智慧农场跨学科学习项目助推创新人才培养

潜江市曹禺中学坚持在“双减”政策背景下做好科学教育加法，聚焦创新人才培养推进基于探究实践的科学教育。学校通过创建智慧农场让学生了解科学技术在农业生产中的应用，切身感受科技的魅力，增强科学探究的兴趣；通过开发基于智慧农场的跨学科学习项目，让学生在项目的引领下开展种植劳动实践，探究智慧农业生态问题；鼓励学生基于劳动过程中的真实问题自主设计学习项目，进行科创实践，切实提升学生的科学素养和创新精神，涵养学生的科技报国情怀。

一、基于物联网技术创建智慧农场跨学科学习平台

基于物联网技术打造的智慧农场设有户外种植区和室内种植区，可以实现对植物生长环境的实时监测和管理，包括户外种植区土壤湿度、温度和氮、磷、钾含量的监测，气象监测，自动浇水管理等，以及室内水培区水质和菌类培育室光照、湿度、温度等的监测和管理，为学生搭建了开展科学探究实践、学习智慧农业管理的优质平台。同时，学校聘请市农业农村局工作人员等提供技术指导，一方面维护农场智能监测和管理系统，使之自动、科学、高效运转；另一方面指导学生进行种植实践，完成相关的科学探究任务，揭开智慧农场的奥秘。

智慧农场依托物联网技术将乡土地理环境、植物生长特性、种植实践活动与硬件系统搭建、软件功能调试、创意程序开发等有机结合，为学生的劳动实践、跨学科学习、研究性学习创造了条件，有利于学生体验传统农业与现代科技融合的魅力。

二、依托智慧农场设计与实施跨学科学习项目

智慧农场为科学教育与智育、美育、劳动教育的有机结合提供了实践载体和场域，不仅能让学生深度体验科技在农业种植中的作用，充分感受劳动实践的乐趣，还能依托本地特色农作物半夏的科学种植与养护、基于“虾稻联作”模式的“鱼菜共生”生态系统探究等项目，培养学生的跨学科素养，激发学生对家乡农业科技事业的热爱，在学生心中埋下科技报国的种子。

半夏和大豆等农作物是潜江农业的名片。学校智慧农场的户外种植区种有半夏，学生可以了解半夏种殖的基本原理，亲身进行半夏的栽培实验，探究气象、土壤、温度与半夏等植物生长的关系，从而深刻认识江汉平原土质特点对发展半夏等潜江特色种植产业的优势。对于发育不良、生长缓慢和种植失败的植株，教师可以引导学生在劳动过程中发现问题、提出猜想，进行实验研究并总结经验，最后撰写科普小论文，以提升科学探究素养。与半夏同步种植的还有辣椒、南瓜、番茄等蔬菜。等到丰收季节，学生可以参与采摘蔬菜并就地取材，结合各种蔬菜的特点开展“科创智造”活动，如校园植物标本采集与叶脉书签制作、天然色素提取与创意扎染实践、番茄果酱配比研究与制作、植物拓染创意绘画与作品数字化展示等。

潜江“虾稻联作”特色农业模式体现了科学、生态养殖的现代农业发展理念。在此启发下，学校开发了“鱼菜共生”生态系统探究项目，在智慧农场的室内水培区应用营养膜管道栽培技术建造了“鲤鱼—生菜”共生系统，利用水产养殖的废水作为水耕栽培的营养液，实现鱼类生长和植物生长之间的互利循环。学校还应用传感器技术实时监测“鱼菜共生”生态系统的水质和植物生长情况，为学生开展科学实验探究提供数据支撑。依托该项目，学生可以观察水培植物与鱼类混养的生态环境，了解“鱼菜共生”的原理，增强生态环保意识；学习“鱼菜共生”系统的设计及建造，尝试制作简易的可实现“鱼菜共生”的装置，增强动手操作能力和创新创造能力；参与无土栽培的综合实践活动，提高实验探究能力和劳动技能。在此过程中，教师进行“双师”课程的研发与探索，如生物学教师和化学教师联合设计、实施“鱼菜共生”水肥配比探究子项目，物理学教师和信息科技教师联合设计、实施“鱼菜共生”补光灯设计与安置子项目等，以丰富学生的学习体验，增强学生的跨学科学习能力。

在探究上述特色学习项目设计与实施的基础上，学校以“农业生态系统”为主题构建智慧农场跨学科校本课程，通过设置“物联网技术在农场管理中的运用”“影响植物生长的环境因素探究”“无土栽培与人工养殖综合实践”等子课程，统整零散的现代农业技术知识、种植养殖劳动实践和农场科创实践活动，涵盖生物、化学、数学、地理、信息科技和劳动等学科内容，并以“课堂理论学习+农场实践体验”为主要实施方式，促进实践活动、特色项目的课程化，突出学生学习的过程性、体验性、探究性和创造性。

三、基于真实问题自主设计个性化学习项目

除了以上规划好的学习内容，学校还鼓励学生基于智慧农场科学探究中的实际问题，根据兴趣点自由组成科创小组，自主开发个性化的学习项目。开发内容包括自主确定学习主题和目标、设计学习任务和过程、策划成果总结与展评活动等。

例如，针对智慧农场户外种植区农作物被鸟类破坏的问题，部分学生联合学校创客社团组建科创小组，确定了“制作简易智能化驱鸟装置”的项目式学习主题，设想使用人工智能技术，利用多种传感器等部件，制作一辆智能巡逻小车，有动物来偷食时，小车就以声、光、电的形式吓走它们，这样既不伤害小动物，又能有效保护农作物。由此，学生确立了项目式学习目标——制作一辆具有上述功能的智能巡逻小车。

为了达成项目式学习目标，科创小组学生在信息科技教师和创客教师的共同指导下，确定了制作智能巡逻小车要突破的两个技术难点，并据此分成两个探究小组。第一组主要负责自动避障功能的探究与实现，使智能巡逻小车可以通过图像识别技术和激光雷达技术，实现自动判断前方障碍物并通过拐弯方式避开障碍物的功能。第二组主要探究图像识别技术与传感器的配合，使智能巡逻小车通过摄像头实时获取前方图像数据并传输给计算机，计算机通过图像识别技术判断是否有鸟类，如果有鸟类出现则启动驱鸟模式，利用扬声器发出声音，驱赶鸟类。攻破技术难题后，两个小组共同负责组装小车。在整个探究过程中，学生综合应用信息科技、物理学、生物学和数学等学科知识，迁移运用实验探究的方法，充分发挥计算思维、建模能力和创造能力，顺利完成了智能巡逻小车的设计与制作。

经过个性化的项目式学习，学生不仅发展了观察能力、思考能力、实践能力和创新能力，提升了科学素养，还收获了学习成就感，增强了科学探究的兴趣。学生最终完成的智能巡逻小车让他们感受到科学技术在促进社会发展进步方面的重要作用。这样的学习过程帮助学生厚植了科技报国情怀。

（作者单位：潜江市曹禺中学）

潜江市曹禺中学坚持以学生成长为中心，全面实施以落实立德树人根本任务为核心、以培养创新精神和实践能力为重点的素质教育。学校着力做好科学教育加法，重视德育管理和学科教研，以促进教师专业素质提升和学生全面健康成长。