做好科学教育加法理念下的生物学跨学科综合实践

在教育改革的大潮中，“双减”政策的实施为科学教育注入了新的活力，带来了前所未有的机遇与挑战。笔者以“温室大棚智能种植”项目式学习为载体，探索一种创新的跨学科教学模式，旨在提升学生的科学素养和创新能力。笔者将传统农耕与现代技术相结合，为学生提供了亲身实践的平台，让他们在真实的科学探究中学习和成长，体验科学探究的乐趣，并在多学科的交叉融合中培养解决问题的能力。这种教学模式的探索与实践，对于推动科学教育创新发展具有重要意义。

一、项目缘起和教学构想

（一）项目背景

在“双减”政策的指引下，教师需改进教学方法，强化科学实践，以增强学生的学习兴趣和提高学习效率。《义务教育生物学课程标准（2022年版）》强调，教师应提供更多机会让学生参与项目式学习和跨学科实践活动[1]。为此，笔者设计了“温室大棚智能种植”项目，为学生提供科技实践和劳动的机会[2]。该项目以种子萌发、果蔬种植和科学问题探究为核心，利用水耕机和温室大棚智能种植技术，围绕果蔬的“播种—催芽—育苗—栽培—采收”等智能种植过程和生长阶段，开展一系列的跨学科探究活动。学生通过掌握智慧种植系统的操作方法与技巧，进行种子处理、育苗、移苗和日常养护等基础实践操作，并借助数字化显微镜探究植物叶片的结构、酸雨对植物生长的影响、维生素含量的测定、叶绿素的提取与分离，以及非洲冰草种子的催芽育苗等。

（二）“智能种植”项目教学任务与目标

随着农业科技的飞速发展，温室大棚智能种植作为一种新型农业生产模式应运而生，该模式利用信息技术和物联网技术实现农业生产的数字化、智能化和自动化。项目组通过体验水耕机、智慧大棚的生产场景和种植设备，深入了解智能种植的概念、原理和应用方法，体验现代农业的智能化和高效性，并掌握智慧农业场景应用的传感器、执行器及其功能。智慧大棚的物联网云平台可以通过电脑、智能手机上网查询和检索，管理员可远程操作控制现场电气设备。气象站基础包括风速和风向传感器、雨量传感器、土壤酸碱度和熵值传感器（湿度、温度、电导率）、气象站智能控制箱和基础配件。

笔者开展项目活动，以书面设计、实验实践、口头汇报等形式，开展学生自我评价、同伴互评、教师评价等多元评价，旨在提升学生的核心素养、工程思维与创新能力。学生参与项目式学习活动，完成6个子项目任务（见表1），应达到4个维度的学习目标要求（见表2）。

二、在连续性的跨主题项目活动中推进跨学科实践

学生参与该项目式学习活动需要完成6项跨主题任务，时长可根据实际情况灵活调整。

（一）谁是“金牌设计家”（活动主题1）

在该子项目中，学生需设计种子萌发和科学探究方案，并体验种子萌发实践活动过程。

环节一：回顾种子萌发基本知识。师生提前浸泡种子，回顾种子萌发的条件，借助虚拟仿真技术，在NOBOOK虚拟实验室中快速进行基础实验知识的回顾。总结时使用思维导图软件进行梳理，并借助AI辅助功能，帮助学生进行拓展联想（如图1）。

环节二：设计种子萌发方案。教师引导学生研讨育苗注意事项。学生设计无土育苗方案，包含目的、原理、材料、步骤和预期结果等，互相提问和记录。课后完善育种方案，可在线进行，便于学生查找资料。常用平台为在线文档（如腾讯、金山在线文档），支持用户实时研讨和修改，多人同步修改方案，促进团队协作。编辑内容自动保存，随时调取，便于整理最终方案。教师选取部分方案进行简要点评，并留有充足时间让学生讨论和答辩。

环节三：育苗实践。学生按照方案开始种子萌发实践活动，在喷洒清水的海绵垫上播种。育苗盘需学生用喷壶喷洒营养液，使营养液浸没海绵垫。播种后每天要用喷壶喷洒营养液一两次，注意控制温度，必要时可遮光。定期观察，了解种子发芽、生长情况。温度适宜时，许多种类的蔬菜，在3—5天即可发芽出苗，5—7天齐苗。

环节四：种子萌发记录与日常养护观察。学生进行种子萌发的观察和养护，设计记录表，小组分工，书面记录和照片记录种子萌发和幼苗生长的每日变化。出芽后的植物要置于光照下（大棚人工光源LED灯亦可），一周后绿化。当植物长出两片小叶时，需定时增加营养液以满足植物生长需求。该阶段的环境控制包括温度、光环境以及营养液离子浓度（EC）等。

环节五：项目阶段进展的小组汇报。学生用“测定种子的发芽率”实验中测定发芽率的方法，计算种子发芽率。学生进行阶段成果汇报，用文字或视频交流体会。教师对其做过程性评价。

（二）谁是“植物魔法师”（活动主题2）

教师使用希沃平台录制“知识胶囊”微课视频，灵活性强。学生无需下载应用，根据需求扫码即可观看微课，对存疑的部分加强理解，提高学习成效。

环节一：介绍水耕机。教师介绍水耕机的工作原理，介绍配套的材料用具。学生熟悉水耕机的基本结构，认识种植槽、种植篮、种植棉、种植孔、补氧系统、补光系统。学生认识到不同植物种类所需的光照时间不同，而水耕机的智能传感器系统通过使用定时器和自动补光系统促进植物生长。植物移栽过程中对根部有氧呼吸和吸收无机盐的研究，需使用增氧泵、离子传感器。

环节二：配备营养液。教师简要介绍称量步骤，并设置问题：“如何科学地配置营养液？”清水、 抗菌水及营养素的比例为600 mL（清水）∶1 mL（抗菌水）∶0.5 g（营养素）。一个种植槽中12000 mL水，需要配制多少抗菌水，添加多少营养素？学生计算 ：抗菌水为12000/（600×1）=20（mL），营养素为12000/（600× 0.5）=10（g），根据计算结果配制营养液。

环节三：幼苗移栽（定植）。教师阐述幼苗移栽定植的目的，指导学生完成一系列实践操作。

环节四：根据虹吸原理为水耕机换水。蔬菜种植后需注意水耕机的日常养护和幼苗的日常维护。植物生长过程中可能出现病虫害、缺素症，这与水质、营养液的成分和用量有关。可用传感器监测水质，对水耕机中的水进行不定期更换。教师介绍虹吸原理和为水耕机换水的方法，指导学生进行灌水、虹吸、擦拭等操作。学生为水耕机换水时，水槽端必须高于水桶端，否则无法虹吸。

（三）谁是“精英研究员”（活动主题3）

各小组依据已定主题开展实验，例如“探究光照强度（或光照时长、营养元素）对植物生长的影响”等研究。以下以“缺素探究”为例具体介绍。

环节一：选材及培养液准备。教师提示与引导学生选择适宜的植株，设计问题情境：根据对照实验的基本原则，选择的番茄幼苗的长势应具备什么特点？常规的缺素培养使用的是相同的容器，在本实验中，如何借助水耕机设计实验，如何操作？学生应选择形成真叶的幼苗，植株长势应该相同，根系完整，一个种植槽中存留的植株数量应该相同；可直接使用种植槽作为种植容器。学生按查阅的资料配制培养液，倒入种植槽。

环节二：移植。教师指导学生用试剂瓶做实验时，注意植物茎的基部要用脱脂棉轻轻包扎，使得植株能固定在试剂瓶中，根系浸没在溶液中。每种元素的研究需要3个试剂瓶。为更好地进行移植操作，教师提出问题：“与常规的缺素培养不同，借助水耕机进行实验，脱脂棉应该用什么材料代替，整体操作和设计上有何便利之处，如何操作？”学生思考并回答：一个种植槽放置多株植株，增加样本数量，提高实验准确性和可信度。移植过程，学生的操作流程如下：选择4个种植槽，洗净。茎基部用种植棉固定在种植篮中，放入种植孔中，根系浸没在溶液中。在每个种植槽上注明不同处理，分别标记为缺氮、缺磷、缺钾、对照组。教师巡视，适时给予指导。

环节三：日常养护设置。学生完成日常养护：①将试剂瓶放在阴处1天，再放在光照充足、温度适宜处培养；②每周更换培养液，每隔3天加1次蒸馏水，补充至原培养液体积；③每2天用双连球通气一次。学生进而体验水耕智能种植系统的优点：①自带光源，可调节温度，在条件设置上更易保持相同且适宜；②定期加清水，补充种植槽中培养液，采用虹吸法更换培养液；③自带氧气泵，保证根部呼吸所需氧气。

环节四：阶段成果汇报。教师组织阶段性的成果汇报展示，使用Excel的基础功能即可满足数据处理需求。评价方式为小组互评、教师点评、学生反思。各组学生用多种形式展示和汇报实验的过程与探究结论（如图2）。小组间互评，提出疑问或建议。各组进行答辩和反思。

（四）谁是“实力创作家”（活动主题4）

教师组织学生完成叶拓画、植物印染环保袋、滴胶作品、干花制作等文创品，使用希沃一体机配套的软件（希沃授课助手）实时展示成果，阐述作品的创作理念和内涵，方便快捷地将作品通过投屏软件展示在大屏幕上，进行简要点评，增强活动的互动性（如图3）。

（五）谁是“发明小工匠”（活动主题5）

学生从技术与工程角度出发，使用Arduino主板、光敏传感器、温度传感器、土壤传感器、TECL热电制冷元件、显示器、LED灯、按钮、水泵、多邦线、铜丝、收纳箱等，完成智能微型环保水培机的设计和制作，使用传感器可采集直观的数据结果。学生整理探究过程与成果，运用剪辑软件如剪映、Camtasia、ArcTime制作科学影像视频，对实验进行梳理和总结。教师采用无线便携录播主机在5G通信网络的加持下，构建生物园植物培植课程的在线直播和学生输入与输出知识（展示作品）的平台。

（六）谁是“大棚小管家”（活动主题6）

活动一：温室大棚土耕区栽培作物。选取自己喜欢、适合的种子，记录种子信息，提前浸泡过夜；认识种植工具——耙；沿着滴灌管路，将种子放进土里（配合铲子、耙子），注意合理密植，定期维护，浇水、施肥。

活动二：配置辣椒大蒜水。配置辣椒大蒜水做生物农药；观察未喷施、喷施不同辣椒大蒜水用量浓度的施用效果。

活动三：在温室大棚进行水培育苗。提前泡好种子，记录信息，将种子卡在正方形海绵圆形凹槽十字缝隙中央；进行苗期维护。

活动四：在温室大棚进行水耕移植。将符合“两叶一心”、适宜株高等移栽条件幼苗的海绵块取下，将幼苗塞入水耕架种植篮；将移好苗的种植篮放在水耕大棚四周的种植架上；测量数据，记录作物成长过程；调节参数确保作物健康生长。

三、生物学数字化和跨学科项目教学的实践与思考

（一）“智能种植”项目实现传统农耕与现代技术的深度融合

学生通过实践体验温室大棚的智能种植功能，认识到智能种植项目推动了传统农业生产与数字化技术的深度结合。第一，智能系统通过联动温室气温和营养液温度监测传感器，自动调整空气和营养液的温度。第二，实现自动调节与控制湿度。第三，LED光照系统可调节光照时长和光源类型。第四，系统实时监控二氧化碳浓度，通过堆肥处理和封闭系统内增加“气肥”来提高二氧化碳浓度。第五，灌溉一体化设备管理控制器让水以管道和滴头形式，定期、定量渗入作物根系生长和发展区域，使土壤始终保持疏松状态并确保其含有适当的水分。第六，EC检测器可显示土壤、水层中营养肥料的浓度（用电导率表征），当EC检测器数据显示营养液离子含量降低时，启动补液提醒功能。

（二）数字化综合实践落实了“双减”提质增效的理念

“双减”要求教学要提质增效，教师积极引导学生关注智慧农业，了解科技在生产生活中的具体应用场景。在种子萌发实践和水耕机应用实践中，学生的学习动机被极大地激发，他们亲身体验到种子从萌发到植物生根发芽直至成熟可供采摘的全过程，感受到生命的神奇力量和劳动后收获的喜悦。

综合实践创新体现在以下三点。一是开展个性化的植物种子萌发及种植活动。开展这种兼具趣味性与创造性的设计性实验活动，能促进学生核心素养的发展。二是该数字化项目尝试融入跨学科要素，搭建知识和能力的综合网络，丰富和延展了科学素养的内涵。基于生物学知识，联系物理、化学和地理知识，渗透数学和信息科技知识，并锻炼学生书面和口头表达能力。三是该项目作为科技实践劳动课程，促进了初中学生科技素养发展和实践劳动能力提升。教师通过指导学生完善科技作品、主动展示小组的水耕种植成果和工程作品，践行了“双减”提质增效的理念。

（三）跨学科项目学习有助于促进学生全面发展和核心素养提升

生物学是现代科学的重要组成部分。笔者围绕生物学，融合科学探究、技术实践、工程应用、数学应用、艺术素养培养，以“温室大棚智能种植”项目式学习为中心，引导学生分组研讨，解决问题，以智能种植问题为导向完成任务，是一种可行且高效的教学方式。教师从学生已有的理论知识和生活经验出发，创设生活中的问题情境，引导学生不断探索，培养学生实事求是地进行科学探究，所培养的能力既全面，又使学生终身受益，这有利于全方位提升学生的核心素养、工程思维、创新能力。

注：本文系广东省教育规划2025年度中小学教师教育科研能力提升计划的重点项目“文化自信背景下科学教育中讲好中国科学家故事的实践研究”（立项号：2025DQJK31）的阶段性研究成果。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部.义务教育生物学课程标准：2022年版[S].北京：北京师范大学出版社，2022.

[2] 林建芬，王瑜，曾玉芳，等.青少年科技创新课程体系的构建与实践：以深圳市宝安中学（集团）实验学校为例[J].教育与装备研究，2020（5）：35-38.

[作者林建芬系广东省深圳市南山区蛇口学校教师，本文通讯作者；肖晓婷系广东省深圳市宝安中学（集团）实验学校教师；陈萍系华南师范大学教育信息技术学院硕士研究生；张梓燕系华南师范大学数学科学学院硕士研究生]

责任编辑：祝元志