智慧農業在中學生物教學中的可行性研究

劉思思 范麗仙 王重力 韓寧

[摘? ? ? ? ? ?要]? 對如何在中學建設“智慧農業”大棚的費用進行了預算和可行性研究，結合植物生長需要，在中學生物實踐教學中充分利用這套設備，進一步加強農業現代化知識的教育并促進學生對綠色植物的學習，引導學生將實際生活知識與科技創新相聯系，并利用跨學科的知識解決實際問題，在潛移默化中培養學生的合作探究能力和動手實踐能力。

[關? ? 鍵? ?詞]? 智慧農業;中學生物教學;跨學科

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

跨學科教育在解決復雜問題以及全球性問題上有著不可替代的優勢[1]，中學生對如何利用新科技改變生活有強烈的好奇心，樂于探究與實踐。在實際觀察與操作過程中，學生以生物知識為出發點，與科技、數學、物理等知識建立聯系，通過大數據平臺采集數據，監測pH值、溫度、濕度、病蟲害數量、光照等數據并制成曲線圖，與預設環境形成對比，根據生物學知識分析曲線圖做出解決方案，在終端系統基礎上實現大棚種植的智能灌溉、智能施肥、病蟲害智能監測與防治，為植物生長營造最佳環境。

一、智慧農業

智慧農業（Intelligent Agriculture）是指利用大數據云平臺、物聯網傳感器、移動物聯網數據傳輸技術等先進技術構建一個智能型、經濟型育苗大棚，從而實現農業的智能化生產與管理。即利用手機端以及數據平臺對溫室棚內參數進行精準監測，實時獲取大棚中氣候、微量元素含量、病蟲害、土壤墑情等信息，從而預測作物長勢，指導灌溉和施肥，預估產量，以確保農作物的全過程在監控中實現高效生產。在農業生產養殖方面，根據數據監測進行定量施肥，可有效改善土壤板結，且經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，智慧農業在種植、畜牧、水產養殖等方面均有廣泛的應用。

二、智慧農業在教學中的意義

實施智慧農業的跨學科活動可以解決基礎教育的內容延續性和現代實用技術的快速普及的矛盾，用現代農業技術統領學生學習基礎知識，提高學生的學習興趣，使學生主動參與其中，將抽象知識具體化，解決動手與動腦的矛盾，用跨學科知識解決復雜問題，同時也便于云上監督課程實施的要求。此外，還能滿足勞動者對基本技能的學習，用科技改變生活，做到省錢、省時、省力。

三、設備與組件

溫室大棚種植在農業生產中占有重要地位，管理者通過“智慧大棚”具備的多種設備（如圖1）遠程監控農作物生長狀況并獲得詳盡而準確的信息，實時掌握植株生育進程和生長動態。管理者通過無線傳輸網絡接收終端系統對數據的收集與處理。同時，用戶也可以利用電腦端或者手機端的環境控制基本軟件通過無線網絡做出輸出處理，自動聯動棚內基礎硬件設備的開啟和關閉，為室內植物提供最佳的生長環境。

建構主義者認為應當建立“有關認知與學習的情境”，使之“提供有意義學習并促進知識向真實生活情境轉化”[3]。按照50畝地28萬進行縮減，可在中學建立一個總預算為19萬，面積為200 m2的溫室大棚，開展綠色植物的培養，實現全天候不間斷自動化管理（數據來源于精簡通訊公司提供的智慧農業解決方案）。

四、學生的體驗式學習與實際操作

智慧大棚種植植物需用跨學科知識解決復雜問題。植物的生長規律和影響因素涉及生物學知識，營養診斷以及營養液的配制涉及化學知識，實現大規模的灌溉與施肥涉及工程學知識，培育期間的監測和管理涉及傳感器等技術手段的運用和對數據的分析處理能力。

（一）自動控制植物生長環境

根據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的條件，通過中央控制器和遠程調控系統及時調節室內光照強度、溫度等環境因子，為種子萌發提供適宜的溫度、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

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

在植物從幼苗發育成植株的過程中，可在大棚內探究光照強度、溫度、二氧化碳濃度等環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。通過系統監測室內CO2、O2含量以及室內溫度和濕度等數據，從而探究植物從種子萌發到生長發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）調控營養物質促進植株的生長

精準施肥：植物的生長需從外界獲取營養物質，在每個生長階段，植物所需的營養元素不同。傳統農業是根據以往經驗對地塊的土壤灌溉和施肥，而通過智慧大棚可以實時監測植物中無機物（氮、磷、鉀等元素）的含量精準施肥。實驗課中可以設置梯度濃度探究營養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好pH值和EC值，通過管道控制流速，對每個區域的植物進行灌溉施肥，從而達到變量施肥的效果。小組間對比結果找出最適宜植物生長的營養元素含量，從而將植物所需營養元素準確注入植物根部（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邊緣或葉尖壞死，故實驗過程中要注意控溫和保濕）。

營養診斷：對于生長不佳的植物，可利用傳感器監測植株營養元素的含量及其比值，精確用量做到精準施肥，從而改善植株長勢，提高肥力利用率的同時減少環境污染。

（四）調控植株的開花和結果

通過控制光照時間、溫度等環境因子還可調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，得到預期的效果，學生在體會開花植物的春化作用和光周期現象與原理的同時，也能夠提升數據分析能力。在植株開花結果階段也要注意控制營養元素比例，實現農業增產。將學科交叉知識應用于農業生產，有利于加強農業現代化教育，在農業生產上有利于出售時令花卉、蔬菜，促進農業現代化的發展。

（五）病蟲害監測與防治

蟲情監測系統晚上自動開啟監測，白天自動待機，通過移動網絡，攝像頭準確抓拍獲取蟲子的種類、蟲子數量、最后進入紅外線殺蟲室，實現蟲情預警、處理分析等一體化的蟲情監測目標，每天收集的數據將會制成圖表，學生透過紅外線可探究昆蟲的種類及其活動時間、活動方式和天敵數量，以紅外線加熱的方式自動完成誘蟲、殺蟲等作業，及時準確地判斷植物的生長狀態與病蟲害情況，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元素最適量以及對長勢不佳的植物進行營養診斷和病蟲害的防治的實驗過程中融合了生物學問題、數學問題、工程學知識;最后延伸則要求學生由課堂上的實驗數據和思路查閱資料，設計出在進行大規模澆灌作物時，如何控制營養元素的用量，可將生物學和數學緊密地聯系在一起。學生思考發現并解決問題的過程可以使其更好地感知科學、技術、工程和數學四大領域之間的密切聯系，從而幫助他們更加全面地掌握和運用知識，做到有效灌溉，水鹽平衡，從而調節植物的長勢，實現植物所需微量元素的最佳值，讓學生更好地理解“細胞中的無機物”這節內容的知識。對于農業生產來說，有利于實現營養物質對糧食增產的效果。

五、建設“智慧農業”大棚面臨的問題及解決辦法

（一）經濟方面

首先，促進農村農業現代化的發展與跨學科培養社會人才，需要國家、高校、社會的大力支持，一方面需要國家加大經濟投入，向農村傾斜，進行農業生產規模的推廣與升級，進而促進農村實現農業現代化;另一方面在設備的生產上可考慮降低成本，在設備材料的選擇方面，做到平價替換。

其次，因資源缺乏不能建立“智慧大棚”的中學，可采取就近原則，帶領學生實地參觀高校設立的“智慧大棚”，采取線上教學，利用遠程聯網進行視頻觀看，在一定程度上既降低了成本，又能帶領學生學習現代技術相關知識，并將學科知識與實際生活相聯系，促進農業的高質量發展。

（二）場地方面

對于市中心的中學，耕地面積較少，可以借助屋頂建設“智慧大棚”，建筑立面綠植;對于新建校園則在建校時應考慮校園整體規劃，保證有足夠空間開展智慧農業;對于耕地面積較少且不位于市中心的學校，可考慮與周邊需發展農業經濟的企業或者公司合作，既能促進學生對新技術的掌握，又能促進農業經濟的增長。

利用“智慧農業”大棚，在教學中結合“互聯網+”創新教學方式，通過生物傳感器輕松管理植物生長發育的健康狀態，激發學生的學習興趣，使學生能更加全面、深入地體驗植物的生長發育過程，同時也能開闊學生的視野，進一步促進農業現代化知識的普及，培養學生利用學科交叉知識解決實際問題的能力。通過理論與實踐的結合不斷提升生物學科核心素養，發揚創新精神，有利于培養跨學科領域的復合型人才。

參考文獻：

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

[2]王瑩.“互聯網+”背景下我國智慧農業發展路徑研究[J].物流科技，2021，44（2）：131-134.

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

◎編輯 郭小琴