PBL 模式下校園樓頂花園自動灌溉裝置的改進(jìn)

（南京市寧海中學(xué)，江蘇 南京 530000）

在PBL 教學(xué)模式指導(dǎo)下，我校開設(shè)了空中花園課程，將教學(xué)樓的平臺開發(fā)為教師引導(dǎo)組織、學(xué)生主導(dǎo)發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的活動平臺。在6 月-7 月時針對我校空中花園中的簡易自動灌溉裝置進(jìn)行改進(jìn)，為7 月暑假期間的長期無人灌溉問題提供解決思路和解決方法，同時試圖解決灌溉中速度自動調(diào)節(jié)的實際難題。

一、問題：現(xiàn)在使用的灌溉裝置主要可以歸納成如下幾個問題

（一）負(fù)重問題：儲水裝置的支架無法支撐>500ml 重的容器

（二）速度問題：灌溉速度不可控，普遍灌溉速度較慢（滴完500ml 最久約需要5-6 天）

（三）裝置灌溉時間較短，不能適應(yīng)長期灌溉需要

分析原因：灌溉速度不可控和無法支撐較重容器主要是由于灌溉裝置過于簡單，支架強(qiáng)度不足，又是單一支架，無法負(fù)擔(dān)起較重的儲水容器。其后果是，較小的承重量限制了裝置的儲水量，進(jìn)一步導(dǎo)致儲水裝置無法滿足長期灌溉的需求。同時，儲水裝置的固定支架也無法設(shè)定滴水孔的大小，從而無法控制滴速，普遍的滴灌速度較慢正是由于預(yù)留孔徑過小導(dǎo)致。

二、改進(jìn)：為解決上述幾點(diǎn)問題，對自動灌溉裝置進(jìn)行了改進(jìn)。

首先，解決負(fù)重問題

方法一：在樓層高處固定一個水缸（底面積約為0.04 平方米,高為0.5米）作為蓄水物代替架在裝置上的水瓶，水缸上方用漏斗蓋住，以便收集雨水，對水缸進(jìn)行補(bǔ)充，同時也可以減少夏季高溫帶來的水分蒸發(fā)問題。再用軟管將水引到需要澆灌的植物盆中，利用重力實現(xiàn)自動灌溉。

方法二：將水缸放置在地面，利用毛細(xì)現(xiàn)象讓水吸入植物盆中。其次，控制灌溉速度的問題，利用濕度傳感器自動調(diào)節(jié)灌溉速度。

方法一：將濕度傳感器與控水閥門連接，設(shè)定程序自動調(diào)節(jié)灌溉，并將傳感器與手機(jī)進(jìn)行連接，以備在灌溉系統(tǒng)出現(xiàn)故障時及時感知，以保證植物不因澆水過多或過少而死亡。

對于一些極為嬌弱的植物，可以設(shè)計更為精細(xì)的程序（圖1）。

例如：將控水閥門設(shè)為極小、小、中、大四種，當(dāng)濕度逐步增加時按照大，中，小，極小的順序依次關(guān)閉閥門，將濕度控制在一個相對恒定的范圍內(nèi)。

方法二：如果無法將濕度調(diào)節(jié)器與控水閥門連接并編輯程序，也可以利用醫(yī)院的輸液管代替水管引水，利用輸液管對流速進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時根據(jù)植物對水的需求量多少，依次排放植物，需水量大的植物更靠近出水端，需水量小的植物則安放在出水最遠(yuǎn)處。（圖二）但是這種方法仍然要依賴人工5-7天間定期觀察一次，無法根據(jù)天氣自動調(diào)節(jié)，當(dāng)無人管理時極容易出現(xiàn)因澆水過多而使植物爛根而死或因澆水不及致使植物枯死的情況。

為提高水資源利用率，可利用雨水對蓄水缸進(jìn)行補(bǔ)充。為更好地收集雨水并減小水分蒸發(fā)，建議水缸用漏斗覆蓋，這樣收集的雨水會順著漏斗快速流入水缸內(nèi)儲存，根據(jù)降水量與植物蒸騰量的差值計算缸內(nèi)應(yīng)預(yù)留的水量

參看南京市2019 年的天氣數(shù)據(jù)（圖三）：

以及2010-2019 年近10 年的6 月天氣數(shù)據(jù)（圖四）：

結(jié)論：

自動灌溉裝置在日常生活中是一種非常方便的裝置，從利用礦泉水瓶自制，在淘寶網(wǎng)購的簡易裝置，到自己動手改裝，再到大型灌溉裝置，乃至如以色列一樣國家范圍推廣的自動滴管裝置。自動灌溉裝置在一定程度上解放了人工，機(jī)械調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性也讓種植變的簡潔便利。但是，簡易的裝置存在著不能自主調(diào)節(jié)的問題，極易導(dǎo)致植物因過干或澆水過多而死；而復(fù)雜而精細(xì)的裝置則常常存在問題：澆水不夠充分、容易損壞等等。我國幅員遼闊，氣候與以色列的氣候相比更為復(fù)雜，各地降水變化也更多，耕作方式亦有很大的不同，因此以色列的自動滴管模式固然節(jié)約人力、水資源，卻不一定適合我國。應(yīng)根據(jù)我國不同地區(qū)不同現(xiàn)狀因地制宜研究出適合本地的自動滴管裝置，例如南京地區(qū)梅雨季多陰雨，自制的簡易滴管裝置的滴管速度應(yīng)降低；而北方地區(qū)春旱嚴(yán)重又少雨，滴管速度自然也應(yīng)該有所提高；沿海地區(qū)雨水較多，又有可能遭遇臺風(fēng)，自動滴管裝置的用途就極為有限，反而應(yīng)該研究排水滲水系統(tǒng)，以防植物爛根。但總的來說，自動灌溉裝置還是提供了很大的便利，簡易的滴灌裝置代替人工對植物進(jìn)行澆灌，使人能騰出較為完整的時間和精力做其他事。