跨學科實踐能力的培養
——以無土栽培裝置制作為例

張艷萍 李金耿

(山東省淄博張店區建橋中學 山東淄博 255000)

“植物的生活”是《義務教育生物學課程標準(2022 年版)》中第四個學習主題。 “栽培一種常見植物,觀察其生長發育全過程”以及“運用無土栽培技術栽培一種植物”是學習活動建議中的重要內容。 教師以栽培一種植物作為單元課題,學生通過設計制作無土栽培裝置,親歷種子萌發、生長、開花、結果等過程,建構綠色植物生命周期的概念,學生還可以通過該過程進一步探究光合作用、呼吸作用、蒸騰作用等生理活動。 教師通過引導學生利用身邊的材料設計制作無土栽培裝置,提升學生的跨學科實踐能力,激發學生的探索熱情。 下面介紹三種簡易的無土栽培裝置,以期為師生的設計制作提供參考。

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液,通過加裝小型抽水泵實現水循環,為植物根部提供營養及氧氣(圖1)。 第一代實驗裝置組裝后如圖2 所示。

圖1 抽水泵無土栽培裝置設計圖

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現以下幾個問題:

① 小水泵長時間運行存在過熱現象,嚴重時會燒毀電機;② 夏天的陽光下,培養液溫度過高,對植物根系產生危害;③ 陽光下水中易產生藻類植物,一些絲狀藻類增多,堵塞水管。 為了解決以上問題,師生對裝置進行了改進:① 增加循環定時器,使水泵間歇運行,并在防水罩下方增加透氣孔,解決散熱問題;② 改進循環水裝置(圖3),利用洗衣液筒的結構特點加裝過濾棉,使回水管的水流先過濾再循環;③ 油桶外加裝遮光隔熱裝置(圖4),有效減少藻類植物,防止陽光強烈時水溫過高傷害植物根系。 經過改進后,整體裝置能實現較長時間自主運行,只需每隔10 天左右加裝一次培養液即可,植物長勢良好。 該裝置的優點是可擴展性強,可以通過增加油桶數量增加種植面積。 同時,油桶體積大,可以容納較大的根系,培養植物種類多。

圖3 改進后的循環水裝置

圖4 改進后抽水泵的外觀圖

1.2 循環水泵無土栽培裝置

抽水泵價格低、噪音小,使用5 V 電源,安全性高,但也存在散熱性差的缺點。 而用于魚缸、小型魚池的循環水泵在水中運行,不存在過熱問題。 因此學生以循環水泵、流轉箱為主要材料,設計了第二種無土栽培裝置(圖5)。 該裝置用于培養剛萌發的幼苗或扦插枝條時,可直接在泡沫板上開孔栽種,用于培養較大的植物時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。

該裝置結構簡單(圖6),并且周轉箱型號全,可根據空間大小自由選擇購買。 固定植物的載體為EPE 發泡板,環保且能漂浮在水面,使根系始終接觸培養液。 結合定時控制裝置,可較長時間自主運行。

圖6 循環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鹽,同時需要氧氣以維持正常呼吸。 前兩個裝置主要通過水循環的方式為根系提供氧氣。 第三種為氣泵無土栽培裝置(圖7),根據向培養液中直接充氣的原理設計。

圖7 氣泵無土栽培裝置設計圖

學生制作時,選擇一個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)結構簡單,安全可靠,產生的氣體量也能滿足植物根系的需要,缺點是噪聲相對較大。 考慮到光下藻類植物滋生等問題,制作時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

2.1 培養液的配置

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

2.2 幼苗的培養

本單元課題是培養一株植物,若學生運用無土栽培技術從種子開始培養,則需要掌握育苗技術。 教師制作了兩款簡易的育苗裝置(圖9),在不銹鋼濾網中鋪上兩層紗布,把種子均勻放于紗布上,在水盆中倒置幾個瓷盤,將不銹鋼濾網置于瓷盤上方。 學生使用時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。 學生也可以在塑料網上方鋪上紗布,并將種子放于紗布上。 與先在土壤中育苗再移入培養液相比,這種育苗方式在移栽時對根系的破壞小,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,學生應適當給植株遮陰或將裝置擺放于陽光較弱的地方,以利于緩苗。 學生需定期檢查植物根系生長情況,如遇到爛根等現象需及時清除并分析原因,關注植物病蟲害感染問題,并采取相應措施。 在植物的開花階段,必要時進行人工授粉。 此外,學生需要及時觀察、測量植物生長情況,設計表格進行記錄。

3 創新點及反思

3.1 原理簡單,動手難度較低,培養學生跨學科實踐能力

跨學科實踐活動中,教師引導學生基于真實的實踐任務,綜合運用多學科的知識和方法,通過小組合作、探究和實踐等方式實施,形成物化的學習產品和學習成果,提高解決實際問題的能力。 無土栽培裝置的設計與制作是培養和觀察植物的前提,本項目中教師提供的三種方案均利用學生身邊常見的材料制作,可行性高。 同時,裝置設計采用5 V 電源供電,安全性高。 三種裝置變通性強,可利用多種容器制作完成,利于小組或個人完成。 學生在制作過程中充分利用多學科知識,形成物化的產品,并且通過產品維護,提升其運行時間等過程,提升綜合實踐能力。

3.2 貼近生產實際,借助植物培養對學生進行勞動教育

跨學科實踐是新課標中倡導的重要內容,教師應當首先邁出跨學科實踐的第一步,通過形成物化的產品,使學生認識到跨學科實踐不是虛無縹緲的,而是與生活生產息息相關的。 現代化農業的高速發展使許多新型的產品和技術得以應用,極大提高了生產效率。 教師的教和學生的學也應該與時俱進,關注最新科技成果,關注農業生產實際,奠定學生熱愛科學的基礎。 學生通過無土栽培裝置培養一種或幾種植物,親身參與實踐,了解植物生長所需要的條件及生長的變化。 教師通過引導學生進行微觀的農業生產,在教學中融入勞動教育。