“植物水肥自动补给装置的设计与制作”STEAM课程实例

王晨旭 （北京市第三十五中学 北京 100035）

2010年7月，《国家中长期教育改革和发展规划纲要》中提出“勇于探索的创新精神和善于解决问题的实践能力”，同时，《北京市初中开放性科学实践活动项目管理办法》 提出要为学生提供“优质、多元、丰富、生动的合作探究式实践活动，满足学生个性化、多样化的发展需求”。家庭种植蔬菜、花卉是中学生非常喜爱的课外活动。但植物“浇水、施肥的体积、频率”“家中长期无人时水肥的补给”等问题却让人困扰。本课程围绕“如何更好解决植物的水肥供给”这一问题,结合初中生身心特点，以无土栽培技术为核心［1-4］，设计并进行了STEAM 课程，共3 课时。

1 教学目标及重、难点

1）知识目标：熟悉植物的根对水、无机盐、空气的需求特点［5］，识别“公道杯” “欹器”现象。

2）能力目标：可利用母液自行配制营养液［5］；可制作“公道杯”或“欹器”实现一次性定量浇水。

3）情感态度与价值观目标：形成热爱植物、热爱科学的情感，培养分析问题、将其拆分逐一解决的态度，养成用“科技和实践”改善生活的价值观。

4）课程重点及难点：通过分析植物对水的需求，进行定时、定量补水装置的设计、制作及调试。

2 实验工具、材料及试剂

2）材料：自制储水箱、自制控水箱、直通阀（小型水龙头）、纸杯、硬铁丝、凤尾夹、营养液母液（大量元素A、大量元素B、微量元素）、吸管、珍珠岩、泥炭土、定植篮、定植棉、豆苗。

3）营养液配方：

①大量元素A：硝酸钾0.6 g、硝酸钙1 g、水100 mL。

②大量元素B：硫酸镁0.5 g、磷酸铵0.4 g、硫酸钾0.2 g、磷酸二氢钾0.2 g、水100 mL。

③微量元素：乙二胺四乙酸二钠100 mg、硫酸亚铁75 mg、硼酸30 mg、硫酸锰20 mg、硫酸锌5 mg、硫酸铜1 mg、铝酸铵2 mg、水50 mL。

3 课程实施

3.1 剖析问题

3.1.1 发现问题 当你需要外出较长时间，家中的植物却无人照顾、面临枯死如何解决？

3.1.2 要了解植物生长的基本条件

(1)灾害点密度指标量化及归一化。通过统计和计算单元格内地质灾害发育的数量和规模，得出地质灾害点密度。密度越大，表示地质灾害发生的频率越高。在GIS平台内对灾害点密度进行归一化处理，形成归一化图(图3a)，归一化数值越高，说明地质灾害分布越密集，越容易发生地质灾害。

学案：植物的生长需要阳光、空气、水、无机盐和适宜的温度。在日常照看植物中，需要花费精力定时、定量补充的是______（液体）和______，其中，对后者的要求是：种类______、比例______。（答案：水、无机盐、齐全、恰当）

3.1.3 该如何为植物补充水、肥？

学案：①浇水应做到定时，应在______时；②浇水应做到定量，即做到______；③不同植物对水的需求不同，浇水的间隔要根据植物的习性适当调整；④如果要做到同时为植物定时、定量地补充无机盐，可将装置中的清水替换为______。（答案：待植物干透、浇透、营养液）

相关讲解：分析植物对水的需求和正确的浇水方式。

事实1：浇水过于频繁：植物烂根甚至死亡。

事实2：浇水间隔太久：植物枯萎甚至死亡。

事实3：仙人掌和油菜需要浇水的频率不同。

推论：应根据植物自身特点确定时间浇水。

事实4：每次浇水的量太少：少而频繁导致植物烂根、少而间隔太久导致植物枯萎。

事实5：每次浇水的量太多：浪费、烂根。

推论：植物应该根据自身特点定时、定量浇水。

3.1.4 制定计划 ①制作定量浇水装置；②控制自动浇水定时触发装置；③连接—调试。

3.2 设计并制作装置

3.2.1 配制营养液 学生按照以下步骤配制标准营养液：①量取100 mL 清水；②加入10 mL 大量元素A，混匀；③加入10 mL 大量元素B，混匀；④加入微量元素1 mL，混匀。

3.2.2 制作定量浇水装置 学生观看学案上公道杯和欹器的图片（图1），教师讲解相应的原理知识。学生按照虹吸原理（公道杯原理）和重心原理（欹器原理）依次制作2 种定量浇水的装置，并选择一种用于自己的装置。

图1 定量浇水装置

学案：公道杯（毕达哥拉斯杯）向外流水的触发条件是______，流出水的量由______的高度决定。欹器之所以能“满则覆”，主要是因为水满之后______高于支撑轴。（答案：水面高于曲管的最高点、曲管入水口和最高点间、重心）

相关讲解：

1）公道杯的原理：公道杯主要利用了虹吸原理。教师结合图片讲解发生虹吸的基本要求是水管密闭、连通且出水口低于入水口。在公道杯的制作过程中要注意保持装置的密封性和曲管内部的通畅。

2）公道杯制作要点：①将纸杯底部扎一小孔，可穿入吸管；②将弯曲吸管较长的一端从杯内小孔穿出，要保证小孔与吸管之间紧密贴合不漏水；较短的一端位于杯中，管口贴近杯底；且使吸管弯曲部位顶端接近并低于杯口。

3）欹器的原理：如图2所示，欹器在不满时保持直立是因为其重心低于支撑轴，欹器“满则覆”是由于水满后整体重心高于支撑轴，装置无法保持稳定。

图2 欹器装置原理图

4）欹器制作要点：①将纸杯的杯身两侧相对位置各扎一个小孔，小孔高度略低于纸杯重心；②用铁丝从2 个小孔贯穿而过，作为支撑轴，要保证两处密封不漏水；③纸杯底部夹一个小凤尾夹，以保证装置稳定。

3.2.3 控制浇水间隔（定时） 通过直通阀调节进入公道杯（欹器）中水流的速度，从而达到控制定时间隔浇水的目的。

相关讲解：直通阀相当于水龙头，可控制流经它的水流的速度。将直通阀连接在水箱的出水管和公道杯（欹器）的进水位置，通过旋转阀门可控制水流流速。公道杯和欹器有一个共同特点，即只有当容器中的水达到一个极值时才会触发其向外排水，且每次排水都会排净容器内的所有的水。

3.2.4 装置的组装和调试 将水箱、直通阀、定量装置和植物连接并进行调试（图3）。在课上进行模拟实验，要求每间隔3 min 为植物定量浇1 次水，装置调试完成后画出装置设计图。

图3 植物水肥自动补给系统

相关讲解：通过直通阀控制水从水箱中流入公道杯（欹器）的流速，使公道杯（欹器）中的水在3 min 时达到触发值；触发后公道杯（欹器）中的水一次性流出并流入到“被浇灌植物”处，实现定时、定量的浇水。如果需要定时5 min、7 min 乃至1 h 等时间，只需通过直通阀控制水流注入公道杯（欹器）的速度，使其在指定时间触发装置自动排水即可。

3.2.5 装置的实际应用 学生利用定植篮、定植棉、纸杯、棉线等设计并制作水培装置培养植物，或利用珍珠岩、泥炭土、纸杯制作植物基质培养装置培养植物。进一步调试自动补水装置至3 d 浇一次水 （每次一杯）。将营养液放入储水箱中，将栽培好的植物放置在装置相应位置培养，观察植物生长状况，适时调整浇水频率和量，实现为植物自动定时、定量补充水和无机盐、让植物在无人照顾时也能健康成长。

3.3 装置拓展：雾培的原理及应用

针对已成功完成上述任务并学有余力的学生，为其讲解雾培植物的原理和基本技术，组织其设计、制作雾培装置。

4 课程反馈及成果

本课程2015—2019年借助北京市教委“北京市初中开放课平台”面向全市初一、初二学生开放，累计5 000 余名学生完成了课程。据该平台匿名调查显示，活动极大地增加了学生对STEAM 课程和生物学的兴趣，好评率达99.8%。

本课程方案获北京市创新大赛二等奖（2017年），在北京市科技节闭幕式上展示时（2016年、2018年），获得一致好评。学生作品（张宸溪、郑乐仪、马雨欣等）获得多项区二等及以上奖项（创新大赛等）。其中马雨欣的作品《家庭化蔬菜雾培无土栽培装置》获得国家专利（2017年）、宋庆龄少年儿童发明奖（北京市一等奖、全国铜奖，2017年）、中国少年科学院“小院士”课题研究成果展示交流活动一等奖（2017年）、北京市创新大赛二等奖等优秀成绩（2018年）。