“學科融合”理念下的中草藥種植項目的設計和實施

摘要：溫州科技高級中學的中草藥種植項目涵蓋了生物學、農學、化學、工程學等多個學科，通過系列項目式課程的設計與實施，學生在學習中草藥知識的同時，培養了問題解決能力、團隊合作能力、批判性思維和創造力。此外，項目還包括智能灌溉系統的搭建和智慧種植園平臺的構建，實現了對中草藥生長環境的智能監控和數據分析。學生在種植過程中需要解決大量的真實問題，從而培養了科創能力。

關鍵詞：中草藥種植；校本課程；學科融合；傳統文化

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

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

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

理念：多學科的深度融合

在中草藥種植項目中，學科融合涉及生物學、農學、化學、工程學等多個學科的交叉合作。通過融合不同學科的專業知識，學生可以更全面地了解中草藥的生長環境、土壤營養需求及其應用（藥用成分的合成機制等），為中草藥的優化種植提供科學依據。

在中草藥種植項目中，筆者在解決問題過程中融入學科知識。例如，通過中草藥的種類選擇、生長環境設計、藥用價值分析等活動，了解化學、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，結合化學知識和藝術創作，提高學生的實踐能力和創造力；通過介紹中草藥在中國傳統醫學和文化中的地位，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、音樂等課程的知識；通過自主搭建和維護智能灌溉系統，融入信息技術和通用技術的知識等。

不僅如此，筆者還結合大語言模型、Suno等AIGC工具，讓學生創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：“科高種植園”的建設

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樓樓頂，是一個空中花園（植物的種植有助于樓頂的隔熱）；濱河種植園是一片廣闊的沿河種植帶，位于學校南側，光照充足，土壤肥沃。

2.智能灌溉系統的自主搭建

學校的未來科創中心建設了開源硬件實驗室、智能制造實驗室、人工智能實驗室、工程與技術實驗室等多個專業實驗室，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）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。系統選用行空板作為核心控制器，結合RS485土壤傳感器、I2C溫濕度傳感器、I2C CO2傳感器、I2C環境光傳感器等，采集不同節點的土壤養分，包括溫濕度、PH和氮磷鉀數據，同時采集空氣二氧化碳、溫濕度、環境光等的數據，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。各個節點的行空板和拿鐵熊貓都在同一個局域網下，行空板通過無線WIFI將數據上傳至Lattepanda的本地服務器。

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

這套智能灌溉系統的硬件清單如下：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、環境光傳感器SEN0540×3、云雀氣象儀×1、水肥一體化設備×1、485轉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監控攝像頭×1、攝像頭×5、路由器×1、防水箱體×6、電源轉接模塊×6。

實施：中草藥種植的系列校本課程設計

基于學科融合理念，學校利用種植園實踐基地，組織了不同學科的教師開設相關的項目式選修課程。這些課程結合具體的項目，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：通過互聯網、大語言模型探究中藥的起源、分類，中藥典籍，相關成語及故事，中藥功效及方劑等，完成中草藥研究學習單，從中了解中藥博大精深的內涵，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，利用所學地理知識分析學校所在地區的氣候條件、地形條件、基礎設施等，比較樓頂種植園和濱河種植園的特點，基于學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劃和分析。

3.生物和化學方向

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.化學和信息技術（物聯網）方向

項目名稱：基于智能系統的肥料對比實驗。

項目目標：了解化肥的種類，了解各類化肥的作用，學會根據物理和化學性質初步鑒別幾種常見化肥的方法，知道化肥、農藥對環境的影響，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，自主調節化肥釋放的強度，實現肥料的精準釋放。

5.物理和化學方向

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、化學和生物方向

項目名稱：自制護手霜。

項目目標：了解乳劑相關知識，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（人工智能）和生物方向

項目名稱：中草藥識別助手的開發。

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據圖片，并進行數據的預處理；使用BaseML提取圖片的HOG特征，通過XEdu進行數據集的訓練，并將訓練好的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（人工智能、物聯網）和物理方向

項目名稱：讓種植園具有智慧。

項目目標：掌握傳感器聯網的方式，了解物聯網的架構，制訂智能物聯網設備方案，選擇合適的設備實現實時顯示藥材生長狀況，檢測環境溫濕度、光照強度、土壤PH值等，并將相應數據進行數據分析傳送至服務器與數據庫，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、水肥一體化設備的部署，對農場環境進行監測。

9.信息技術（物聯網、人工智能）和數學方向

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，對傳感器的數據進行實時采集與記錄上傳，實現實時監控，查看中藥材的生長情況與環境數據，對獲取的數據進行智能分析，控制水肥一體化設備自動做出灌溉和施肥決策，實現中草藥種植環境的自動調控。

10.美術、音樂和信息技術（人工智能）方向

開設項目：AIGC初體驗。

項目目標：了解AIGC概念，學會文生文、文生圖、圖生圖等提示詞描述，通過各類生成式工具創作與中草藥相關的圖片、音頻視頻等，設計與中草藥相關的作品。

反思：中草藥種植項目的后續發展

通過中草藥種植項目的實施，學生將課本中學到的知識用于實踐，在真實情境中解決問題，實現項目和基礎教育課程無縫銜接。因為植物的生長需要時間，部分項目目前還處于設想階段，并沒有真正開展。后續，筆者將繼續完善智能灌溉系統平臺，不僅要將前沿的技術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，用學科融合的方式培養新時代的人才。

參考文獻：

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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）。