跨學(xué)科實(shí)踐能力的培養(yǎng)
——以無土栽培裝置制作為例

張艷萍 李金耿

(山東省淄博張店區(qū)建橋中學(xué) 山東淄博 255000)

“植物的生活”是《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2022 年版)》中第四個(gè)學(xué)習(xí)主題。 “栽培一種常見植物,觀察其生長發(fā)育全過程”以及“運(yùn)用無土栽培技術(shù)栽培一種植物”是學(xué)習(xí)活動(dòng)建議中的重要內(nèi)容。 教師以栽培一種植物作為單元課題,學(xué)生通過設(shè)計(jì)制作無土栽培裝置,親歷種子萌發(fā)、生長、開花、結(jié)果等過程,建構(gòu)綠色植物生命周期的概念,學(xué)生還可以通過該過程進(jìn)一步探究光合作用、呼吸作用、蒸騰作用等生理活動(dòng)。 教師通過引導(dǎo)學(xué)生利用身邊的材料設(shè)計(jì)制作無土栽培裝置,提升學(xué)生的跨學(xué)科實(shí)踐能力,激發(fā)學(xué)生的探索熱情。 下面介紹三種簡易的無土栽培裝置,以期為師生的設(shè)計(jì)制作提供參考。

1 無土栽培裝置的制作

1.1 抽水泵式無土栽培裝置

學(xué)生以油桶和礦泉水瓶作為主要材料,以土壤浸出液作為培養(yǎng)液,通過加裝小型抽水泵實(shí)現(xiàn)水循環(huán),為植物根部提供營養(yǎng)及氧氣(圖1)。 第一代實(shí)驗(yàn)裝置組裝后如圖2 所示。

圖1 抽水泵無土栽培裝置設(shè)計(jì)圖

圖2 第一代抽水泵無土栽培裝置整體外觀圖

第一代裝置整體通電試用后發(fā)現(xiàn)以下幾個(gè)問題:

① 小水泵長時(shí)間運(yùn)行存在過熱現(xiàn)象,嚴(yán)重時(shí)會燒毀電機(jī);② 夏天的陽光下,培養(yǎng)液溫度過高,對植物根系產(chǎn)生危害;③ 陽光下水中易產(chǎn)生藻類植物,一些絲狀藻類增多,堵塞水管。 為了解決以上問題,師生對裝置進(jìn)行了改進(jìn):① 增加循環(huán)定時(shí)器,使水泵間歇運(yùn)行,并在防水罩下方增加透氣孔,解決散熱問題;② 改進(jìn)循環(huán)水裝置(圖3),利用洗衣液筒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)加裝過濾棉,使回水管的水流先過濾再循環(huán);③ 油桶外加裝遮光隔熱裝置(圖4),有效減少藻類植物,防止陽光強(qiáng)烈時(shí)水溫過高傷害植物根系。 經(jīng)過改進(jìn)后,整體裝置能實(shí)現(xiàn)較長時(shí)間自主運(yùn)行,只需每隔10 天左右加裝一次培養(yǎng)液即可,植物長勢良好。 該裝置的優(yōu)點(diǎn)是可擴(kuò)展性強(qiáng),可以通過增加油桶數(shù)量增加種植面積。 同時(shí),油桶體積大,可以容納較大的根系,培養(yǎng)植物種類多。

圖3 改進(jìn)后的循環(huán)水裝置

圖4 改進(jìn)后抽水泵的外觀圖

1.2 循環(huán)水泵無土栽培裝置

抽水泵價(jià)格低、噪音小,使用5 V 電源,安全性高,但也存在散熱性差的缺點(diǎn)。 而用于魚缸、小型魚池的循環(huán)水泵在水中運(yùn)行,不存在過熱問題。 因此學(xué)生以循環(huán)水泵、流轉(zhuǎn)箱為主要材料,設(shè)計(jì)了第二種無土栽培裝置(圖5)。 該裝置用于培養(yǎng)剛萌發(fā)的幼苗或扦插枝條時(shí),可直接在泡沫板上開孔栽種,用于培養(yǎng)較大的植物時(shí)可在定植杯中加裝陶瓷顆粒,鑲嵌于泡沫板上,以固定植物體。

該裝置結(jié)構(gòu)簡單(圖6),并且周轉(zhuǎn)箱型號全,可根據(jù)空間大小自由選擇購買。 固定植物的載體為EPE 發(fā)泡板,環(huán)保且能漂浮在水面,使根系始終接觸培養(yǎng)液。 結(jié)合定時(shí)控制裝置,可較長時(shí)間自主運(yùn)行。

圖6 循環(huán)水泵無土栽培裝置整體外觀圖

1.3 氣泵無土栽培裝置

植物根系從土壤中獲取水分和無機(jī)鹽,同時(shí)需要氧氣以維持正常呼吸。 前兩個(gè)裝置主要通過水循環(huán)的方式為根系提供氧氣。 第三種為氣泵無土栽培裝置(圖7),根據(jù)向培養(yǎng)液中直接充氣的原理設(shè)計(jì)。

圖7 氣泵無土栽培裝置設(shè)計(jì)圖

學(xué)生制作時(shí),選擇一個(gè)廢棄的冰箱冷凍室的盒子作為主要容器,并在小氣泵的外面加裝防雨罩,以方便室外使用。 該裝置(圖8)結(jié)構(gòu)簡單,安全可靠,產(chǎn)生的氣體量也能滿足植物根系的需要,缺點(diǎn)是噪聲相對較大。 考慮到光下藻類植物滋生等問題,制作時(shí)可以在盒子外加裝隔熱擋光。

圖8 體氣泵無土栽培裝置整外觀圖

2 裝置制作及使用要點(diǎn)

2.1 培養(yǎng)液的配置

植物根系需要的無機(jī)鹽種類繁多,人工配制培養(yǎng)液涉及到非常精細(xì)的量取問題,初中學(xué)生不易掌握。教師可以建議學(xué)生采用以下兩種方法制作培養(yǎng)液:① 獲取土壤浸出液,按土壤和水大約1 ∶20 的比例配制,充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?靜置24 小時(shí),取上清液并過濾。 ② 購買無土栽培濃縮培養(yǎng)液,按照說明書的比例配制為營養(yǎng)液。 無論學(xué)生選擇哪種方法配制營養(yǎng)液,都應(yīng)該在植株生長中期適當(dāng)添加復(fù)合肥,以使植株更健壯。

2.2 幼苗的培養(yǎng)

本單元課題是培養(yǎng)一株植物,若學(xué)生運(yùn)用無土栽培技術(shù)從種子開始培養(yǎng),則需要掌握育苗技術(shù)。 教師制作了兩款簡易的育苗裝置(圖9),在不銹鋼濾網(wǎng)中鋪上兩層紗布,把種子均勻放于紗布上,在水盆中倒置幾個(gè)瓷盤,將不銹鋼濾網(wǎng)置于瓷盤上方。 學(xué)生使用時(shí)需要沿盆邊沿緩緩注入清水,使清水剛浸濕種子,并將裝置放于適宜的溫度下。 學(xué)生也可以在塑料網(wǎng)上方鋪上紗布,并將種子放于紗布上。 與先在土壤中育苗再移入培養(yǎng)液相比,這種育苗方式在移栽時(shí)對根系的破壞小,移栽后成活率高。

圖9 兩種簡易育苗裝置

2.3 植株日常管理

將幼苗移栽到無土栽培裝置后,學(xué)生應(yīng)適當(dāng)給植株遮陰或?qū)⒀b置擺放于陽光較弱的地方,以利于緩苗。 學(xué)生需定期檢查植物根系生長情況,如遇到爛根等現(xiàn)象需及時(shí)清除并分析原因,關(guān)注植物病蟲害感染問題,并采取相應(yīng)措施。 在植物的開花階段,必要時(shí)進(jìn)行人工授粉。 此外,學(xué)生需要及時(shí)觀察、測量植物生長情況,設(shè)計(jì)表格進(jìn)行記錄。

3 創(chuàng)新點(diǎn)及反思

3.1 原理簡單,動(dòng)手難度較低,培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科實(shí)踐能力

跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)中,教師引導(dǎo)學(xué)生基于真實(shí)的實(shí)踐任務(wù),綜合運(yùn)用多學(xué)科的知識和方法,通過小組合作、探究和實(shí)踐等方式實(shí)施,形成物化的學(xué)習(xí)產(chǎn)品和學(xué)習(xí)成果,提高解決實(shí)際問題的能力。 無土栽培裝置的設(shè)計(jì)與制作是培養(yǎng)和觀察植物的前提,本項(xiàng)目中教師提供的三種方案均利用學(xué)生身邊常見的材料制作,可行性高。 同時(shí),裝置設(shè)計(jì)采用5 V 電源供電,安全性高。 三種裝置變通性強(qiáng),可利用多種容器制作完成,利于小組或個(gè)人完成。 學(xué)生在制作過程中充分利用多學(xué)科知識,形成物化的產(chǎn)品,并且通過產(chǎn)品維護(hù),提升其運(yùn)行時(shí)間等過程,提升綜合實(shí)踐能力。

3.2 貼近生產(chǎn)實(shí)際,借助植物培養(yǎng)對學(xué)生進(jìn)行勞動(dòng)教育

跨學(xué)科實(shí)踐是新課標(biāo)中倡導(dǎo)的重要內(nèi)容,教師應(yīng)當(dāng)首先邁出跨學(xué)科實(shí)踐的第一步,通過形成物化的產(chǎn)品,使學(xué)生認(rèn)識到跨學(xué)科實(shí)踐不是虛無縹緲的,而是與生活生產(chǎn)息息相關(guān)的。 現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的高速發(fā)展使許多新型的產(chǎn)品和技術(shù)得以應(yīng)用,極大提高了生產(chǎn)效率。 教師的教和學(xué)生的學(xué)也應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn),關(guān)注最新科技成果,關(guān)注農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際,奠定學(xué)生熱愛科學(xué)的基礎(chǔ)。 學(xué)生通過無土栽培裝置培養(yǎng)一種或幾種植物,親身參與實(shí)踐,了解植物生長所需要的條件及生長的變化。 教師通過引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行微觀的農(nóng)業(yè)生產(chǎn),在教學(xué)中融入勞動(dòng)教育。