智能種植科普與綜合實踐平臺設計

胡岳 王自珍 袁偉 胡孟

摘要：本文基于“乾坤板”，設計了一套智能種植綜合實踐平臺。平臺以芽苗菜種植為場景，可根據種植溫濕度、光照等環境狀態傳感和補光、水肥調控等功能需求，進行編程試驗。所開發平臺通過工程創新培訓、綜合實踐活動、科普講座等形式在大學和中小學進行推廣，通過在家庭與宿舍陽臺種植的實際應用，推動了綜合實踐活動課程的家校社聯動。

關鍵詞：智能種植；綜合實踐；創新教育；科普平臺；產教融合

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2024）02-0074-04

引言

作為上海交大未來電網科普教育基地負責人，基于近幾年的科普經歷，筆者認識到當前高校在基于科普活動進行創新人才培養方面還存在一些不足，具體包括：因科研與教學非緊密銜接的現狀，科普活動對教育資源的利用并不充分；因教材更新與技術發展之間的速度差，教學與生產實踐脫節嚴重，產教融合不充分；因升學壓力，中小學創新活動呈現低年級活躍高年級基本停滯的特點，并且中小學創新實踐活動也主要圍繞升學開展，與大學面向產業需求的創新教育無法直接貫通，脫節比較厲害。

針對上述問題，結合上海交通大學未來電網電力科普教育基地“面向創新人才培養”的科普特色，筆者選取“智能種植”項目為內容載體，面向科普和創新人才培養，進行了智能種植綜合實踐平臺的開發。該平臺設計以“乾坤板”為基礎[1]，以產教融合為設計理念，旨在通過平臺的開發設計活動與綜合實踐應用互動的貫通，銜接大學與中小學創新教育。同時，在中小學階段，通過家庭陽臺種植方式，引導家長參與核心實踐活動，形成學校、家庭、社會聯動生態。

智能種植實踐平臺設計開發

經過前期科研項目和中小學綜合實踐活動課程實際需求的調研，筆者認為，采取項目式教學模式開展綜合實踐活動比較合適，實踐場景和內容需要有一定的趣味性、實用性和技術性，并且具有開放性、啟發性和引領性。據此，筆者選擇以芽苗菜為主的微型智能種植為具體實踐內容，進行了種植設備的框架設計和實踐內容的規劃。

芽苗菜種植包含了智能種植的大部分要素，可學習實踐植物生長的過程，同時，芽苗菜種植周期短，大約一周左右就可以收獲實踐成果，并且作為一個產業，芽苗菜工廠化生產也是行業發展的趨勢。整體設計既具有操作性，又與實際生產結合。如下頁圖1所示，通過對生物學、信息科技和勞動實踐課程大綱的融合需求分析，確定家庭芽苗菜智能種植系統的調控需求，進而選定智能硬件，搭建芽苗菜智能種植系統（基礎版），可用于課堂教學和陽臺種植實踐（家庭與宿舍）。同時，希望在基礎版系統實踐基礎上，能夠激發部分學生的創新思維，使他們可以基于前期實踐對種植知識和智慧農業深入了解，進一步搭建出滿足真實場景需求的智能種植系統。

圖2展示了當前設計的一套芽苗菜智能種植系統（基礎版）和一套陽臺智能種植拓展系統。基礎版包含光敏、溫濕度、水位、傳感器，霧噴水泵、植物補光燈（加熱器為可選項）等執行器，水箱、種植盤等組件可放置于避光收納箱中，系統可通過乾坤板編程。根據不同品種芽苗菜生長需求，自動進行光溫水肥氣的調控，當接入本地WIFI后，可實現遠程監控功能。整套系統由充電寶5V供電，可在課堂、家庭和宿舍多場景使用。陽臺智能種植拓展系統基本結構、傳感控制硬件與基礎版種植系統相同，為進一步適應家庭陽臺智能種植需求，重新選擇了種植容器，其底部是一個長方形種植盆，種植盆上方為一塊垂直綠化植物種植袋掛墻，并將霧噴改為滴灌。系統成本不高，簡單實用，且完全滿足智能控制的需求。

創新教育課程體系構建

課程以培養學生核心素養為目標，圍繞農業種植、信息技術、勞動實踐等方面設計科普和工程創新實踐活動，并與中小學校園植物角和家庭陽臺的智能種植勞動、科技下鄉活動結合，形成以真實產業場景為課程體系設計背景，家-校-社-基地聯動的科普與創新人才培養模式。

如圖3所示，課程開發以智能種植為主題，以當前智慧農業中設施農業為設計背景，以植物工廠為具體參考模型，從使用對象和使用場景兩個維度，面向大學、中小學不同階段的使用對象和學校課程、社會科普及實踐活動不同使用場景進行設計。

大學生在學習智能種植系統（基礎版）的基礎上，主要進行基于基礎版的智能種植應用案例開發（工科創1）和新的創新應用系統開發，重點包括乾坤板嵌入式硬件系統中應用坤板的硬件開發以及所開發應用坤板的圖形化編程環境的開發，如示范應用程序開發、固件開發等。同時，以智能種植系統的推廣應用為主要方式，開展科普資源開發、科普教師志愿者、社會實踐和陽臺種植等實踐活動。在整個課程體系中，大學生主要參與課程開發，參與創造性實踐活動，通過系統開發與科普授課，為中小學服務。這樣既從形式上銜接了大學與中小學創新教育，也在內容上通過智能種植系統在中小學的應用，提前在中小學奠定了嵌入式系統硬件和編程語言基礎，使得嵌入式系統課程在中小學與大學得以銜接。

中學則以學生核心素養和綜合素質培養為目標，融合多學科內容，進行綜合實踐活動校本課程的開發。綜合實踐活動與生物學（自然）、信息科技等課程融合，學生在信息科技硬件編程體驗練習基礎上，根據自身條件開展智能種植綜合實踐活動，其中包括學生家庭陽臺種植、學校植物角種植、校園綠化養護、方艙型植物工廠種植等。

小學則以科普感受為主，重在興趣培養，有興趣班基礎的高年級小學生，可開展智能種植圖形化編程體驗課。課程對課堂教學課程、綜合實踐和科普推廣活動進行整體設計，由小學到大學，循序漸進，遵循由培養興趣、引導志趣到形成志向的螺旋上升規律，形成大中小學銜接的創新教育體系。

智能種植系統應用與課程實踐

自2019年開發乾坤板以來，開發組選擇合適的場景進行了推廣應用，前期以小學微課堂形式進行了智能種植相關內容的講座。

在產教融合方面，開發組基于某公司的垂直農業科研項目，合作開展了模塊化智能種植教具系統和課程內容的開發。2023年，為上海市多所學校的學生進行了智能種植的知識講解和植物工廠補光系統等關鍵設備的拆解展示，并進行了播種和移栽勞動實踐。

在系統應用與課程開發方面，開發組與長沙市某中學組建了多學科融合的課程設計小組，在教學樓樓頂建設了植物角，包含多種種植模式，并在初一開展智能種植基礎課堂教學與家長參與的體驗式實踐活動，初二以興趣班的形式開設以智能種植為主題的綜合實踐活動校本課程。經過近一年的探索，初步形成了生物基礎課程4課時、學校信息技術應用基礎課程4課時、基地參觀體驗實踐課程4課時、家庭種植應用實踐課程4課時的課程體系。

另外，開發組在上海交通大學創新教育課程、勞動實踐及科普基地傳播方面積極進行推廣。在大中學銜接培養方面，基于乾坤板的智能種植作為2023年“學森挑戰計劃”暑期挑戰營的模塊內容之一，為中學生提供了創新實踐機會。[2]同時，開發組以大學創新教育者的身份參加了中國中小學STEAM教育大會，推廣微型智能種植系統在勞動教育中的應用，通過組建教師共同體，為滿足中小學創新教育和綜合實踐活動需要的系統開發與課程模塊開發夯實隊伍基礎。在本科創新教育方面，智能種植已列入電子信息與電氣工程學院工程創新課程1的拓展模塊，同時，陽臺智能種植項目已經與筆者所在學校團委等相關部門討論，后續將以學校勞動教育形式進行推廣。

智能種植系統開發推廣展望

基于智能種植平臺的綜合實踐活動課程與創新教育初步實現了迭代開發與實踐應用循環、大學與中學銜接、家庭-學校-社會聯動的格局，但是在實際開發應用過程中還存在很多有待解決的問題。

首先，基于智能種植的綜合實踐活動課程大面積推廣存在現實的困難。雖然核心素養和創新教育已經受到中小學的高度重視，但是在升學壓力下，學校難以拿出連續足夠的課時來給學生提供訓練和實踐機會，需要將整個實踐活動拆分融入到不同課程中分階段實施。同時，為了吸引更多的學生對以智能種植為內容載體的創新實踐產生興趣，并通過分階段的實踐逐步形成志趣，需要在智能種植平臺設計時考慮更多的場景，最好一套系統具備觀察、應用和開發等各種實踐場景，照顧到不同階段、不同層次的需求，因此，按照模塊化構建思路對系統進行進一步開發很有必要。

其次，如果智能種植平臺要在中小學應用并得到普遍接受，一支經驗豐富的課程開發隊伍必不可少，除了依托大學生工程實踐課程進行軟硬件開發外，最重要的是了解實際需求，有豐富教學經驗的中小學一線教師的加入。以教師共同體的形式擴展開發隊伍，在興趣愛好與情懷基礎上，建立長久機制調動教師共同體成員的積極性是推廣應用的關鍵。同時，智能種植系統中人工智能元素的持續引入也很重要。種植是內容基礎，智能是技術手段，產教融合的開發理念決定了智能種植系統的開發必須緊跟產業需求和技術發展的步伐。

參考文獻：

[1]胡岳，謝作如.讓校園創意和產品開發“無縫”聯接——談乾坤板的設計[J].中國信息技術教育，2021（15）：5-7.

[2]宿舍陽臺智慧種菜，電工學堂手腦并用——上海交大開辟創造性勞動大課堂[N].勞動報，2023-3-19.

基金項目：①國家自然科學基金科技活動專項項目“基于產教融合理念的智能種養農工交叉科普平臺開發與推廣”（項目編號：52242705）；②湖南省首屆基礎教育教學改革研究項目“面向家校社協同育人‘智能種植’跨學科學習課程開發與實施研究”（項目編號：Y20230099）；③長沙市教育科學“十四五”規劃課題“基于家校社聯動的中學勞動實踐活動實施路徑研究”（項目編號：CJKZH202210）；④上海市“科技創新行動計劃”農業科技領域項目“模塊化高能效智能垂直農場關鍵系統研發集成及產業化推廣”（項目編號：23N21900200）。