“植物水肥自動(dòng)補(bǔ)給裝置的設(shè)計(jì)與制作”STEAM課程實(shí)例

王晨旭 （北京市第三十五中學(xué) 北京 100035）

2010年7月，《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》中提出“勇于探索的創(chuàng)新精神和善于解決問(wèn)題的實(shí)踐能力”，同時(shí)，《北京市初中開(kāi)放性科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)項(xiàng)目管理辦法》 提出要為學(xué)生提供“優(yōu)質(zhì)、多元、豐富、生動(dòng)的合作探究式實(shí)踐活動(dòng)，滿(mǎn)足學(xué)生個(gè)性化、多樣化的發(fā)展需求”。家庭種植蔬菜、花卉是中學(xué)生非常喜愛(ài)的課外活動(dòng)。但植物“澆水、施肥的體積、頻率”“家中長(zhǎng)期無(wú)人時(shí)水肥的補(bǔ)給”等問(wèn)題卻讓人困擾。本課程圍繞“如何更好解決植物的水肥供給”這一問(wèn)題,結(jié)合初中生身心特點(diǎn)，以無(wú)土栽培技術(shù)為核心［1-4］，設(shè)計(jì)并進(jìn)行了STEAM 課程，共3 課時(shí)。

1 教學(xué)目標(biāo)及重、難點(diǎn)

1）知識(shí)目標(biāo)：熟悉植物的根對(duì)水、無(wú)機(jī)鹽、空氣的需求特點(diǎn)［5］，識(shí)別“公道杯” “欹器”現(xiàn)象。

2）能力目標(biāo)：可利用母液自行配制營(yíng)養(yǎng)液［5］；可制作“公道杯”或“欹器”實(shí)現(xiàn)一次性定量澆水。

3）情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)：形成熱愛(ài)植物、熱愛(ài)科學(xué)的情感，培養(yǎng)分析問(wèn)題、將其拆分逐一解決的態(tài)度，養(yǎng)成用“科技和實(shí)踐”改善生活的價(jià)值觀。

4）課程重點(diǎn)及難點(diǎn)：通過(guò)分析植物對(duì)水的需求，進(jìn)行定時(shí)、定量補(bǔ)水裝置的設(shè)計(jì)、制作及調(diào)試。

2 實(shí)驗(yàn)工具、材料及試劑

2）材料：自制儲(chǔ)水箱、自制控水箱、直通閥（小型水龍頭）、紙杯、硬鐵絲、鳳尾夾、營(yíng)養(yǎng)液母液（大量元素A、大量元素B、微量元素）、吸管、珍珠巖、泥炭土、定植籃、定植棉、豆苗。

3）營(yíng)養(yǎng)液配方：

①大量元素A：硝酸鉀0.6 g、硝酸鈣1 g、水100 mL。

②大量元素B：硫酸鎂0.5 g、磷酸銨0.4 g、硫酸鉀0.2 g、磷酸二氫鉀0.2 g、水100 mL。

③微量元素：乙二胺四乙酸二鈉100 mg、硫酸亞鐵75 mg、硼酸30 mg、硫酸錳20 mg、硫酸鋅5 mg、硫酸銅1 mg、鋁酸銨2 mg、水50 mL。

3 課程實(shí)施

3.1 剖析問(wèn)題

3.1.1 發(fā)現(xiàn)問(wèn)題 當(dāng)你需要外出較長(zhǎng)時(shí)間，家中的植物卻無(wú)人照顧、面臨枯死如何解決？

3.1.2 要了解植物生長(zhǎng)的基本條件

(1)災(zāi)害點(diǎn)密度指標(biāo)量化及歸一化。通過(guò)統(tǒng)計(jì)和計(jì)算單元格內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的數(shù)量和規(guī)模，得出地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度。密度越大，表示地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的頻率越高。在GIS平臺(tái)內(nèi)對(duì)災(zāi)害點(diǎn)密度進(jìn)行歸一化處理，形成歸一化圖(圖3a)，歸一化數(shù)值越高，說(shuō)明地質(zhì)災(zāi)害分布越密集，越容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。

學(xué)案：植物的生長(zhǎng)需要陽(yáng)光、空氣、水、無(wú)機(jī)鹽和適宜的溫度。在日常照看植物中，需要花費(fèi)精力定時(shí)、定量補(bǔ)充的是______（液體）和______，其中，對(duì)后者的要求是：種類(lèi)______、比例______。（答案：水、無(wú)機(jī)鹽、齊全、恰當(dāng)）

3.1.3 該如何為植物補(bǔ)充水、肥？

學(xué)案：①澆水應(yīng)做到定時(shí)，應(yīng)在______時(shí)；②澆水應(yīng)做到定量，即做到______；③不同植物對(duì)水的需求不同，澆水的間隔要根據(jù)植物的習(xí)性適當(dāng)調(diào)整；④如果要做到同時(shí)為植物定時(shí)、定量地補(bǔ)充無(wú)機(jī)鹽，可將裝置中的清水替換為_(kāi)_____。（答案：待植物干透、澆透、營(yíng)養(yǎng)液）

相關(guān)講解：分析植物對(duì)水的需求和正確的澆水方式。

事實(shí)1：澆水過(guò)于頻繁：植物爛根甚至死亡。

事實(shí)2：澆水間隔太久：植物枯萎甚至死亡。

事實(shí)3：仙人掌和油菜需要澆水的頻率不同。

推論：應(yīng)根據(jù)植物自身特點(diǎn)確定時(shí)間澆水。

事實(shí)4：每次澆水的量太少：少而頻繁導(dǎo)致植物爛根、少而間隔太久導(dǎo)致植物枯萎。

事實(shí)5：每次澆水的量太多：浪費(fèi)、爛根。

推論：植物應(yīng)該根據(jù)自身特點(diǎn)定時(shí)、定量澆水。

3.1.4 制定計(jì)劃 ①制作定量澆水裝置；②控制自動(dòng)澆水定時(shí)觸發(fā)裝置；③連接—調(diào)試。

3.2 設(shè)計(jì)并制作裝置

3.2.1 配制營(yíng)養(yǎng)液 學(xué)生按照以下步驟配制標(biāo)準(zhǔn)營(yíng)養(yǎng)液：①量取100 mL 清水；②加入10 mL 大量元素A，混勻；③加入10 mL 大量元素B，混勻；④加入微量元素1 mL，混勻。

3.2.2 制作定量澆水裝置 學(xué)生觀看學(xué)案上公道杯和欹器的圖片（圖1），教師講解相應(yīng)的原理知識(shí)。學(xué)生按照虹吸原理（公道杯原理）和重心原理（欹器原理）依次制作2 種定量澆水的裝置，并選擇一種用于自己的裝置。

圖1 定量澆水裝置

學(xué)案：公道杯（畢達(dá)哥拉斯杯）向外流水的觸發(fā)條件是______，流出水的量由______的高度決定。欹器之所以能“滿(mǎn)則覆”，主要是因?yàn)樗疂M(mǎn)之后______高于支撐軸。（答案：水面高于曲管的最高點(diǎn)、曲管入水口和最高點(diǎn)間、重心）

相關(guān)講解：

1）公道杯的原理：公道杯主要利用了虹吸原理。教師結(jié)合圖片講解發(fā)生虹吸的基本要求是水管密閉、連通且出水口低于入水口。在公道杯的制作過(guò)程中要注意保持裝置的密封性和曲管內(nèi)部的通暢。

2）公道杯制作要點(diǎn)：①將紙杯底部扎一小孔，可穿入吸管；②將彎曲吸管較長(zhǎng)的一端從杯內(nèi)小孔穿出，要保證小孔與吸管之間緊密貼合不漏水；較短的一端位于杯中，管口貼近杯底；且使吸管彎曲部位頂端接近并低于杯口。

3）欹器的原理：如圖2所示，欹器在不滿(mǎn)時(shí)保持直立是因?yàn)槠渲匦牡陀谥屋S，欹器“滿(mǎn)則覆”是由于水滿(mǎn)后整體重心高于支撐軸，裝置無(wú)法保持穩(wěn)定。

圖2 欹器裝置原理圖

4）欹器制作要點(diǎn)：①將紙杯的杯身兩側(cè)相對(duì)位置各扎一個(gè)小孔，小孔高度略低于紙杯重心；②用鐵絲從2 個(gè)小孔貫穿而過(guò)，作為支撐軸，要保證兩處密封不漏水；③紙杯底部夾一個(gè)小鳳尾夾，以保證裝置穩(wěn)定。

3.2.3 控制澆水間隔（定時(shí)） 通過(guò)直通閥調(diào)節(jié)進(jìn)入公道杯（欹器）中水流的速度，從而達(dá)到控制定時(shí)間隔澆水的目的。

相關(guān)講解：直通閥相當(dāng)于水龍頭，可控制流經(jīng)它的水流的速度。將直通閥連接在水箱的出水管和公道杯（欹器）的進(jìn)水位置，通過(guò)旋轉(zhuǎn)閥門(mén)可控制水流流速。公道杯和欹器有一個(gè)共同特點(diǎn)，即只有當(dāng)容器中的水達(dá)到一個(gè)極值時(shí)才會(huì)觸發(fā)其向外排水，且每次排水都會(huì)排凈容器內(nèi)的所有的水。

3.2.4 裝置的組裝和調(diào)試 將水箱、直通閥、定量裝置和植物連接并進(jìn)行調(diào)試（圖3）。在課上進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，要求每間隔3 min 為植物定量澆1 次水，裝置調(diào)試完成后畫(huà)出裝置設(shè)計(jì)圖。

圖3 植物水肥自動(dòng)補(bǔ)給系統(tǒng)

相關(guān)講解：通過(guò)直通閥控制水從水箱中流入公道杯（欹器）的流速，使公道杯（欹器）中的水在3 min 時(shí)達(dá)到觸發(fā)值；觸發(fā)后公道杯（欹器）中的水一次性流出并流入到“被澆灌植物”處，實(shí)現(xiàn)定時(shí)、定量的澆水。如果需要定時(shí)5 min、7 min 乃至1 h 等時(shí)間，只需通過(guò)直通閥控制水流注入公道杯（欹器）的速度，使其在指定時(shí)間觸發(fā)裝置自動(dòng)排水即可。

3.2.5 裝置的實(shí)際應(yīng)用 學(xué)生利用定植籃、定植棉、紙杯、棉線等設(shè)計(jì)并制作水培裝置培養(yǎng)植物，或利用珍珠巖、泥炭土、紙杯制作植物基質(zhì)培養(yǎng)裝置培養(yǎng)植物。進(jìn)一步調(diào)試自動(dòng)補(bǔ)水裝置至3 d 澆一次水 （每次一杯）。將營(yíng)養(yǎng)液放入儲(chǔ)水箱中，將栽培好的植物放置在裝置相應(yīng)位置培養(yǎng)，觀察植物生長(zhǎng)狀況，適時(shí)調(diào)整澆水頻率和量，實(shí)現(xiàn)為植物自動(dòng)定時(shí)、定量補(bǔ)充水和無(wú)機(jī)鹽、讓植物在無(wú)人照顧時(shí)也能健康成長(zhǎng)。

3.3 裝置拓展：霧培的原理及應(yīng)用

針對(duì)已成功完成上述任務(wù)并學(xué)有余力的學(xué)生，為其講解霧培植物的原理和基本技術(shù)，組織其設(shè)計(jì)、制作霧培裝置。

4 課程反饋及成果

本課程2015—2019年借助北京市教委“北京市初中開(kāi)放課平臺(tái)”面向全市初一、初二學(xué)生開(kāi)放，累計(jì)5 000 余名學(xué)生完成了課程。據(jù)該平臺(tái)匿名調(diào)查顯示，活動(dòng)極大地增加了學(xué)生對(duì)STEAM 課程和生物學(xué)的興趣，好評(píng)率達(dá)99.8%。

本課程方案獲北京市創(chuàng)新大賽二等獎(jiǎng)（2017年），在北京市科技節(jié)閉幕式上展示時(shí)（2016年、2018年），獲得一致好評(píng)。學(xué)生作品（張宸溪、鄭樂(lè)儀、馬雨欣等）獲得多項(xiàng)區(qū)二等及以上獎(jiǎng)項(xiàng)（創(chuàng)新大賽等）。其中馬雨欣的作品《家庭化蔬菜霧培無(wú)土栽培裝置》獲得國(guó)家專(zhuān)利（2017年）、宋慶齡少年兒童發(fā)明獎(jiǎng)（北京市一等獎(jiǎng)、全國(guó)銅獎(jiǎng)，2017年）、中國(guó)少年科學(xué)院“小院士”課題研究成果展示交流活動(dòng)一等獎(jiǎng)（2017年）、北京市創(chuàng)新大賽二等獎(jiǎng)等優(yōu)秀成績(jī)（2018年）。