跨学科实践能力的培养——以无土栽培装置制作为例

张艳萍 李金耿

(山东省淄博张店区建桥中学 山东淄博 255000)

“植物的生活”是《义务教育生物学课程标准(2022 年版)》中第四个学习主题。 “栽培一种常见植物,观察其生长发育全过程”以及“运用无土栽培技术栽培一种植物”是学习活动建议中的重要内容。 教师以栽培一种植物作为单元课题,学生通过设计制作无土栽培装置,亲历种子萌发、生长、开花、结果等过程,建构绿色植物生命周期的概念,学生还可以通过该过程进一步探究光合作用、呼吸作用、蒸腾作用等生理活动。 教师通过引导学生利用身边的材料设计制作无土栽培装置,提升学生的跨学科实践能力,激发学生的探索热情。 下面介绍三种简易的无土栽培装置,以期为师生的设计制作提供参考。

1 无土栽培装置的制作

1.1 抽水泵式无土栽培装置

学生以油桶和矿泉水瓶作为主要材料,以土壤浸出液作为培养液,通过加装小型抽水泵实现水循环,为植物根部提供营养及氧气(图1)。 第一代实验装置组装后如图2 所示。

图1 抽水泵无土栽培装置设计图

图2 第一代抽水泵无土栽培装置整体外观图

第一代装置整体通电试用后发现以下几个问题:

① 小水泵长时间运行存在过热现象,严重时会烧毁电机;② 夏天的阳光下,培养液温度过高,对植物根系产生危害;③ 阳光下水中易产生藻类植物,一些丝状藻类增多,堵塞水管。 为了解决以上问题,师生对装置进行了改进:① 增加循环定时器,使水泵间歇运行,并在防水罩下方增加透气孔,解决散热问题;② 改进循环水装置(图3),利用洗衣液筒的结构特点加装过滤棉,使回水管的水流先过滤再循环;③ 油桶外加装遮光隔热装置(图4),有效减少藻类植物,防止阳光强烈时水温过高伤害植物根系。 经过改进后,整体装置能实现较长时间自主运行,只需每隔10 天左右加装一次培养液即可,植物长势良好。 该装置的优点是可扩展性强,可以通过增加油桶数量增加种植面积。 同时,油桶体积大,可以容纳较大的根系,培养植物种类多。

图3 改进后的循环水装置

图4 改进后抽水泵的外观图

1.2 循环水泵无土栽培装置

抽水泵价格低、噪音小,使用5 V 电源,安全性高,但也存在散热性差的缺点。 而用于鱼缸、小型鱼池的循环水泵在水中运行,不存在过热问题。 因此学生以循环水泵、流转箱为主要材料,设计了第二种无土栽培装置(图5)。 该装置用于培养刚萌发的幼苗或扦插枝条时,可直接在泡沫板上开孔栽种,用于培养较大的植物时可在定植杯中加装陶瓷颗粒,镶嵌于泡沫板上,以固定植物体。

该装置结构简单(图6),并且周转箱型号全,可根据空间大小自由选择购买。 固定植物的载体为EPE 发泡板,环保且能漂浮在水面,使根系始终接触培养液。 结合定时控制装置,可较长时间自主运行。

图6 循环水泵无土栽培装置整体外观图

1.3 气泵无土栽培装置

植物根系从土壤中获取水分和无机盐,同时需要氧气以维持正常呼吸。 前两个装置主要通过水循环的方式为根系提供氧气。 第三种为气泵无土栽培装置(图7),根据向培养液中直接充气的原理设计。

图7 气泵无土栽培装置设计图

学生制作时,选择一个废弃的冰箱冷冻室的盒子作为主要容器,并在小气泵的外面加装防雨罩,以方便室外使用。 该装置(图8)结构简单,安全可靠,产生的气体量也能满足植物根系的需要,缺点是噪声相对较大。 考虑到光下藻类植物滋生等问题,制作时可以在盒子外加装隔热挡光。

图8 体气泵无土栽培装置整外观图

2 装置制作及使用要点

2.1 培养液的配置

植物根系需要的无机盐种类繁多,人工配制培养液涉及到非常精细的量取问题,初中学生不易掌握。教师可以建议学生采用以下两种方法制作培养液:① 获取土壤浸出液,按土壤和水大约1 ∶20 的比例配制,充分搅拌均匀后,静置24 小时,取上清液并过滤。 ② 购买无土栽培浓缩培养液,按照说明书的比例配制为营养液。 无论学生选择哪种方法配制营养液,都应该在植株生长中期适当添加复合肥,以使植株更健壮。

2.2 幼苗的培养

本单元课题是培养一株植物,若学生运用无土栽培技术从种子开始培养,则需要掌握育苗技术。 教师制作了两款简易的育苗装置(图9),在不锈钢滤网中铺上两层纱布,把种子均匀放于纱布上,在水盆中倒置几个瓷盘,将不锈钢滤网置于瓷盘上方。 学生使用时需要沿盆边沿缓缓注入清水,使清水刚浸湿种子,并将装置放于适宜的温度下。 学生也可以在塑料网上方铺上纱布,并将种子放于纱布上。 与先在土壤中育苗再移入培养液相比,这种育苗方式在移栽时对根系的破坏小,移栽后成活率高。

图9 两种简易育苗装置

2.3 植株日常管理

将幼苗移栽到无土栽培装置后,学生应适当给植株遮阴或将装置摆放于阳光较弱的地方,以利于缓苗。 学生需定期检查植物根系生长情况,如遇到烂根等现象需及时清除并分析原因,关注植物病虫害感染问题,并采取相应措施。 在植物的开花阶段,必要时进行人工授粉。 此外,学生需要及时观察、测量植物生长情况,设计表格进行记录。

3 创新点及反思

3.1 原理简单,动手难度较低,培养学生跨学科实践能力

跨学科实践活动中,教师引导学生基于真实的实践任务,综合运用多学科的知识和方法,通过小组合作、探究和实践等方式实施,形成物化的学习产品和学习成果,提高解决实际问题的能力。 无土栽培装置的设计与制作是培养和观察植物的前提,本项目中教师提供的三种方案均利用学生身边常见的材料制作,可行性高。 同时,装置设计采用5 V 电源供电,安全性高。 三种装置变通性强,可利用多种容器制作完成,利于小组或个人完成。 学生在制作过程中充分利用多学科知识,形成物化的产品,并且通过产品维护,提升其运行时间等过程,提升综合实践能力。

3.2 贴近生产实际,借助植物培养对学生进行劳动教育

跨学科实践是新课标中倡导的重要内容,教师应当首先迈出跨学科实践的第一步,通过形成物化的产品,使学生认识到跨学科实践不是虚无缥缈的,而是与生活生产息息相关的。 现代化农业的高速发展使许多新型的产品和技术得以应用,极大提高了生产效率。 教师的教和学生的学也应该与时俱进,关注最新科技成果,关注农业生产实际,奠定学生热爱科学的基础。 学生通过无土栽培装置培养一种或几种植物,亲身参与实践,了解植物生长所需要的条件及生长的变化。 教师通过引导学生进行微观的农业生产,在教学中融入劳动教育。