STREAM理念下小学智能农业课程初探

朱思楠 侯跃芳 王子璇 王菁瑜

【摘要】劳动教育课程作为中小学特色教育发展的重要组成部分，一直广受关注，本课程依托STREAM教学理念，引导学生利用人工智能技术解决劳动教育实践过程中产生的问题。本文论述如何在劳动课程中引进人工智能技术运用跨学科知识解决问题、实施多元评价全面助力学生发展的举措，在培养学生劳动实践能力的同时，涵养其科学精神、人工智能素养，提升创造能力。

【关键词】STREAM课程;劳动教育实践;人工智能技术实践

一、课程背景

STREAM课程项目聚焦科学（S）、技术（T）、阅读（R）、工程（E）、艺术（A）、数学（M）六大核心能力培养。跨学科融合基于STREAM理念，引导学生在研究学习中发现问题，围绕驱动性问题，借助多学科知识要素进行探究学习和活动，依托多角度、多层面的评价机制，引导鼓励学生全方位发展。

2020年，教育部印发《大中小学劳动教育指导纲要（试行）》，对中小学劳动教育的推广与实践提出重要要求，力求充分引导学生积极思考、实践创新，提高学生发现、解决问题的能力与创造意识，促进学生德智体美劳全面发展。

人工智能技术，帮助学生在数字信息技术、科学知识储备等方面实现跨越式发展。 笔者大胆尝试，依托STREAM教学理念，引导学生利用人工智能技术解决劳动教育实践过程中产生的问题，在培养学生劳动实践能力的同时，涵养其科学精神、人工智能素养，提升创造能力。

二、通过劳动实践掌握劳动技能，提升劳动素养

（一）劳动实践场景及描述

为了全面推进绿色质量教育，践行我校习性教育理念，培育学生的个性特长，我校开设了“植物工坊”劳动实践社团。在劳动实践社团中，学生通过亲手种植植物、养护植物、记录植物生长日记等，不仅提升了劳动意识，还掌握了种植的技能，增长了植物相关的知识，学会了与同学合作分享，激发了探索科学奥秘的兴趣。

本劳动实践课程选择了蔬菜的种植和养护劳动。活动初期，学生亲手种植蔬菜，体会种植蔬菜的乐趣和不易。随后安排学生对蔬菜进行定期养护。养护植物，是一个长期的过程，贯穿于整个活动的始终，可以培养学生细心观察的能力。在养护的过程中，学生体会到种植的艰辛与收获的喜悦。另外，在整个活动过程中，学生会将在理论课上学到的知识及实践课上的体验，记录在自己设计的植物生长日记本中，从而有效培养学生坚持记录的好习惯。

亲近自然，拥抱绿色，生命教育在种植活动中渗透着。在“植物工坊”社团，师生收获的不只是蔬菜，更是一种自由幸福的生活经历和成长经历。

（二）劳动实践日志

1.资料查询准备与播种

自2020年10月12日起，我校初步启动了植物工坊社团并带领学生开始了项目式学习：学生依据课本提出的植物种植基本方法，了解植物的基本情况。并且，在学习了种子结构的相关知识后，学生根据季节的要求，种植了这个季节里的特色蔬菜，其中包括学生所熟悉的白菜和萝卜这两种主要的秋冬季作物。根据对作物的研究，学生进行了播种和科学的浇水种植。同时，教师要鼓励学生绘制并书写心得。

2.植物生长的观察记录

12月，学生仔细观察了播种的白菜和萝卜种子，惊奇地发现部分种子发芽的现象，明白了种子发芽需要先仔细地呵护它们。因此，学生借助水壶进行浇水和养护，并去除了杂草。通过这堂课程，学生了解了种子发芽的基本知识，并且对新植株进行了仔细的观察和研究。

3.植物生长中的问题与解决

1、2月的深圳，降水量相对较少，学生发现地面经常会出现结块和干裂的现象，由于课程安排是每周只有两节课，浇水的频率相对较少，导致菜园的地面比较干燥，严重影响到了发芽后种子幼苗的生长。浇水较多的位置，幼苗生长较为健壮，而浇水较少的位置，幼苗的发育则比较停滞，甚至有些幼苗出现变黄的情况。

通过师生共同查找资料，学生发现水量的缺失也有可能导致幼苗的生长缓慢，甚至导致幼苗死亡。为此，学生开始思考如何能够设置一系列的装置，在不需要人为的条件下也能实现自动灌溉。

三、运用跨学科知识解决问题，提升综合素养

（一）自动灌溉装置的研发与讨论

经过一个假期的思考和研究，学生发现可以通过增大浇水量及增大光合作用的时间、天数，增加光照来有效加速植物的生長。经过学生大量的资料研究，发现了一些能够加快植物生长的方法。并且，学生从此着手来寻找制作一个能够有效辅助浇水并且能够增加光照的装置。

经过师生共同的合作、不停的努力，学生设置了一个能够通过光感装置及湿度感应装置这两个装置进行辅助的相关设计，以此来达到自动浇水、自动补光的效果。

（二）人工智能工具（作品）的使用（制作）过程

机器学习：1.了解光敏传感器的工作原理：当外界环境光线的强弱发生变化的时候，传感器的阻值也相应发生改变，并把这种变化传输给机器人的微电脑。2.RC编程：进入RC编程平台主界面，编写让机器人不停地检测光源的程序。3.测试。光敏机器人检测不到光时，彩灯亮起;光敏机器人检测到光时，彩灯熄灭。经检测，此程序满足在光线不足时提供装饰和照明服务的要求。

（三）技术实践性验证

1.学习诺宝RC编程基础知识配合五年级下册的信息技术课程内容;2.学习光敏机器人的编程;3.通过检验，证实编程后的硬件能够识别出强光和黑暗环境，有效控制命令下一步的进行。

（四）机械结构设计

1.购买湿度感应模块、功能盒下盖、数据输出总线、湿度传感器插座、水泵出水口、水泵供水口等，尝试组装;2.优化湿度感应器装置结构;3.决定添加自动感光、补光装置，购买光传感器插座、水泵插座、七彩LED灯插座、七彩灯等，继续安装丰富;4.完善光感装置、调整湿度反应阈值，增加语音播放装置;5.组装系统装置，经过通电测试，装置能够很好地完成浇水、智能补光、播放音乐的任务。

（五）功能完善

1.不同盆栽所需要的湿度值是不同的。学生升级了检测系统模块，添加了设置湿度值的显示装置。这样就可以更直观准确地知道并设定土壤湿度阈值。当湿度低于阈值时启动水泵灌溉，当湿度超过阈值时关闭水泵停止灌溉。实验进行过程中，学生进行了以下的研究尝试：

学生自主设计并进行了对凤仙花发芽中最适宜的湿度阈值的探究活动，实验細节如下。实验材料：一次性透明杯和吸水纸若干，土壤、吸管和铲子。实验步骤：挑选了一些饱满的、没有受过损伤的凤仙花种子。分6组进行实验，在透明的一次性杯子内壁垫几层吸水纸，装进一些土壤，使纸巾贴住杯壁，再将一次性杯子的底部钻一个小孔，接着把凤仙花种子放在杯壁和纸中间，在不同的方向都放置种子。往土壤中浇适量的水，不要让种子浸在水里。在测试土壤中安装湿度检测器装置，改变土壤湿度，静置一昼夜，首先观察种子膨胀的速度;第二观察日，观察种皮破裂速度;第三观察日，观察根的长度与现象。

实验数据记录：

经过一系列的研究，师生共同得出了最佳的试验结果为：当湿度为70%及以上时，能有效帮助凤仙花种子发芽。因此，在本装置的湿度控制上使用的湿度控制值为70%，当湿度低于阈值时启动水泵灌溉，当湿度超过阈值时关闭水泵停止灌溉。

只有灌溉功能还不足以减轻学生一天学习、生活的疲劳。于是，学生增加了光线不足时自动启动装饰、照明的功能，在增长光合作用时间的同时还能欣赏到绚丽多彩的灯光秀。

2.通过仔细观察，学生发现只有视觉效果还不够，还需要听觉上的享受。于是，学生在七彩灯点亮时又增加了语音播放功能。在学生拖着疲惫的身躯回到家时，既能欣赏魔幻七彩灯光秀，又能享受悦耳的鸟鸣及森林中的宁静。

3.完成稳定性测试，具体活动流程图如下。

人工智能工具（作品）解决问题的效果

四、发挥多元化评价优势，全面助力学生发展

本课程的教学与学习过程中运用了“云成长档案袋”，着眼于现当代的课程评价要求——“立足过程，促进发展”，针对学生主体的评价进行多元化扩展。以学生学习情况及作品为评定内容，通过从学生自评、生生互评、教师评价与家长评价等四个角度评价的维度量表，评价学生的知识、能力与素养所得，并将学生完成的作品上传到数据库中，通过数据库进行数据统计与评价，具体评价制度如下。

（一）学生自评

在一个阶段的学习后，组织学生对能体现学生成长的材料进行收集、归袋。每月底，将本月课堂评价表和家庭作业反馈表归袋。对于平时的作品，教师也要及时提醒学生收集。学生通过独立的、理性的反思形成个人目标，通过课程实践和教师、同学一起交流，从而发展自身的创造性、社会性;另一方面，这样的过程充分体现了评价的真正目的，即教师通过与学生交流分享，让教师和学生共同对评价产生认同感。这样，学生才能在评价的引导下不断完善自我，实现成长和发展。

（二）生生互评

小组上台汇报各自成果后，其余小组对其汇报情况进行评价，整理评价结果，评选出“最受欢迎小组”。

（三）教师评价

学生在每次劳动实践课上都需要记录本节课的原理、过程、注意事项、结果和反思。所以，教师需要对学生植物工坊画册的完成情况进行评价。以科学学科为例，评价标准如下：

五、结语

基于STREAM理念的劳动教育课程颠覆了传统的劳动教育形式，人工智能技术的引进赋予了它全新的生命力。学生通过跨学科融合学习的方法积极思考，针对劳动过程中发现的问题提出设想，设计方案，准备材料，制作作品，反思总结完成科学探究的全过程，将美术、劳动、科学、数学、语文等学科知识进行有机融合。将劳动育人与人工智能进行有机结合，能够更加有效地帮助学生开展探究性学习、创造性学习，实现学生终身发展。

参考文献：

[1]张翔，王正丽.一种新型的农学盆栽用高效灌溉装置[J].农业开发与装备，2021（5）：141-142.

[2]李烨桐，孙娜，刘锐等.基于单片机的花卉物流实时灌溉系统设计[J].物流技术，2021，40（5）：118-122.

[3]刘俊萍，李吉鹏，史永杰等.水肥一体化灌溉装置蠕动泵结构优化[J].节水灌溉，2021（2）：70-74.

[4]向艳艳，黄运湘，龙怀玉等.负压灌溉对菠菜生长及水分利用效率的影响[J].排灌机械工程学报，2021，39（1）：68-74.

[5]刘倩，杨兰，蔡松等.一种树木集水灌溉装置研究[J].科技创新与应用，2020（31）：24-25.

[6]于浩，孟龙起，韩宇航等.基于32单片机控制的智能灌溉系统[J].科技视界，2020（11）：107-108.

责任编辑  陈红兵