“學(xué)科融合”理念下的中草藥種植項目的設(shè)計和實施

摘要：溫州科技高級中學(xué)的中草藥種植項目涵蓋了生物學(xué)、農(nóng)學(xué)、化學(xué)、工程學(xué)等多個學(xué)科，通過系列項目式課程的設(shè)計與實施，學(xué)生在學(xué)習(xí)中草藥知識的同時，培養(yǎng)了問題解決能力、團隊合作能力、批判性思維和創(chuàng)造力。此外，項目還包括智能灌溉系統(tǒng)的搭建和智慧種植園平臺的構(gòu)建，實現(xiàn)了對中草藥生長環(huán)境的智能監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析。學(xué)生在種植過程中需要解決大量的真實問題，從而培養(yǎng)了科創(chuàng)能力。

關(guān)鍵詞：中草藥種植；校本課程；學(xué)科融合；傳統(tǒng)文化

中圖分類號：G434" 文獻標識碼：A" 論文編號：1674-2117（2024）08-0052-04

引言：中草藥種植項目的源起

筆者所在學(xué)校擁有樓頂種植園和濱河種植園兩塊種植園區(qū)，建設(shè)了微生物與組培實驗室、數(shù)字化探究生物實驗室等現(xiàn)代化實驗室，未來科創(chuàng)中心擁有3D打印機、激光切割機以及各類傳感器和開源硬件。

在規(guī)劃種植園時，學(xué)校選擇了“中草藥”作為核心內(nèi)容。因為中草藥種植項目可以將高中各學(xué)科知識有機融合，并可以融入人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的問題解決和團隊合作能力、批判性思維和創(chuàng)造性思維、實踐能力以及評估和反思能力。此外，學(xué)校的實驗室為學(xué)生開展中草藥探究活動提供了必備條件，而未來科創(chuàng)中心為中草藥種植園的“智能化”提供了軟硬件條件。

理念：多學(xué)科的深度融合

在中草藥種植項目中，學(xué)科融合涉及生物學(xué)、農(nóng)學(xué)、化學(xué)、工程學(xué)等多個學(xué)科的交叉合作。通過融合不同學(xué)科的專業(yè)知識，學(xué)生可以更全面地了解中草藥的生長環(huán)境、土壤營養(yǎng)需求及其應(yīng)用（藥用成分的合成機制等），為中草藥的優(yōu)化種植提供科學(xué)依據(jù)。

在中草藥種植項目中，筆者在解決問題過程中融入學(xué)科知識。例如，通過中草藥的種類選擇、生長環(huán)境設(shè)計、藥用價值分析等活動，了解化學(xué)、生物和地理知識；通過開展中草藥制作活動，如制作草藥茶、香包等，結(jié)合化學(xué)知識和藝術(shù)創(chuàng)作，提高學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)造力；通過介紹中草藥在中國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)和文化中的地位，融入語文、歷史的知識；通過繪制中草藥說明書和宣傳海報，融入美術(shù)、音樂等課程的知識；通過自主搭建和維護智能灌溉系統(tǒng)，融入信息技術(shù)和通用技術(shù)的知識等。

不僅如此，筆者還結(jié)合大語言模型、Suno等AIGC工具，讓學(xué)生創(chuàng)作各種以中草藥為主題的作品，如中草藥插畫、中草藥詩歌、中草藥主題歌曲等。

基礎(chǔ)：“科高種植園”的建設(shè)

1.“科高種植園”的地理位置選擇

“科高種植園”由樓頂種植園和濱河種植園兩部分組成（如圖1）。樓頂種植園位于教學(xué)樓樓頂，是一個空中花園（植物的種植有助于樓頂?shù)母魺幔粸I河種植園是一片廣闊的沿河種植帶，位于學(xué)校南側(cè)，光照充足，土壤肥沃。

2.智能灌溉系統(tǒng)的自主搭建

學(xué)校的未來科創(chuàng)中心建設(shè)了開源硬件實驗室、智能制造實驗室、人工智能實驗室、工程與技術(shù)實驗室等多個專業(yè)實驗室，購買了開源硬件和各類傳感器，還有各種加工工具，為打造中草藥種植園的智能化（智能灌溉系統(tǒng)）提供了硬件條件。

筆者參考開源項目“Sfarm”來搭建智能灌溉系統(tǒng)。系統(tǒng)選用行空板作為核心控制器，結(jié)合RS485土壤傳感器、I2C溫濕度傳感器、I2C CO2傳感器、I2C環(huán)境光傳感器等，采集不同節(jié)點的土壤養(yǎng)分，包括溫濕度、PH和氮磷鉀數(shù)據(jù)，同時采集空氣二氧化碳、溫濕度、環(huán)境光等的數(shù)據(jù)，并配備了USB攝像頭連接行空板，對作物的成長過程進行拍攝。各個節(jié)點的行空板和拿鐵熊貓都在同一個局域網(wǎng)下，行空板通過無線WIFI將數(shù)據(jù)上傳至Lattepanda的本地服務(wù)器。

在這個智能灌溉系統(tǒng)中（如圖2），每一個行空板都是一個終端節(jié)點。除了連接氣象站（云雀氣象儀）的行空板僅用于采集天氣數(shù)據(jù)外，其他行空板既要采集數(shù)據(jù)（攝像頭和傳感器），又要控制灌溉設(shè)備。因為數(shù)據(jù)傳輸都是借助MQTT消息，所以增加和刪除終端節(jié)點都非常方便。每一個終端節(jié)點的設(shè)備都用防水盒做好保護，放置在陰涼處。

這套智能灌溉系統(tǒng)的硬件清單如下：土壤氮磷鉀傳感器×5、拿鐵熊貓×1、行空板×6、二氧化碳傳感器SEN0536×3、環(huán)境光傳感器SEN0540×3、云雀氣象儀×1、水肥一體化設(shè)備×1、485轉(zhuǎn)UART模塊DFR0845×5、溫濕度傳感器SEN0334×1、Unihiker擴展板MBT0008×6、Power Adapter FIT0639×6、SCIx6、WIFI監(jiān)控攝像頭×1、攝像頭×5、路由器×1、防水箱體×6、電源轉(zhuǎn)接模塊×6。

實施：中草藥種植的系列校本課程設(shè)計

基于學(xué)科融合理念，學(xué)校利用種植園實踐基地，組織了不同學(xué)科的教師開設(shè)相關(guān)的項目式選修課程。這些課程結(jié)合具體的項目，在實施過程中不斷迭代。目前第一期的系列課程項目如圖3所示。

1.語文和歷史方向

項目名稱：中草藥尋根。

項目目標：通過互聯(lián)網(wǎng)、大語言模型探究中藥的起源、分類，中藥典籍，相關(guān)成語及故事，中藥功效及方劑等，完成中草藥研究學(xué)習(xí)單，從中了解中藥博大精深的內(nèi)涵，感受中藥的文化魅力，傳承中藥的寶貴財富。

2.地理和物理方向

項目名稱：科高種植園的規(guī)劃與分析。

項目目標：通過無人機航拍獲取種植園的地形，利用所學(xué)地理知識分析學(xué)校所在地區(qū)的氣候條件、地形條件、基礎(chǔ)設(shè)施等，比較樓頂種植園和濱河種植園的特點，基于學(xué)校特點選擇三到四種中草藥進行種植，并確定種植間距，最終完成科高種植園的規(guī)劃和分析。

3.生物和化學(xué)方向

項目名稱：中草藥抑菌效果對比探究實驗。

項目目標：通過探究實驗來驗證中草藥的抑菌效果，通過水蒸氣蒸餾法、水煎煮法獲得黃芪和板藍根的提取液，掌握紙片擴散法進行抑菌實驗探究，驗證黃芪和板藍根對大腸桿菌的抑制效果。

4.化學(xué)和信息技術(shù)（物聯(lián)網(wǎng)）方向

項目名稱：基于智能系統(tǒng)的肥料對比實驗。

項目目標：了解化肥的種類，了解各類化肥的作用，學(xué)會根據(jù)物理和化學(xué)性質(zhì)初步鑒別幾種常見化肥的方法，知道化肥、農(nóng)藥對環(huán)境的影響，通過分析作物特點以及種植園土壤選擇合適的化肥，通過智慧種植園平臺分析土壤條件的變化，自主調(diào)節(jié)化肥釋放的強度，實現(xiàn)肥料的精準釋放。

5.物理和化學(xué)方向

項目名稱：制作精油香囊。

項目目標：掌握精油提取的工藝流程，利用提取的精油制作精油香囊，從桂花樹上采集桂花，通過蒸餾法獲得桂花精油，利用桂花精油制作香囊。

6.物理、化學(xué)和生物方向

項目名稱：自制護手霜。

項目目標：了解乳劑相關(guān)知識，利用乳化劑、橄欖油、甘油、提取的桂花精油制作護手霜。

7.信息技術(shù)（人工智能）和生物方向

項目名稱：中草藥識別助手的開發(fā)。

項目目標：通過形色、識花君等APP了解各種中草藥的種植特征，收集選用的中草藥數(shù)據(jù)圖片，并進行數(shù)據(jù)的預(yù)處理；使用BaseML提取圖片的HOG特征，通過XEdu進行數(shù)據(jù)集的訓(xùn)練，并將訓(xùn)練好的AI模型部署到行空板，完成科高中草藥識別助手的搭建。

8.信息技術(shù)（人工智能、物聯(lián)網(wǎng)）和物理方向

項目名稱：讓種植園具有智慧。

項目目標：掌握傳感器聯(lián)網(wǎng)的方式，了解物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)，制訂智能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備方案，選擇合適的設(shè)備實現(xiàn)實時顯示藥材生長狀況，檢測環(huán)境溫濕度、光照強度、土壤PH值等，并將相應(yīng)數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析傳送至服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫，掌握各類傳感器、控制器的功能，將各類傳感器（溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器、光敏傳感器、土壤傳感器）、攝像頭部署到拿鐵熊貓和行空板上，完成氣象站、水肥一體化設(shè)備的部署，對農(nóng)場環(huán)境進行監(jiān)測。

9.信息技術(shù)（物聯(lián)網(wǎng)、人工智能）和數(shù)學(xué)方向

項目名稱：智慧種植園平臺搭建與決策。

項目目標：利用已有的開源源碼部署校園中草藥信息平臺，對傳感器的數(shù)據(jù)進行實時采集與記錄上傳，實現(xiàn)實時監(jiān)控，查看中藥材的生長情況與環(huán)境數(shù)據(jù)，對獲取的數(shù)據(jù)進行智能分析，控制水肥一體化設(shè)備自動做出灌溉和施肥決策，實現(xiàn)中草藥種植環(huán)境的自動調(diào)控。

10.美術(shù)、音樂和信息技術(shù)（人工智能）方向

開設(shè)項目：AIGC初體驗。

項目目標：了解AIGC概念，學(xué)會文生文、文生圖、圖生圖等提示詞描述，通過各類生成式工具創(chuàng)作與中草藥相關(guān)的圖片、音頻視頻等，設(shè)計與中草藥相關(guān)的作品。

反思：中草藥種植項目的后續(xù)發(fā)展

通過中草藥種植項目的實施，學(xué)生將課本中學(xué)到的知識用于實踐，在真實情境中解決問題，實現(xiàn)項目和基礎(chǔ)教育課程無縫銜接。因為植物的生長需要時間，部分項目目前還處于設(shè)想階段，并沒有真正開展。后續(xù)，筆者將繼續(xù)完善智能灌溉系統(tǒng)平臺，不僅要將前沿的技術(shù)運用到種植園實踐基地中，讓項目真正落地，更要讓課程落地，用學(xué)科融合的方式培養(yǎng)新時代的人才。

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基金項目：①國家自然科學(xué)基金科技活動專項項目“基于產(chǎn)教融合理念的智能種養(yǎng)農(nóng)工交叉科普平臺開發(fā)與推廣”（項目編號：52242705）；②湖南省首屆基礎(chǔ)教育教學(xué)改革研究項目“面向家校社協(xié)同育人‘智能種植’跨學(xué)科學(xué)習(xí)課程開發(fā)與實施研究”（項目編號：Y20230099）；③長沙市教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃課題“基于家校社聯(lián)動的中學(xué)勞動實踐活動實施路徑研究”（項目編號：CJKZH202210）；④上海市“科技創(chuàng)新行動計劃”農(nóng)業(yè)科技領(lǐng)域項目“模塊化高能效智能垂直農(nóng)場關(guān)鍵系統(tǒng)研發(fā)集成及產(chǎn)業(yè)化推廣”（項目編號：23N21900200）。