站智能控制箱和基礎(chǔ)配件。

筆者開展項目活動，以書面設(shè)計、實驗實踐、口頭匯報等形式，開展學生自我評價、同伴互評、教師評價等多元評價，旨在提升學生的核心素養(yǎng)、工程思維與創(chuàng)新能力。學生參與項目式學習活動，完成6個子項目任務(wù)（見表1），應(yīng)達到4個維度的學習目標要求（見表2）。

二、在連續(xù)性的跨主題項目活動中推進跨學科實踐

學生參與該項目式學習活動需要完成6項跨主題任務(wù)，時長可根據(jù)實際情況靈活調(diào)整。

（一）誰是“金牌設(shè)計家”（活動主題1）

在該子項目中，學生需設(shè)計種子萌發(fā)和科學探究方案，并體驗種子萌發(fā)實踐活動過程。

環(huán)節(jié)一：回顧種子萌發(fā)基本知識。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虛擬實驗室中快速進行基礎(chǔ)實驗知識的回顧?？偨Y(jié)時使用思維導圖軟件進行梳理，并借助AI輔助功能，幫助學生進行拓展聯(lián)想（如圖1）。

環(huán)節(jié)二：設(shè)計種子萌發(fā)方案。教師引導學生研討育苗注意事項。學生設(shè)計無土育苗方案，包含目的、原理、材料、步驟和預期結(jié)果等，互相提問和記錄。課后完善育種方案，可在線進行，便于學生查找資料。常用平臺為在線文檔（如騰訊、金山在線文檔），支持用戶實時研討和修改，多人同步修改方案，促進團隊協(xié)作。編輯內(nèi)容自動保存，隨時調(diào)取，便于整理最終方案。教師選取部分方案進行簡要點評，并留有充足時間讓學生討論和答辯。

環(huán)節(jié)三：育苗實踐。學生按照方案開始種子萌發(fā)實踐活動，在噴灑清水的海綿墊上播種。育苗盤需學生用噴壺噴灑營養(yǎng)液，使營養(yǎng)液浸沒海綿墊。播種后每天要用噴壺噴灑營養(yǎng)液一兩次，注意控制溫度，必要時可遮光。定期觀察，了解種子發(fā)芽、生長情況。溫度適宜時，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)護觀察。學生進行種子萌發(fā)的觀察和養(yǎng)護，設(shè)計記錄表，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。當植物長出兩片小葉時，需定時增加營養(yǎng)液以滿足植物生長需求。該階段的環(huán)境控制包括溫度、光環(huán)境以及營養(yǎng)液離子濃度（EC）等。

環(huán)節(jié)五：項目階段進展的小組匯報。學生用“測定種子的發(fā)芽率”實驗中測定發(fā)芽率的方法，計算種子發(fā)芽率。學生進行階段成果匯報，用文字或視頻交流體會。教師對其做過程性評價。

（二）誰是“植物魔法師”（活動主題2）

教師使用希沃平臺錄制“知識膠囊”微課視頻，靈活性強。學生無需下載應(yīng)用，根據(jù)需求掃碼即可觀看微課，對存疑的部分加強理解，提高學習成效。

環(huán)節(jié)一：介紹水耕機。教師介紹水耕機的工作原理，介紹配套的材料用具。學生熟悉水耕機的基本結(jié)構(gòu)，認識種植槽、種植籃、種植棉、種植孔、補氧系統(tǒng)、補光系統(tǒng)。學生認識到不同植物種類所需的光照時間不同，而水耕機的智能傳感器系統(tǒng)通過使用定時器和自動補光系統(tǒng)促進植物生長。植物移栽過程中對根部有氧呼吸和吸收無機鹽的研究，需使用增氧泵、離子傳感器。

環(huán)節(jié)二：配備營養(yǎng)液。教師簡要介紹稱量步驟，并設(shè)置問題：“如何科學地配置營養(yǎng)液？”清水、 抗菌水及營養(yǎng)素的比例為600 mL（清水）∶1 mL（抗菌水）∶0.5 g（營養(yǎng)素）。一個種植槽中12000 mL水，需要配制多少抗菌水，添加多少營養(yǎng)素？學生計算 ：抗菌水為12000/（600×1）=20（mL），營養(yǎng)素為12000/（600× 0.5）=10（g），根據(jù)計算結(jié)果配制營養(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，指導學生完成一系列實踐操作。

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

（三）誰是“精英研究員”（活動主題3）

各小組依據(jù)已定主題開展實驗，例如“探究光照強度（或光照時長、營養(yǎng)元素）對植物生長的影響”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)液準備。教師提示與引導學生選擇適宜的植株，設(shè)計問題情境：根據(jù)對照實驗的基本原則，選擇的番茄幼苗的長勢應(yīng)具備什么特點？常規(guī)的缺素培養(yǎng)使用的是相同的容器，在本實驗中，如何借助水耕機設(shè)計實驗，如何操作？學生應(yīng)選擇形成真葉的幼苗，植株長勢應(yīng)該相同，根系完整，一個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。教師指導學生用試劑瓶做實驗時，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個試劑瓶。為更好地進行移植操作，教師提出問題：“與常規(guī)的缺素培養(yǎng)不同，借助水耕機進行實驗，脫脂棉應(yīng)該用什么材料代替，整體操作和設(shè)計上有何便利之處，如何操作？”學生思考并回答：一個種植槽放置多株植株，增加樣本數(shù)量，提高實驗準確性和可信度。移植過程，學生的操作流程如下：選擇4個種植槽，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。在每個種植槽上注明不同處理，分別標記為缺氮、缺磷、缺鉀、對照組。教師巡視，適時給予指導。

環(huán)節(jié)三：日常養(yǎng)護設(shè)置。學生完成日常養(yǎng)護：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，補充至原培養(yǎng)液體積；③每2天用雙連球通氣一次。學生進而體驗水耕智能種植系統(tǒng)的優(yōu)點：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。教師組織階段性的成果匯報展示，使用Excel的基礎(chǔ)功能即可滿足數(shù)據(jù)處理需求。評價方式為小組互評、教師點評、學生反思。各組學生用多種形式展示和匯報實驗的過程與探究結(jié)論（如圖2）。小組間互評，提出疑問或建議。各組進行答辯和反思。

（四）誰是“實力創(chuàng)作家”（活動主題4）

教師組織學生完成葉拓畫、植物印染環(huán)保袋、滴膠作品、干花制作等文創(chuàng)品，使用希沃一體機配套的軟件（希沃授課助手）實時展示成果，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，進行簡要點評，增強活動的互動性（如圖3）。

（五）誰是“發(fā)明小工匠”（活動主題5）

學生從技術(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)保水培機的設(shè)計和制作，使用傳感器可采集直觀的數(shù)據(jù)結(jié)果。學生整理探究過程與成果，運用剪輯軟件如剪映、Camtasia、ArcTime制作科學影像視頻，對實驗進行梳理和總結(jié)。教師采用無線便攜錄播主機在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生輸入與輸出知識（展示作品）的平臺。

（六）誰是“大棚小管家”（活動主題6）

活動一：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；認識種植工具——耙；沿著滴灌管路，將種子放進土里（配合鏟子、耙子），注意合理密植，定期維護，澆水、施肥。

活動二：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。

活動三：在溫室大棚進行水培育苗。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；進行苗期維護。

活動四：在溫室大棚進行水耕移植。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；測量數(shù)據(jù)，記錄作物成長過程；調(diào)節(jié)參數(shù)確保作物健康生長。

三、生物學數(shù)字化和跨學科項目教學的實踐與思考

（一）“智能種植”項目實現(xiàn)傳統(tǒng)農(nóng)耕與現(xiàn)代技術(shù)的深度融合

學生通過實踐體驗溫室大棚的智能種植功能，認識到智能種植項目推動了傳統(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)動溫室氣溫和營養(yǎng)液溫度監(jiān)測傳感器，自動調(diào)整空氣和營養(yǎng)液的溫度。第二，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)與控制濕度。第三，LED光照系統(tǒng)可調(diào)節(jié)光照時長和光源類型。第四，系統(tǒng)實時監(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?shù)乃?。第六，EC檢測器可顯示土壤、水層中營養(yǎng)肥料的濃度（用電導率表征），當EC檢測器數(shù)據(jù)顯示營養(yǎng)液離子含量降低時，啟動補液提醒功能。

（二）數(shù)字化綜合實踐落實了“雙減”提質(zhì)增效的理念

“雙減”要求教學要提質(zhì)增效，教師積極引導學生關(guān)注智慧農(nóng)業(yè)，了解科技在生產(chǎn)生活中的具體應(yīng)用場景。在種子萌發(fā)實踐和水耕機應(yīng)用實踐中，學生的學習動機被極大地激發(fā)，他們親身體驗到種子從萌發(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后收獲的喜悅。

綜合實踐創(chuàng)新體現(xiàn)在以下三點。一是開展個性化的植物種子萌發(fā)及種植活動。開展這種兼具趣味性與創(chuàng)造性的設(shè)計性實驗活動，能促進學生核心素養(yǎng)的發(fā)展。二是該數(shù)字化項目嘗試融入跨學科要素，搭建知識和能力的綜合網(wǎng)絡(luò)，豐富和延展了科學素養(yǎng)的內(nèi)涵?；谏飳W知識，聯(lián)系物理、化學和地理知識，滲透數(shù)學和信息科技知識，并鍛煉學生書面和口頭表達能力。三是該項目作為科技實踐勞動課程，促進了初中學生科技素養(yǎng)發(fā)展和實踐勞動能力提升。教師通過指導學生完善科技作品、主動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）跨學科項目學習有助于促進學生全面發(fā)展和核心素養(yǎng)提升

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

注：本文系廣東省教育規(guī)劃2025年度中小學教師教育科研能力提升計劃的重點項目“文化自信背景下科學教育中講好中國科學家故事的實踐研究”（立項號：2025DQJK31）的階段性研究成果。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部.義務(wù)教育生物學課程標準：2022年版[S].北京：北京師范大學出版社，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)建與實踐：以深圳市寶安中學（集團）實驗學校為例[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)蛇口學校教師，本文通訊作者；肖曉婷系廣東省深圳市寶安中學（集團）實驗學校教師；陳萍系華南師范大學教育信息技術(shù)學院碩士研究生；張梓燕系華南師范大學數(shù)學科學學院碩士研究生]

責任編輯：祝元志