基于項目式學(xué)習(xí)的智能化魚和立體水培芽苗菜生態(tài)系統(tǒng)

王澤銀

（山東省鄒平市好生小學(xué) 山東鄒平 256200）

常規(guī)的生態(tài)魚缸和水培芽苗菜都要經(jīng)常換水。芽苗菜對采光和肥料（一般不用或很少采光和施肥）要求很低，生態(tài)魚缸產(chǎn)生的肥料也少，室內(nèi)采光差，二者可以組合成完美的共生系統(tǒng)。

模擬自然濕地的環(huán)境，在室內(nèi)創(chuàng)造一個智能化魚菜共生系統(tǒng)，將室內(nèi)綠化美化、空氣加濕、有機(jī)農(nóng)業(yè)、食品安全、物聯(lián)網(wǎng)、節(jié)水教育、生命科學(xué)教育、steam教育、勞動教育 、融為一體。

該智能魚菜共生系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、科學(xué)合理，適合家校普及。符合項目式學(xué)習(xí)的需要，是基于物聯(lián)網(wǎng)的小型化勞動教育平臺，造價低廉，易于普及，是適合家校攜手開展魚和芽苗菜共生的課外科技實踐活動。

一、項目制作背景

“智能化魚菜共生”系統(tǒng)是目前農(nóng)業(yè)種植和養(yǎng)殖最先進(jìn)的模式之一，是綠色健康、可持續(xù)發(fā)展的綜合種養(yǎng)模式，也是一種創(chuàng)新型生產(chǎn)模式。最大特點就是養(yǎng)魚不用再換水，種菜不用再施肥，實現(xiàn)了水的循環(huán)利用。

圖1 用現(xiàn)成生態(tài)魚缸搭建的基于項目式學(xué)習(xí)的智能化魚和立體水培芽苗菜共生系統(tǒng)水循環(huán)路線圖

現(xiàn)在的魚菜共生系統(tǒng)大多采用基質(zhì)栽培，對于設(shè)備、種養(yǎng)技術(shù)和種植條件要求較高，所以現(xiàn)在家庭中生態(tài)魚缸很多，但是有魚菜共生系統(tǒng)的很少。其實家庭中最適合的種菜方式是水培芽苗菜，因為芽苗菜生長期短，對采光和肥料要求很低（現(xiàn)在一般不或者很少采光和施肥，按時噴水或者換水就能生長），室內(nèi)采光不好，生態(tài)魚缸里面的魚產(chǎn)生的有機(jī)肥料和氨基鹽也不多，將生態(tài)魚缸和立體水培芽苗菜組合成智能化魚菜共生系統(tǒng)就非常適合在家庭和學(xué)校中普及，它將室內(nèi)綠化美化、有機(jī)農(nóng)業(yè)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、物聯(lián)網(wǎng)、節(jié)水教育、食品安全、生命科學(xué)教育、steam教育、勞動教育融為一體，是很好的開發(fā)項目式學(xué)習(xí)案例的平臺。

二、項目的教學(xué)用途與應(yīng)用場景

（一）作為“基于項目式學(xué)習(xí)的steam課程——做個智能魚和立體水培芽苗菜生態(tài)系統(tǒng)”的教具

這個生態(tài)系統(tǒng)包括三部分：生態(tài)魚缸系統(tǒng)、立體水培芽苗菜系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)。按照先學(xué)后教的理念，先讓學(xué)生研究家庭生態(tài)魚缸系統(tǒng)的構(gòu)造和原理：盛放魚的缸體、盛放過濾材料的缸體、循環(huán)系統(tǒng)，利用硝化細(xì)菌和換水保持魚缸水質(zhì)的安全。利用物理過濾保持水的清澈。在制作過程中，可以展示魚缸的構(gòu)造，了解物理過濾、生化過濾、植物根系過濾。啟發(fā)學(xué)生做出上濾、下濾、側(cè)濾等不同過濾方式的魚缸。魚缸做好以后，獨立運行一段時間，硝化細(xì)菌繁盛以后水質(zhì)至少要能夠達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)。展示立體水培芽苗菜種植架和種植盒，了解當(dāng)前芽苗菜的種植方法，了解無土栽培、溢流式固定水位、潮汐水位等實現(xiàn)途徑，啟發(fā)學(xué)生做出固定水位或者潮汐水位的立體水培芽苗菜系統(tǒng)。啟發(fā)學(xué)生通過不同方式實現(xiàn)多種智能化自動控制（自動補(bǔ)水、自動澆花、自動喂食、自動補(bǔ)光、自動恒溫等）和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。三個系統(tǒng)分別做好以后，整合成智能化魚和立體水培芽苗菜共生系統(tǒng)，定期檢測水質(zhì)，如果水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，要找出原因，盡快解決。

（二）作為小學(xué)科學(xué)課、初中生物課中學(xué)習(xí)“新生命的開始——種子的發(fā)芽過程”的教具

無論浸種、催芽還是立體水培的過程都是學(xué)生學(xué)習(xí)種子發(fā)芽過程、認(rèn)識種子的不同種類和結(jié)構(gòu)、認(rèn)識植物根、莖、葉營養(yǎng)器官的教具；也可以作“動物的一生”中卵生動物新生命開始的教具。

（三）作為小學(xué)科學(xué)課中學(xué)習(xí)“微小的世界”中認(rèn)識微生物的教具

魚缸的水里面有大量的微生物，這些微生物中有很多是保持魚缸水質(zhì)良好的基礎(chǔ)，學(xué)生可以利用顯微鏡研究魚缸里面的微小生物。

（四）作為小學(xué)科學(xué)課中學(xué)習(xí)“水生動物的棲息地”的教具

魚缸中可以搭配其他的水生動物，用于研究不同水生動物的身體構(gòu)造與水生生活的關(guān)系，以及水生環(huán)境中的動物、植物、微生物和非微生物之間的關(guān)系。

（五）作為小學(xué)科學(xué)課中學(xué)習(xí)“食物鏈”和“生態(tài)系統(tǒng)”的教具

在魚菜共生系統(tǒng)中，魚的糞便是水生微生物的食物，微生物分解魚的糞便產(chǎn)生硝酸鹽是水生植物的肥料，水生植物也可以成為魚的食物，這里邊有完整的食物鏈。水生動物、植物、微生物以及里面非生物構(gòu)成了一個完整的生態(tài)系統(tǒng)，這對于學(xué)生培養(yǎng)維護(hù)生態(tài)平衡和節(jié)能環(huán)保的意識都有重要作用。

（六）在綜合實踐課中，作為學(xué)生學(xué)習(xí)無土栽培、水產(chǎn)養(yǎng)殖、食品安全的勞動教育課教具

現(xiàn)在學(xué)生缺乏參加生產(chǎn)勞動的機(jī)會，這個小型智能化魚和立體水培芽苗菜生態(tài)系統(tǒng)就為學(xué)生提供了參加生產(chǎn)勞動的平臺。浸種、催芽、播種、澆水、清洗過濾棉、清洗過濾袋、檢測水質(zhì)、收獲芽苗菜、喂魚、清洗魚缸和芽苗菜盆、制作改進(jìn)過濾、種植植物和智能控制系統(tǒng)……每個學(xué)生都可在家中建立這樣一個生態(tài)系統(tǒng)，學(xué)生和家長一道在做中學(xué)，玩中學(xué)，因為趣味性、探究性都很強(qiáng)，所以學(xué)生參與積極性很高。這個系統(tǒng)種植、養(yǎng)殖不施化肥、農(nóng)藥、激素，非常健康安全，可以與市場上的菜和魚作對比，對學(xué)生進(jìn)行食品安全教育。從小接受這種勞動技術(shù)教育，學(xué)生將來對于參加生產(chǎn)勞動會樂此不疲，創(chuàng)新能力會取得長足的進(jìn)步。

（七）每年3月22日，是“世界水日 ”，作為喚起學(xué)生節(jié)水意識，加強(qiáng)水資源保護(hù)，學(xué)習(xí)現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式的教具

三、項目的科學(xué)原理和應(yīng)用方法

現(xiàn)在的生態(tài)魚缸，因為硝酸鹽聚集，所以要經(jīng)常換水，既麻煩又浪費水和水中的硝酸鹽肥料。而水培芽苗菜要每天噴灑兩三次水，或者一兩天換一次種植盆內(nèi)的水，同樣是麻煩又浪費水。芽苗菜（種苗菜和體苗菜）依靠種子或營養(yǎng)器官內(nèi)儲存的營養(yǎng)就能生長，一般不需要陽光照射，室內(nèi)散射光就能基本滿足需要。種子或營養(yǎng)器官萌發(fā)以后，如果能施用稀薄液肥能長得更好。家庭生態(tài)魚缸里面的水和室內(nèi)環(huán)境正好能滿足芽苗菜生長的需要。利用現(xiàn)有生態(tài)魚缸和水培芽苗菜的特點，模擬自然濕地的環(huán)境，在家中創(chuàng)造一個智能化濕地生態(tài)系統(tǒng)。魚缸是水塘，立體水培芽苗菜種植盤是一片片的沼澤，輸水管是一條條小河，芽苗菜是水生植物，魚缸里的水在流過芽苗菜的根部和魚缸過濾系統(tǒng)時，氨氮等有害物質(zhì)首先被硝化細(xì)菌分解成亞硝酸鹽，然后被分解成硝酸鹽，最后被芽苗菜吸收，水質(zhì)被凈化，凈化后的水再流回魚缸，水實現(xiàn)循環(huán)利用。用溢流口的高度保持芽苗菜內(nèi)水的深度，種植盤內(nèi)水面要與種植網(wǎng)格盤保持至少0.5厘米的距離，使根部能更好的呼吸。水在封閉循環(huán)的過程中更好地利用硝化細(xì)菌完成對有害物質(zhì)的分解、硝酸鹽的吸收利用和充氧的過程。

該項目有自動補(bǔ)水、自動恒溫、自動喂食等功能。應(yīng)用方法很簡單，只要水質(zhì)正常，魚缸就不用換水（自動澆花系統(tǒng)實際上是為魚缸換水的設(shè)備），芽苗菜在共生系統(tǒng)中也不用再換水。但是芽苗菜在進(jìn)入共生系統(tǒng)以前，要經(jīng)過浸種、催芽、播種的過程（細(xì)小的種子要在網(wǎng)格盤上鋪上一層吸水紙，以免種子漏到種植盤里面），而且要等到根系長出網(wǎng)格盤以后才能放進(jìn)共生系統(tǒng)，進(jìn)入共生系統(tǒng)以前每天要換一次水，或噴水三到五次。需要定期檢測水質(zhì)（智能檢測水質(zhì)設(shè)備價格昂貴，氨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽、溶解氧、余氯等目前只能手工檢測），經(jīng)常清洗過濾棉、過濾袋等。

四、項目的改進(jìn)點或創(chuàng)新點

利用家庭生態(tài)魚缸產(chǎn)生糞便少、芽苗菜對肥料和采光要求低的特點，將生態(tài)魚缸和立體水培芽苗菜種植架組合成適合室內(nèi)的智能生態(tài)系統(tǒng)，實現(xiàn)水、肥資源的封閉循環(huán)，滿足家庭綠化、美化和對安全魚、菜的需求。結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，科學(xué)合理，形象直觀。既能減少勞務(wù)負(fù)擔(dān)，又能節(jié)約資源。無論制作過程，還是長期使用和不斷改進(jìn)的過程都是很好的基于項目式學(xué)習(xí)的steam課程資源。也是小學(xué)科學(xué)課、中學(xué)生物課、勞動教育課中多用途的教具。以后，將全部用太陽能電池板為這個生態(tài)系統(tǒng)供電，以達(dá)到更加安全和節(jié)能環(huán)保的目的。

五、魚和芽苗菜共生系統(tǒng)水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)

（一）芽苗菜生長過程中是否需要營養(yǎng)液

表1 對現(xiàn)有下濾式生態(tài)魚缸搭建的智能化魚和立體水培芽苗菜共生系統(tǒng)作水質(zhì)檢測（魚缸箱體1.2m*0.35m*0.8m，過濾箱體1m*0.25m*0.35m；4盤立體水培芽苗菜，種子經(jīng)浸種、催芽、根系比較發(fā)達(dá)以后，按表中的時間上架，用魚缸循環(huán)水澆灌，芽苗菜盒0.3m*0.23m*0.06m；魚缸內(nèi)養(yǎng)8條單重150克左右的錦鯉，每天一次性投喂7.5克中粒顆粒飼料。取水樣位置：魚缸箱體；取水樣時間：投喂后22小時。檢測期間自動補(bǔ)水一次，洗過一次過濾棉，單位：mg/l）。

表1 現(xiàn)有下濾式生態(tài)魚缸搭建的智能化魚和立體水培芽苗菜共生系統(tǒng)作水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)

檢測結(jié)論：酸堿度為7.6，中性偏堿。氨氮值為0.005毫克/升，證明喂食后22小時內(nèi)產(chǎn)生的氨氮被過濾系統(tǒng)里的硝化細(xì)菌及時轉(zhuǎn)化成亞硝酸鹽。亞硝酸鹽值為0.005毫克/升，這個濃度很低，因為被硝化細(xì)菌再次轉(zhuǎn)化成了硝酸鹽，說明過濾系統(tǒng)里的硝化細(xì)菌足夠多，能及時處理魚缸內(nèi)所產(chǎn)生的有害垃圾。硝酸鹽很快穩(wěn)定在20毫克/升，說明大部分被芽苗菜吸收，芽苗菜生長過程中需要營養(yǎng)液，而且吸收硝酸鹽以后長得更快更好，魚缸達(dá)到了不用換水的目的。

（二）現(xiàn)有生態(tài)魚缸是否需要與芽苗菜形成共生系統(tǒng)

表2 現(xiàn)有的生態(tài)魚缸與芽苗菜分離以后水質(zhì)檢測結(jié)果（單位：mg/l）

檢測結(jié)論：氨氮含量為0.008，亞硝酸鹽含量為0.01，溶解氧為8、PH值為7.6，以上數(shù)值穩(wěn)定，水質(zhì)仍然良好。說明沒有了芽苗菜以后，魚缸中硝化細(xì)菌有所減少。因為沒有了芽苗菜根系提供的細(xì)菌。硝酸鹽迅速累積，幾天時間已經(jīng)嚴(yán)重超標(biāo)，只能用換水的方式來稀釋。這說明生態(tài)魚缸需要芽苗菜凈化硝酸鹽。

表3 水質(zhì)質(zhì)量參考標(biāo)準(zhǔn)（單位：mg/l）

六、魚菜共生系統(tǒng)同種的芽苗菜和常規(guī)水培芽苗菜對比實驗

相同條件：種子在相同條件下浸種、催芽；發(fā)芽以后平均分成兩份，播種在相同的芽苗菜中盤中，每天噴水的時間、次數(shù)、溫度、數(shù)量相同，直到芽苗菜的根系比較發(fā)達(dá)為止。

不同條件：兩盤根系已經(jīng)比較發(fā)達(dá)芽苗菜，一盤仍然按照常規(guī)的種植方法；用室溫的水一天更換一次種植盆內(nèi)的水。另外一盤放到魚菜共生系統(tǒng)用循環(huán)水澆灌。

記錄方法：每天拍照、做筆記記錄芽苗菜的生長情況。(略)