智慧农业在中学生物教学中的可行性研究

刘思思 范丽仙 王重力 韩宁

[摘           要]  对如何在中学建设“智慧农业”大棚的费用进行了预算和可行性研究，结合植物生长需要，在中学生物实践教学中充分利用这套设备，进一步加强农业现代化知识的教育并促进学生对绿色植物的学习，引导学生将实际生活知识与科技创新相联系，并利用跨学科的知识解决实际问题，在潜移默化中培养学生的合作探究能力和动手实践能力。

[关    键   词]  智慧农业;中学生物教学;跨学科

[中图分类号]  G633.91                   [文献标志码]  A                      [文章编号]  2096-0603（2021）36-0186-02

跨学科教育在解决复杂问题以及全球性问题上有着不可替代的优势[1]，中学生对如何利用新科技改变生活有强烈的好奇心，乐于探究与实践。在实际观察与操作过程中，学生以生物知识为出发点，与科技、数学、物理等知识建立联系，通过大数据平台采集数据，监测pH值、温度、湿度、病虫害数量、光照等数据并制成曲线图，与预设环境形成对比，根据生物学知识分析曲线图做出解决方案，在终端系统基础上实现大棚种植的智能灌溉、智能施肥、病虫害智能监测与防治，为植物生长营造最佳环境。

一、智慧农业

智慧农业（Intelligent Agriculture）是指利用大数据云平台、物联网传感器、移动物联网数据传输技术等先进技术构建一个智能型、经济型育苗大棚，从而实现农业的智能化生产与管理。即利用手机端以及数据平台对温室棚内参数进行精准监测，实时获取大棚中气候、微量元素含量、病虫害、土壤墒情等信息，从而预测作物长势，指导灌溉和施肥，预估产量，以确保农作物的全过程在监控中实现高效生产。在农业生产养殖方面，根据数据监测进行定量施肥，可有效改善土壤板结，且经处理排放的畜禽粪便不会造成水和大气污染[2]，反而能提供肥力等。综上，智慧农业在种植、畜牧、水产养殖等方面均有广泛的应用。

二、智慧农业在教学中的意义

实施智慧农业的跨学科活动可以解决基础教育的内容延续性和现代实用技术的快速普及的矛盾，用现代农业技术统领学生学习基础知识，提高学生的学习兴趣，使学生主动参与其中，将抽象知识具体化，解决动手与动脑的矛盾，用跨學科知识解决复杂问题，同时也便于云上监督课程实施的要求。此外，还能满足劳动者对基本技能的学习，用科技改变生活，做到省钱、省时、省力。

三、设备与组件

温室大棚种植在农业生产中占有重要地位，管理者通过“智慧大棚”具备的多种设备（如图1）远程监控农作物生长状况并获得详尽而准确的信息，实时掌握植株生育进程和生长动态。管理者通过无线传输网络接收终端系统对数据的收集与处理。同时，用户也可以利用电脑端或者手机端的环境控制基本软件通过无线网络做出输出处理，自动联动棚内基础硬件设备的开启和关闭，为室内植物提供最佳的生长环境。

建构主义者认为应当建立“有关认知与学习的情境”，使之“提供有意义学习并促进知识向真实生活情境转化”[3]。按照50亩地28万进行缩减，可在中学建立一个总预算为19万，面积为200 m2的温室大棚，开展绿色植物的培养，实现全天候不间断自动化管理（数据来源于精简通讯公司提供的智慧农业解决方案）。

四、学生的体验式学习与实际操作

智慧大棚种植植物需用跨学科知识解决复杂问题。植物的生长规律和影响因素涉及生物学知识，营养诊断以及营养液的配制涉及化学知识，实现大规模的灌溉与施肥涉及工程学知识，培育期间的监测和管理涉及传感器等技术手段的运用和对数据的分析处理能力。

（一）自动控制植物生长环境

根据不同植物的不同生长特性，查阅资料找出适宜该植物种子萌发的条件，通过中央控制器和远程调控系统及时调节室内光照强度、温度等环境因子，为种子萌发提供适宜的温度、一定的水分和充足的空气。

（二）观测植株生长过程中的生理变化

观测种子从萌发到发育成完整植株的全过程，并记录各阶段生长发育和生理性状的变化，有利于学生更好地体会生命的意义。

在植物从幼苗发育成植株的过程中，可在大棚内探究光照强度、温度、二氧化碳浓度等环境因子对植物光合作用、呼吸作用和蒸腾作用的影响;同时也可探究不同植物光合速率的差异。通过系统监测室内CO2、O2含量以及室内温度和湿度等数据，从而探究植物从种子萌发到生长发育以及繁殖过程中光合作用、呼吸作用和蒸腾作用的变化。

（三）调控营养物质促进植株的生长

精准施肥：植物的生长需从外界获取营养物质，在每个生长阶段，植物所需的营养元素不同。传统农业是根据以往经验对地块的土壤灌溉和施肥，而通过智慧大棚可以实时监测植物中无机物（氮、磷、钾等元素）的含量精准施肥。实验课中可以设置梯度浓度探究营养元素含量对植物生长状况的影响，通过生物搅拌器按比例搅拌并调好pH值和EC值，通过管道控制流速，对每个区域的植物进行灌溉施肥，从而达到变量施肥的效果。小组间对比结果找出最适宜植物生长的营养元素含量，从而将植物所需营养元素准确注入植物根部（施肥的同时会释放温室气体，空气湿度长期过低，叶片会因气压差出现边缘或叶尖坏死，故实验过程中要注意控温和保湿）。

营养诊断：对于生长不佳的植物，可利用传感器监测植株营养元素的含量及其比值，精确用量做到精准施肥，从而改善植株长势，提高肥力利用率的同时减少环境污染。

（四）调控植株的开花和结果

通过控制光照时间、温度等环境因子还可调控开花植物的花期以及生长速度，在开花期完成人工传粉与受精的过程，得到预期的效果，学生在体会开花植物的春化作用和光周期现象与原理的同时，也能够提升数据分析能力。在植株开花结果阶段也要注意控制营养元素比例，实现农业增产。将学科交叉知识应用于农业生產，有利于加强农业现代化教育，在农业生产上有利于出售时令花卉、蔬菜，促进农业现代化的发展。

（五）病虫害监测与防治

虫情监测系统晚上自动开启监测，白天自动待机，通过移动网络，摄像头准确抓拍获取虫子的种类、虫子数量、最后进入红外线杀虫室，实现虫情预警、处理分析等一体化的虫情监测目标，每天收集的数据将会制成图表，学生透过红外线可探究昆虫的种类及其活动时间、活动方式和天敌数量，以红外线加热的方式自动完成诱虫、杀虫等作业，及时准确地判断植物的生长状态与病虫害情况，从而制定解决方案，做好生物防治。

如何找出植物生长的营养元素最适量以及对长势不佳的植物进行营养诊断和病虫害的防治的实验过程中融合了生物学问题、数学问题、工程学知识;最后延伸则要求学生由课堂上的实验数据和思路查阅资料，设计出在进行大规模浇灌作物时，如何控制营养元素的用量，可将生物学和数学紧密地联系在一起。学生思考发现并解决问题的过程可以使其更好地感知科学、技术、工程和数学四大领域之间的密切联系，从而帮助他们更加全面地掌握和运用知识，做到有效灌溉，水盐平衡，从而调节植物的长势，实现植物所需微量元素的最佳值，让学生更好地理解“细胞中的无机物”这节内容的知识。对于农业生产来说，有利于实现营养物质对粮食增产的效果。

五、建设“智慧农业”大棚面临的问题及解决办法

（一）经济方面

首先，促进农村农业现代化的发展与跨学科培养社会人才，需要国家、高校、社会的大力支持，一方面需要国家加大经济投入，向农村倾斜，进行农业生产规模的推广与升级，进而促进农村实现农业现代化;另一方面在设备的生产上可考虑降低成本，在设备材料的选择方面，做到平价替换。

其次，因资源缺乏不能建立“智慧大棚”的中学，可采取就近原则，带领学生实地参观高校设立的“智慧大棚”，采取线上教学，利用远程联网进行视频观看，在一定程度上既降低了成本，又能带领学生学习现代技术相关知识，并将学科知识与实际生活相联系，促进农业的高质量发展。

（二）场地方面

对于市中心的中学，耕地面积较少，可以借助屋顶建设“智慧大棚”，建筑立面绿植;对于新建校园则在建校时应考虑校园整体规划，保证有足够空间开展智慧农业;对于耕地面积较少且不位于市中心的学校，可考虑与周边需发展农业经济的企业或者公司合作，既能促进学生对新技术的掌握，又能促进农业经济的增长。

利用“智慧农业”大棚，在教学中结合“互联网+”创新教学方式，通过生物传感器轻松管理植物生长发育的健康状态，激发学生的学习兴趣，使学生能更加全面、深入地体验植物的生长发育过程，同时也能开阔学生的视野，进一步促进农业现代化知识的普及，培养学生利用学科交叉知识解决实际问题的能力。通过理论与实践的结合不断提升生物学科核心素养，发扬创新精神，有利于培养跨学科领域的复合型人才。

参考文献：

[1]王兆守，孙熙.高等教育国际化背景下跨学科教育的优势和改进措施[J].高等理科教育，2019（5）：13-18.

[2]王莹.“互联网+”背景下我国智慧农业发展路径研究[J].物流科技，2021，44（2）：131-134.

[3]莱斯利.P.斯特弗，杰里·盖尔.21世纪人类学习的革命（译丛）教育中的建构主义[M].高文，徐斌燕，程可拉，等，译.上海：华东师范大学出版社，2002：3.

◎编辑 郭小琴