智能農(nóng)植園模型的設(shè)計(jì)與制作

楊超博 范向花 閆俊 王萍

項(xiàng)目目標(biāo)

培養(yǎng)學(xué)生對農(nóng)業(yè)的興趣及投身鄉(xiāng)村振興的主動(dòng)性， 將現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與科學(xué)結(jié)合，通過系列傳感器、數(shù)據(jù)采集器、相關(guān)軟件培養(yǎng)小學(xué)生的科學(xué)探究能力，引導(dǎo)學(xué)生打破學(xué)科界限，嘗試運(yùn)用綜合思維，從不同學(xué)科的“跨界合作”中全面、整體地認(rèn)識(shí)事物，鼓勵(lì)學(xué)生化身為21 世紀(jì)新農(nóng)民，設(shè)計(jì)搭建智能農(nóng)植園，體會(huì)信息科技的魅力，使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)更具“智慧”。

項(xiàng)目簡介

項(xiàng)目以“設(shè)計(jì)與制作智能農(nóng)植園”為主題，綜合利用地域優(yōu)勢及吉林省科技館“現(xiàn)代農(nóng)業(yè)”和“現(xiàn)代信息技術(shù)”展廳的教學(xué)資源，對接《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022 年版）》中“工程設(shè)計(jì)與物化”學(xué)科核心概念和“結(jié)構(gòu)與功能”跨學(xué)科概念，采用STEM 教學(xué)理念，基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)、情境教學(xué)等教學(xué)方法，通過展廳參觀、模型制作、發(fā)布展示會(huì)等多種活動(dòng)形式，探索新型智能農(nóng)業(yè)形式，將科學(xué)知識(shí)與科學(xué)方法更好地融合，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)

項(xiàng)目開始前，引導(dǎo)學(xué)生閱讀現(xiàn)代農(nóng)業(yè)新聞資訊，了解國內(nèi)外智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，指導(dǎo)學(xué)生通過問卷調(diào)查、訪問等多種形式調(diào)研身邊人對智慧農(nóng)業(yè)的了解，激發(fā)學(xué)生對智慧農(nóng)業(yè)的興趣。此外，利用地域優(yōu)勢組織學(xué)生參觀吉林省農(nóng)科院、農(nóng)博園，感受智慧農(nóng)業(yè)的重要性。通過參觀吉林省科技館現(xiàn)代農(nóng)業(yè)展廳和現(xiàn)代信息技術(shù)展廳，讓學(xué)生了解現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)和各種傳感器的特點(diǎn)與功能，為搭建設(shè)計(jì)智能農(nóng)植園模型作鋪墊。

項(xiàng)目材料

PVC 板、PVC 管、PVC 管接頭、電烙鐵、美工刀、記號(hào)筆、小燈泡、燈帶、單刀雙擲開關(guān)、螺絲釘、螺絲刀、土壤、植物幼苗、電源適配器、電工膠布、各類傳感器和電子元件等。在項(xiàng)目實(shí)施過程中，教師需提前向?qū)W生展示相關(guān)工具的使用方法。

項(xiàng)目實(shí)施

創(chuàng)設(shè)情景，引出項(xiàng)目主題

通過播放國內(nèi)外最新智能苗圃前沿資訊，激發(fā)學(xué)生對農(nóng)業(yè)發(fā)展的興趣和探究欲望，鼓勵(lì)學(xué)生自主收集資料并主動(dòng)調(diào)研，學(xué)習(xí)了解智能苗圃內(nèi)的濕度、溫度、LED 燈光強(qiáng)度配比，以及植物所需的營養(yǎng)配比和最佳晝夜周期等，均能通過中央控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控，學(xué)習(xí)了解環(huán)境檢測系統(tǒng)、智能監(jiān)控系統(tǒng)、智能灌溉系統(tǒng)等智能化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。

確定問題，共建概念圖

確定活動(dòng)任務(wù)，即：建造一個(gè)規(guī)定長、寬、高的智能農(nóng)植園模型，使該模型能夠?qū)崿F(xiàn)智能光控、智能溫控、智能灌溉，能為植物提供適宜的生存環(huán)境。在明確項(xiàng)目任務(wù)后，通過構(gòu)建概念圖，使學(xué)生對智能農(nóng)植園模型的設(shè)計(jì)和搭建具備整體的認(rèn)識(shí)和規(guī)劃。

任務(wù)１.設(shè)計(jì)智能農(nóng)植園模型

活動(dòng)１. 了解掌握植物生長的必要條件

通過還原科學(xué)家海爾蒙特、英國化學(xué)家普利斯特、德國科學(xué)家薩克斯等的經(jīng)典科學(xué)實(shí)驗(yàn)，了解植物生長的必要條件：適度陽光、空氣和適量水分，以及植物生長必需的溫度和養(yǎng)料。

活動(dòng)２. 確定智能農(nóng)植園的“居民”，了解它們的習(xí)性

引導(dǎo)學(xué)生自主選擇農(nóng)植園“居民”，讓學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)；通過搜集、查閱資料，提高學(xué)生的自學(xué)能力；組織學(xué)生小組交流討論智能農(nóng)植園需具備的功能，確定智能農(nóng)植園模型的組成部分。

活動(dòng)３. 繪制智能農(nóng)植園設(shè)計(jì)圖

結(jié)合前期調(diào)研，讓學(xué)生畫出智能農(nóng)植園的內(nèi)部設(shè)計(jì)圖，并標(biāo)注栽種區(qū)、智能裝置安裝區(qū)等主要部分及尺寸和功能，通過繪制智能農(nóng)植園設(shè)計(jì)圖，將想象中的模型呈現(xiàn)在圖紙上，培養(yǎng)學(xué)生的繪圖意識(shí)，并讓學(xué)生體驗(yàn)真正的工程師必須經(jīng)歷的設(shè)計(jì)、測量等規(guī)劃統(tǒng)籌過程。

任務(wù)2. 制作智能農(nóng)植園模型

活動(dòng)１. 動(dòng)手搭建智能農(nóng)植園模型

①選擇合適的場所。選擇光照時(shí)間長的場所，特別是早上光照足的場所，如條件允許，可考慮搭建蓄水池，便于儲(chǔ)存雨水等用于灌溉。②選擇合適形狀的框架結(jié)構(gòu)。一般的框架結(jié)構(gòu)主要有拱形、三角形、長方形等形狀，根據(jù)設(shè)計(jì)選擇框架形狀，并通過查詢資料選擇合適的覆蓋材料。③設(shè)計(jì)農(nóng)植園控制系統(tǒng)。通過安裝溫度傳感器和風(fēng)扇控制溫度，其中溫度傳感器分散安裝，以便隨時(shí)觀察各個(gè)位置的溫度，風(fēng)扇安裝在角落，并伴有通風(fēng)孔；安裝土壤濕度傳感器檢測土壤濕度，以便適時(shí)給植物澆水。需要特別注意室內(nèi)的二氧化碳濃度，雖然植物的光合作用需要二氧化碳，但在相對封閉的空間內(nèi)，二氧化碳濃度太高反而不利于植物生長，因此安裝通風(fēng)系統(tǒng)非常必要。

智慧農(nóng)業(yè)是在信息技術(shù)和先進(jìn)裝備條件的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的精準(zhǔn)感知、智能控制、智慧管理，追求農(nóng)業(yè)更高的資源利用率、更高的勞動(dòng)生產(chǎn)率和更好的從業(yè)體驗(yàn)感。因此，在模型制作中除了基于設(shè)計(jì)圖稿完成模型搭建，學(xué)生還需思考如何使智能苗圃更加節(jié)能、如何進(jìn)行智能灌溉、如何自動(dòng)調(diào)節(jié)溫濕度、如何調(diào)整晝夜周期、如何降低育苗成本、如何縮短育苗時(shí)間等問題，培養(yǎng)基于證據(jù)改進(jìn)實(shí)物模型的設(shè)計(jì)與制作能力。

活動(dòng)２. 測試與優(yōu)化智能農(nóng)植園模型

首先，觀摩其他小組的模型， 反思本小組的模型是否有可以改進(jìn)的地方，小組討論后進(jìn)行修改。然后，檢測智能農(nóng)植園模型的結(jié)構(gòu)和各項(xiàng)系統(tǒng)是否安裝到位。通過工程項(xiàng)目書的撰寫，幫助學(xué)生梳理總結(jié)設(shè)計(jì)思路、工程預(yù)算，明確智能農(nóng)植園的檢測方法及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，逐步培養(yǎng)“問題—改進(jìn)—新問題—再改進(jìn)”的實(shí)踐習(xí)慣。

任務(wù)３. 智能農(nóng)植園程序編寫

以夏天培育某種植物為例，程序要求如下。①空氣溫度。例如適宜溫度25℃，高于30℃，啟動(dòng)降溫裝置（加濕風(fēng)扇）；低于20 ℃，啟動(dòng)升溫裝置（加熱白熾燈）。②自動(dòng)澆水。土壤干燥時(shí)自動(dòng)澆水，土壤潮濕時(shí)停止?jié)菜?。③光照?qiáng)度。光線不足時(shí)自動(dòng)補(bǔ)光，光線過強(qiáng)時(shí)自動(dòng)遮光。小組討論后提交智能農(nóng)植園程序圖，通過編程讓學(xué)生將理論應(yīng)用于實(shí)踐，提高學(xué)生的編程能力與實(shí)踐能力。

以夏天培育綠蘿為例編寫程序，描述：根據(jù)溫度傳感器、濕度傳感器和光照傳感器檢測到的環(huán)境信息，風(fēng)扇、水泵、燈帶、報(bào)警器等傳感器協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)智能溫控、智能灌溉和智能光控。

成果交流

為充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，豐富活動(dòng)內(nèi)涵，展現(xiàn)學(xué)生動(dòng)手動(dòng)腦能力，拓寬學(xué)生的表達(dá)能力，特設(shè)智能農(nóng)植園博覽會(huì)環(huán)節(jié)，并邀請專家和教師對學(xué)生作品進(jìn)行評(píng)價(jià)。

后測與拓展

引導(dǎo)學(xué)生開闊思路，通過改進(jìn)模型結(jié)構(gòu)，增加不同傳感器的電子元器件、單片機(jī)編程等方法，不斷更新迭代，以實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)植園的不同功能。