做好科學教育加法理念下的生物學跨學科綜合實踐

在教育改革的大潮中，“雙減”政策的實施為科學教育注入了新的活力，帶來了前所未有的機遇與挑戰。筆者以“溫室大棚智能種植”項目式學習為載體，探索一種創新的跨學科教學模式，旨在提升學生的科學素養和創新能力。筆者將傳統農耕與現代技術相結合，為學生提供了親身實踐的平臺，讓他們在真實的科學探究中學習和成長，體驗科學探究的樂趣，并在多學科的交叉融合中培養解決問題的能力。這種教學模式的探索與實踐，對于推動科學教育創新發展具有重要意義。

一、項目緣起和教學構想

（一）項目背景

在“雙減”政策的指引下，教師需改進教學方法，強化科學實踐，以增強學生的學習興趣和提高學習效率。《義務教育生物學課程標準（2022年版）》強調，教師應提供更多機會讓學生參與項目式學習和跨學科實踐活動[1]。為此，筆者設計了“溫室大棚智能種植”項目，為學生提供科技實踐和勞動的機會[2]。該項目以種子萌發、果蔬種植和科學問題探究為核心，利用水耕機和溫室大棚智能種植技術，圍繞果蔬的“播種—催芽—育苗—栽培—采收”等智能種植過程和生長階段，開展一系列的跨學科探究活動。學生通過掌握智慧種植系統的操作方法與技巧，進行種子處理、育苗、移苗和日常養護等基礎實踐操作，并借助數字化顯微鏡探究植物葉片的結構、酸雨對植物生長的影響、維生素含量的測定、葉綠素的提取與分離，以及非洲冰草種子的催芽育苗等。

（二）“智能種植”項目教學任務與目標

隨著農業科技的飛速發展，溫室大棚智能種植作為一種新型農業生產模式應運而生，該模式利用信息技術和物聯網技術實現農業生產的數字化、智能化和自動化。項目組通過體驗水耕機、智慧大棚的生產場景和種植設備，深入了解智能種植的概念、原理和應用方法，體驗現代農業的智能化和高效性，并掌握智慧農業場景應用的傳感器、執行器及其功能。智慧大棚的物聯網云平臺可以通過電腦、智能手機上網查詢和檢索，管理員可遠程操作控制現場電氣設備。氣象站基礎包括風速和風向傳感器、雨量傳感器、土壤酸堿度和熵值傳感器（濕度、溫度、電導率）、氣象站智能控制箱和基礎配件。

筆者開展項目活動，以書面設計、實驗實踐、口頭匯報等形式，開展學生自我評價、同伴互評、教師評價等多元評價，旨在提升學生的核心素養、工程思維與創新能力。學生參與項目式學習活動，完成6個子項目任務（見表1），應達到4個維度的學習目標要求（見表2）。

二、在連續性的跨主題項目活動中推進跨學科實踐

學生參與該項目式學習活動需要完成6項跨主題任務，時長可根據實際情況靈活調整。

（一）誰是“金牌設計家”（活動主題1）

在該子項目中，學生需設計種子萌發和科學探究方案，并體驗種子萌發實踐活動過程。

環節一：回顧種子萌發基本知識。師生提前浸泡種子，回顧種子萌發的條件，借助虛擬仿真技術，在NOBOOK虛擬實驗室中快速進行基礎實驗知識的回顧。總結時使用思維導圖軟件進行梳理，并借助AI輔助功能，幫助學生進行拓展聯想（如圖1）。

環節二：設計種子萌發方案。教師引導學生研討育苗注意事項。學生設計無土育苗方案，包含目的、原理、材料、步驟和預期結果等，互相提問和記錄。課后完善育種方案，可在線進行，便于學生查找資料。常用平臺為在線文檔（如騰訊、金山在線文檔），支持用戶實時研討和修改，多人同步修改方案，促進團隊協作。編輯內容自動保存，隨時調取，便于整理最終方案。教師選取部分方案進行簡要點評，并留有充足時間讓學生討論和答辯。

環節三：育苗實踐。學生按照方案開始種子萌發實踐活動，在噴灑清水的海綿墊上播種。育苗盤需學生用噴壺噴灑營養液，使營養液浸沒海綿墊。播種后每天要用噴壺噴灑營養液一兩次，注意控制溫度，必要時可遮光。定期觀察，了解種子發芽、生長情況。溫度適宜時，許多種類的蔬菜，在3—5天即可發芽出苗，5—7天齊苗。

環節四：種子萌發記錄與日常養護觀察。學生進行種子萌發的觀察和養護，設計記錄表，小組分工，書面記錄和照片記錄種子萌發和幼苗生長的每日變化。出芽后的植物要置于光照下（大棚人工光源LED燈亦可），一周后綠化。當植物長出兩片小葉時，需定時增加營養液以滿足植物生長需求。該階段的環境控制包括溫度、光環境以及營養液離子濃度（EC）等。

環節五：項目階段進展的小組匯報。學生用“測定種子的發芽率”實驗中測定發芽率的方法，計算種子發芽率。學生進行階段成果匯報，用文字或視頻交流體會。教師對其做過程性評價。

（二）誰是“植物魔法師”（活動主題2）

教師使用希沃平臺錄制“知識膠囊”微課視頻，靈活性強。學生無需下載應用，根據需求掃碼即可觀看微課，對存疑的部分加強理解，提高學習成效。

環節一：介紹水耕機。教師介紹水耕機的工作原理，介紹配套的材料用具。學生熟悉水耕機的基本結構，認識種植槽、種植籃、種植棉、種植孔、補氧系統、補光系統。學生認識到不同植物種類所需的光照時間不同，而水耕機的智能傳感器系統通過使用定時器和自動補光系統促進植物生長。植物移栽過程中對根部有氧呼吸和吸收無機鹽的研究，需使用增氧泵、離子傳感器。

環節二：配備營養液。教師簡要介紹稱量步驟，并設置問題：“如何科學地配置營養液？”清水、 抗菌水及營養素的比例為600 mL（清水）∶1 mL（抗菌水）∶0.5 g（營養素）。一個種植槽中12000 mL水，需要配制多少抗菌水，添加多少營養素？學生計算 ：抗菌水為12000/（600×1）=20（mL），營養素為12000/（600× 0.5）=10（g），根據計算結果配制營養液。

環節三：幼苗移栽（定植）。教師闡述幼苗移栽定植的目的，指導學生完成一系列實踐操作。

環節四：根據虹吸原理為水耕機換水。蔬菜種植后需注意水耕機的日常養護和幼苗的日常維護。植物生長過程中可能出現病蟲害、缺素癥，這與水質、營養液的成分和用量有關。可用傳感器監測水質，對水耕機中的水進行不定期更換。教師介紹虹吸原理和為水耕機換水的方法，指導學生進行灌水、虹吸、擦拭等操作。學生為水耕機換水時，水槽端必須高于水桶端，否則無法虹吸。

（三）誰是“精英研究員”（活動主題3）

各小組依據已定主題開展實驗，例如“探究光照強度（或光照時長、營養元素）對植物生長的影響”等研究。以下以“缺素探究”為例具體介紹。

環節一：選材及培養液準備。教師提示與引導學生選擇適宜的植株，設計問題情境：根據對照實驗的基本原則，選擇的番茄幼苗的長勢應具備什么特點？常規的缺素培養使用的是相同的容器，在本實驗中，如何借助水耕機設計實驗，如何操作？學生應選擇形成真葉的幼苗，植株長勢應該相同，根系完整，一個種植槽中存留的植株數量應該相同；可直接使用種植槽作為種植容器。學生按查閱的資料配制培養液，倒入種植槽。

環節二：移植。教師指導學生用試劑瓶做實驗時，注意植物莖的基部要用脫脂棉輕輕包扎，使得植株能固定在試劑瓶中，根系浸沒在溶液中。每種元素的研究需要3個試劑瓶。為更好地進行移植操作，教師提出問題：“與常規的缺素培養不同，借助水耕機進行實驗，脫脂棉應該用什么材料代替，整體操作和設計上有何便利之處，如何操作？”學生思考并回答：一個種植槽放置多株植株，增加樣本數量，提高實驗準確性和可信度。移植過程，學生的操作流程如下：選擇4個種植槽，洗凈。莖基部用種植棉固定在種植籃中，放入種植孔中，根系浸沒在溶液中。在每個種植槽上注明不同處理，分別標記為缺氮、缺磷、缺鉀、對照組。教師巡視，適時給予指導。

環節三：日常養護設置。學生完成日常養護：①將試劑瓶放在陰處1天，再放在光照充足、溫度適宜處培養；②每周更換培養液，每隔3天加1次蒸餾水，補充至原培養液體積；③每2天用雙連球通氣一次。學生進而體驗水耕智能種植系統的優點：①自帶光源，可調節溫度，在條件設置上更易保持相同且適宜；②定期加清水，補充種植槽中培養液，采用虹吸法更換培養液；③自帶氧氣泵，保證根部呼吸所需氧氣。

環節四：階段成果匯報。教師組織階段性的成果匯報展示，使用Excel的基礎功能即可滿足數據處理需求。評價方式為小組互評、教師點評、學生反思。各組學生用多種形式展示和匯報實驗的過程與探究結論（如圖2）。小組間互評，提出疑問或建議。各組進行答辯和反思。

（四）誰是“實力創作家”（活動主題4）

教師組織學生完成葉拓畫、植物印染環保袋、滴膠作品、干花制作等文創品，使用希沃一體機配套的軟件（希沃授課助手）實時展示成果，闡述作品的創作理念和內涵，方便快捷地將作品通過投屏軟件展示在大屏幕上，進行簡要點評，增強活動的互動性（如圖3）。

（五）誰是“發明小工匠”（活動主題5）

學生從技術與工程角度出發，使用Arduino主板、光敏傳感器、溫度傳感器、土壤傳感器、TECL熱電制冷元件、顯示器、LED燈、按鈕、水泵、多邦線、銅絲、收納箱等，完成智能微型環保水培機的設計和制作，使用傳感器可采集直觀的數據結果。學生整理探究過程與成果，運用剪輯軟件如剪映、Camtasia、ArcTime制作科學影像視頻，對實驗進行梳理和總結。教師采用無線便攜錄播主機在5G通信網絡的加持下，構建生物園植物培植課程的在線直播和學生輸入與輸出知識（展示作品）的平臺。

（六）誰是“大棚小管家”（活動主題6）

活動一：溫室大棚土耕區栽培作物。選取自己喜歡、適合的種子，記錄種子信息，提前浸泡過夜；認識種植工具——耙；沿著滴灌管路，將種子放進土里（配合鏟子、耙子），注意合理密植，定期維護，澆水、施肥。

活動二：配置辣椒大蒜水。配置辣椒大蒜水做生物農藥；觀察未噴施、噴施不同辣椒大蒜水用量濃度的施用效果。

活動三：在溫室大棚進行水培育苗。提前泡好種子，記錄信息，將種子卡在正方形海綿圓形凹槽十字縫隙中央；進行苗期維護。

活動四：在溫室大棚進行水耕移植。將符合“兩葉一心”、適宜株高等移栽條件幼苗的海綿塊取下，將幼苗塞入水耕架種植籃；將移好苗的種植籃放在水耕大棚四周的種植架上；測量數據，記錄作物成長過程；調節參數確保作物健康生長。

三、生物學數字化和跨學科項目教學的實踐與思考

（一）“智能種植”項目實現傳統農耕與現代技術的深度融合

學生通過實踐體驗溫室大棚的智能種植功能，認識到智能種植項目推動了傳統農業生產與數字化技術的深度結合。第一，智能系統通過聯動溫室氣溫和營養液溫度監測傳感器，自動調整空氣和營養液的溫度。第二，實現自動調節與控制濕度。第三，LED光照系統可調節光照時長和光源類型。第四，系統實時監控二氧化碳濃度，通過堆肥處理和封閉系統內增加“氣肥”來提高二氧化碳濃度。第五，灌溉一體化設備管理控制器讓水以管道和滴頭形式，定期、定量滲入作物根系生長和發展區域，使土壤始終保持疏松狀態并確保其含有適當的水分。第六，EC檢測器可顯示土壤、水層中營養肥料的濃度（用電導率表征），當EC檢測器數據顯示營養液離子含量降低時，啟動補液提醒功能。

（二）數字化綜合實踐落實了“雙減”提質增效的理念

“雙減”要求教學要提質增效，教師積極引導學生關注智慧農業，了解科技在生產生活中的具體應用場景。在種子萌發實踐和水耕機應用實踐中，學生的學習動機被極大地激發，他們親身體驗到種子從萌發到植物生根發芽直至成熟可供采摘的全過程，感受到生命的神奇力量和勞動后收獲的喜悅。

綜合實踐創新體現在以下三點。一是開展個性化的植物種子萌發及種植活動。開展這種兼具趣味性與創造性的設計性實驗活動，能促進學生核心素養的發展。二是該數字化項目嘗試融入跨學科要素，搭建知識和能力的綜合網絡，豐富和延展了科學素養的內涵。基于生物學知識，聯系物理、化學和地理知識，滲透數學和信息科技知識，并鍛煉學生書面和口頭表達能力。三是該項目作為科技實踐勞動課程，促進了初中學生科技素養發展和實踐勞動能力提升。教師通過指導學生完善科技作品、主動展示小組的水耕種植成果和工程作品，踐行了“雙減”提質增效的理念。

（三）跨學科項目學習有助于促進學生全面發展和核心素養提升

生物學是現代科學的重要組成部分。筆者圍繞生物學，融合科學探究、技術實踐、工程應用、數學應用、藝術素養培養，以“溫室大棚智能種植”項目式學習為中心，引導學生分組研討，解決問題，以智能種植問題為導向完成任務，是一種可行且高效的教學方式。教師從學生已有的理論知識和生活經驗出發，創設生活中的問題情境，引導學生不斷探索，培養學生實事求是地進行科學探究，所培養的能力既全面，又使學生終身受益，這有利于全方位提升學生的核心素養、工程思維、創新能力。

注：本文系廣東省教育規劃2025年度中小學教師教育科研能力提升計劃的重點項目“文化自信背景下科學教育中講好中國科學家故事的實踐研究”（立項號：2025DQJK31）的階段性研究成果。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部.義務教育生物學課程標準：2022年版[S].北京：北京師范大學出版社，2022.

[2] 林建芬，王瑜，曾玉芳，等.青少年科技創新課程體系的構建與實踐：以深圳市寶安中學（集團）實驗學校為例[J].教育與裝備研究，2020（5）：35-38.

[作者林建芬系廣東省深圳市南山區蛇口學校教師，本文通訊作者；肖曉婷系廣東省深圳市寶安中學（集團）實驗學校教師；陳萍系華南師范大學教育信息技術學院碩士研究生；張梓燕系華南師范大學數學科學學院碩士研究生]

責任編輯：祝元志