智慧農(nóng)場跨學(xué)科學(xué)習(xí)項目助推創(chuàng)新人才培養(yǎng)

潛江市曹禺中學(xué)堅持在“雙減”政策背景下做好科學(xué)教育加法，聚焦創(chuàng)新人才培養(yǎng)推進基于探究實踐的科學(xué)教育。學(xué)校通過創(chuàng)建智慧農(nóng)場讓學(xué)生了解科學(xué)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，切身感受科技的魅力，增強科學(xué)探究的興趣；通過開發(fā)基于智慧農(nóng)場的跨學(xué)科學(xué)習(xí)項目，讓學(xué)生在項目的引領(lǐng)下開展種植勞動實踐，探究智慧農(nóng)業(yè)生態(tài)問題；鼓勵學(xué)生基于勞動過程中的真實問題自主設(shè)計學(xué)習(xí)項目，進行科創(chuàng)實踐，切實提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新精神，涵養(yǎng)學(xué)生的科技報國情懷。

一、基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)建智慧農(nóng)場跨學(xué)科學(xué)習(xí)平臺

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)打造的智慧農(nóng)場設(shè)有戶外種植區(qū)和室內(nèi)種植區(qū)，可以實現(xiàn)對植物生長環(huán)境的實時監(jiān)測和管理，包括戶外種植區(qū)土壤濕度、溫度和氮、磷、鉀含量的監(jiān)測，氣象監(jiān)測，自動澆水管理等，以及室內(nèi)水培區(qū)水質(zhì)和菌類培育室光照、濕度、溫度等的監(jiān)測和管理，為學(xué)生搭建了開展科學(xué)探究實踐、學(xué)習(xí)智慧農(nóng)業(yè)管理的優(yōu)質(zhì)平臺。同時，學(xué)校聘請市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局工作人員等提供技術(shù)指導(dǎo)，一方面維護農(nóng)場智能監(jiān)測和管理系統(tǒng)，使之自動、科學(xué)、高效運轉(zhuǎn)；另一方面指導(dǎo)學(xué)生進行種植實踐，完成相關(guān)的科學(xué)探究任務(wù)，揭開智慧農(nóng)場的奧秘。

智慧農(nóng)場依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將鄉(xiāng)土地理環(huán)境、植物生長特性、種植實踐活動與硬件系統(tǒng)搭建、軟件功能調(diào)試、創(chuàng)意程序開發(fā)等有機結(jié)合，為學(xué)生的勞動實踐、跨學(xué)科學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)創(chuàng)造了條件，有利于學(xué)生體驗傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)與現(xiàn)代科技融合的魅力。

二、依托智慧農(nóng)場設(shè)計與實施跨學(xué)科學(xué)習(xí)項目

智慧農(nóng)場為科學(xué)教育與智育、美育、勞動教育的有機結(jié)合提供了實踐載體和場域，不僅能讓學(xué)生深度體驗科技在農(nóng)業(yè)種植中的作用，充分感受勞動實踐的樂趣，還能依托本地特色農(nóng)作物半夏的科學(xué)種植與養(yǎng)護、基于“蝦稻聯(lián)作”模式的“魚菜共生”生態(tài)系統(tǒng)探究等項目，培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科素養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生對家鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)科技事業(yè)的熱愛，在學(xué)生心中埋下科技報國的種子。

半夏和大豆等農(nóng)作物是潛江農(nóng)業(yè)的名片。學(xué)校智慧農(nóng)場的戶外種植區(qū)種有半夏，學(xué)生可以了解半夏種殖的基本原理，親身進行半夏的栽培實驗，探究氣象、土壤、溫度與半夏等植物生長的關(guān)系，從而深刻認識江漢平原土質(zhì)特點對發(fā)展半夏等潛江特色種植產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢。對于發(fā)育不良、生長緩慢和種植失敗的植株，教師可以引導(dǎo)學(xué)生在勞動過程中發(fā)現(xiàn)問題、提出猜想，進行實驗研究并總結(jié)經(jīng)驗，最后撰寫科普小論文，以提升科學(xué)探究素養(yǎng)。與半夏同步種植的還有辣椒、南瓜、番茄等蔬菜。等到豐收季節(jié)，學(xué)生可以參與采摘蔬菜并就地取材，結(jié)合各種蔬菜的特點開展“科創(chuàng)智造”活動，如校園植物標本采集與葉脈書簽制作、天然色素提取與創(chuàng)意扎染實踐、番茄果醬配比研究與制作、植物拓染創(chuàng)意繪畫與作品數(shù)字化展示等。

潛江“蝦稻聯(lián)作”特色農(nóng)業(yè)模式體現(xiàn)了科學(xué)、生態(tài)養(yǎng)殖的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展理念。在此啟發(fā)下，學(xué)校開發(fā)了“魚菜共生”生態(tài)系統(tǒng)探究項目，在智慧農(nóng)場的室內(nèi)水培區(qū)應(yīng)用營養(yǎng)膜管道栽培技術(shù)建造了“鯉魚—生菜”共生系統(tǒng)，利用水產(chǎn)養(yǎng)殖的廢水作為水耕栽培的營養(yǎng)液，實現(xiàn)魚類生長和植物生長之間的互利循環(huán)。學(xué)校還應(yīng)用傳感器技術(shù)實時監(jiān)測“魚菜共生”生態(tài)系統(tǒng)的水質(zhì)和植物生長情況，為學(xué)生開展科學(xué)實驗探究提供數(shù)據(jù)支撐。依托該項目，學(xué)生可以觀察水培植物與魚類混養(yǎng)的生態(tài)環(huán)境，了解“魚菜共生”的原理，增強生態(tài)環(huán)保意識；學(xué)習(xí)“魚菜共生”系統(tǒng)的設(shè)計及建造，嘗試制作簡易的可實現(xiàn)“魚菜共生”的裝置，增強動手操作能力和創(chuàng)新創(chuàng)造能力；參與無土栽培的綜合實踐活動，提高實驗探究能力和勞動技能。在此過程中，教師進行“雙師”課程的研發(fā)與探索，如生物學(xué)教師和化學(xué)教師聯(lián)合設(shè)計、實施“魚菜共生”水肥配比探究子項目，物理學(xué)教師和信息科技教師聯(lián)合設(shè)計、實施“魚菜共生”補光燈設(shè)計與安置子項目等，以豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗，增強學(xué)生的跨學(xué)科學(xué)習(xí)能力。

在探究上述特色學(xué)習(xí)項目設(shè)計與實施的基礎(chǔ)上，學(xué)校以“農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)”為主題構(gòu)建智慧農(nóng)場跨學(xué)科校本課程，通過設(shè)置“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)場管理中的運用”“影響植物生長的環(huán)境因素探究”“無土栽培與人工養(yǎng)殖綜合實踐”等子課程，統(tǒng)整零散的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)知識、種植養(yǎng)殖勞動實踐和農(nóng)場科創(chuàng)實踐活動，涵蓋生物、化學(xué)、數(shù)學(xué)、地理、信息科技和勞動等學(xué)科內(nèi)容，并以“課堂理論學(xué)習(xí)+農(nóng)場實踐體驗”為主要實施方式，促進實踐活動、特色項目的課程化，突出學(xué)生學(xué)習(xí)的過程性、體驗性、探究性和創(chuàng)造性。

三、基于真實問題自主設(shè)計個性化學(xué)習(xí)項目

除了以上規(guī)劃好的學(xué)習(xí)內(nèi)容，學(xué)校還鼓勵學(xué)生基于智慧農(nóng)場科學(xué)探究中的實際問題，根據(jù)興趣點自由組成科創(chuàng)小組，自主開發(fā)個性化的學(xué)習(xí)項目。開發(fā)內(nèi)容包括自主確定學(xué)習(xí)主題和目標、設(shè)計學(xué)習(xí)任務(wù)和過程、策劃成果總結(jié)與展評活動等。

例如，針對智慧農(nóng)場戶外種植區(qū)農(nóng)作物被鳥類破壞的問題，部分學(xué)生聯(lián)合學(xué)校創(chuàng)客社團組建科創(chuàng)小組，確定了“制作簡易智能化驅(qū)鳥裝置”的項目式學(xué)習(xí)主題，設(shè)想使用人工智能技術(shù)，利用多種傳感器等部件，制作一輛智能巡邏小車，有動物來偷食時，小車就以聲、光、電的形式嚇走它們，這樣既不傷害小動物，又能有效保護農(nóng)作物。由此，學(xué)生確立了項目式學(xué)習(xí)目標——制作一輛具有上述功能的智能巡邏小車。

為了達成項目式學(xué)習(xí)目標，科創(chuàng)小組學(xué)生在信息科技教師和創(chuàng)客教師的共同指導(dǎo)下，確定了制作智能巡邏小車要突破的兩個技術(shù)難點，并據(jù)此分成兩個探究小組。第一組主要負責(zé)自動避障功能的探究與實現(xiàn)，使智能巡邏小車可以通過圖像識別技術(shù)和激光雷達技術(shù)，實現(xiàn)自動判斷前方障礙物并通過拐彎方式避開障礙物的功能。第二組主要探究圖像識別技術(shù)與傳感器的配合，使智能巡邏小車通過攝像頭實時獲取前方圖像數(shù)據(jù)并傳輸給計算機，計算機通過圖像識別技術(shù)判斷是否有鳥類，如果有鳥類出現(xiàn)則啟動驅(qū)鳥模式，利用揚聲器發(fā)出聲音，驅(qū)趕鳥類。攻破技術(shù)難題后，兩個小組共同負責(zé)組裝小車。在整個探究過程中，學(xué)生綜合應(yīng)用信息科技、物理學(xué)、生物學(xué)和數(shù)學(xué)等學(xué)科知識，遷移運用實驗探究的方法，充分發(fā)揮計算思維、建模能力和創(chuàng)造能力，順利完成了智能巡邏小車的設(shè)計與制作。

經(jīng)過個性化的項目式學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅發(fā)展了觀察能力、思考能力、實踐能力和創(chuàng)新能力，提升了科學(xué)素養(yǎng)，還收獲了學(xué)習(xí)成就感，增強了科學(xué)探究的興趣。學(xué)生最終完成的智能巡邏小車讓他們感受到科學(xué)技術(shù)在促進社會發(fā)展進步方面的重要作用。這樣的學(xué)習(xí)過程幫助學(xué)生厚植了科技報國情懷。

（作者單位：潛江市曹禺中學(xué)）

潛江市曹禺中學(xué)堅持以學(xué)生成長為中心，全面實施以落實立德樹人根本任務(wù)為核心、以培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實踐能力為重點的素質(zhì)教育。學(xué)校著力做好科學(xué)教育加法，重視德育管理和學(xué)科教研，以促進教師專業(yè)素質(zhì)提升和學(xué)生全面健康成長。