智能农植园模型的设计与制作

杨超博 范向花 闫俊 王萍

项目目标

培养学生对农业的兴趣及投身乡村振兴的主动性， 将现代农业与科学结合，通过系列传感器、数据采集器、相关软件培养小学生的科学探究能力，引导学生打破学科界限，尝试运用综合思维，从不同学科的“跨界合作”中全面、整体地认识事物，鼓励学生化身为21 世纪新农民，设计搭建智能农植园，体会信息科技的魅力，使传统农业更具“智慧”。

项目简介

项目以“设计与制作智能农植园”为主题，综合利用地域优势及吉林省科技馆“现代农业”和“现代信息技术”展厅的教学资源，对接《义务教育科学课程标准（2022 年版）》中“工程设计与物化”学科核心概念和“结构与功能”跨学科概念，采用STEM 教学理念，基于项目的学习、情境教学等教学方法，通过展厅参观、模型制作、发布展示会等多种活动形式，探索新型智能农业形式，将科学知识与科学方法更好地融合，激发学生的创新思维，培养学生的创造能力。

项目设计

项目开始前，引导学生阅读现代农业新闻资讯，了解国内外智慧农业的发展现状，指导学生通过问卷调查、访问等多种形式调研身边人对智慧农业的了解，激发学生对智慧农业的兴趣。此外，利用地域优势组织学生参观吉林省农科院、农博园，感受智慧农业的重要性。通过参观吉林省科技馆现代农业展厅和现代信息技术展厅，让学生了解现代农业技术和各种传感器的特点与功能，为搭建设计智能农植园模型作铺垫。

项目材料

PVC 板、PVC 管、PVC 管接头、电烙铁、美工刀、记号笔、小灯泡、灯带、单刀双掷开关、螺丝钉、螺丝刀、土壤、植物幼苗、电源适配器、电工胶布、各类传感器和电子元件等。在项目实施过程中，教师需提前向学生展示相关工具的使用方法。

项目实施

创设情景，引出项目主题

通过播放国内外最新智能苗圃前沿资讯，激发学生对农业发展的兴趣和探究欲望，鼓励学生自主收集资料并主动调研，学习了解智能苗圃内的湿度、温度、LED 灯光强度配比，以及植物所需的营养配比和最佳昼夜周期等，均能通过中央控制系统进行调控，学习了解环境检测系统、智能监控系统、智能灌溉系统等智能化农业系统。

确定问题，共建概念图

确定活动任务，即：建造一个规定长、宽、高的智能农植园模型，使该模型能够实现智能光控、智能温控、智能灌溉，能为植物提供适宜的生存环境。在明确项目任务后，通过构建概念图，使学生对智能农植园模型的设计和搭建具备整体的认识和规划。

任务１.设计智能农植园模型

活动１. 了解掌握植物生长的必要条件

通过还原科学家海尔蒙特、英国化学家普利斯特、德国科学家萨克斯等的经典科学实验，了解植物生长的必要条件：适度阳光、空气和适量水分，以及植物生长必需的温度和养料。

活动２. 确定智能农植园的“居民”，了解它们的习性

引导学生自主选择农植园“居民”，让学生从被动学习变为主动学习；通过搜集、查阅资料，提高學生的自学能力；组织学生小组交流讨论智能农植园需具备的功能，确定智能农植园模型的组成部分。

活动３. 绘制智能农植园设计图

结合前期调研，让学生画出智能农植园的内部设计图，并标注栽种区、智能装置安装区等主要部分及尺寸和功能，通过绘制智能农植园设计图，将想象中的模型呈现在图纸上，培养学生的绘图意识，并让学生体验真正的工程师必须经历的设计、测量等规划统筹过程。

任务2. 制作智能农植园模型

活动１. 动手搭建智能农植园模型

①选择合适的场所。选择光照时间长的场所，特别是早上光照足的场所，如条件允许，可考虑搭建蓄水池，便于储存雨水等用于灌溉。②选择合适形状的框架结构。一般的框架结构主要有拱形、三角形、长方形等形状，根据设计选择框架形状，并通过查询资料选择合适的覆盖材料。③设计农植园控制系统。通过安装温度传感器和风扇控制温度，其中温度传感器分散安装，以便随时观察各个位置的温度，风扇安装在角落，并伴有通风孔；安装土壤湿度传感器检测土壤湿度，以便适时给植物浇水。需要特别注意室内的二氧化碳浓度，虽然植物的光合作用需要二氧化碳，但在相对封闭的空间内，二氧化碳浓度太高反而不利于植物生长，因此安装通风系统非常必要。

智慧农业是在信息技术和先进装备条件的基础上，实现生产过程的精准感知、智能控制、智慧管理，追求农业更高的资源利用率、更高的劳动生产率和更好的从业体验感。因此，在模型制作中除了基于设计图稿完成模型搭建，学生还需思考如何使智能苗圃更加节能、如何进行智能灌溉、如何自动调节温湿度、如何调整昼夜周期、如何降低育苗成本、如何缩短育苗时间等问题，培养基于证据改进实物模型的设计与制作能力。

活动２. 测试与优化智能农植园模型

首先，观摩其他小组的模型， 反思本小组的模型是否有可以改进的地方，小组讨论后进行修改。然后，检测智能农植园模型的结构和各项系统是否安装到位。通过工程项目书的撰写，帮助学生梳理总结设计思路、工程预算，明确智能农植园的检测方法及验收标准，逐步培养“问题—改进—新问题—再改进”的实践习惯。

任务３. 智能农植园程序编写

以夏天培育某种植物为例，程序要求如下。①空气温度。例如适宜温度25℃，高于30℃，启动降温装置（加湿风扇）；低于20 ℃，启动升温装置（加热白炽灯）。②自动浇水。土壤干燥时自动浇水，土壤潮湿时停止浇水。③光照强度。光线不足时自动补光，光线过强时自动遮光。小组讨论后提交智能农植园程序图，通过编程让学生将理论应用于实践，提高学生的编程能力与实践能力。

以夏天培育绿萝为例编写程序，描述：根据温度传感器、湿度传感器和光照传感器检测到的环境信息，风扇、水泵、灯带、报警器等传感器协调工作，实现智能温控、智能灌溉和智能光控。

成果交流

为充分调动学生的积极性，丰富活动内涵，展现学生动手动脑能力，拓宽学生的表达能力，特设智能农植园博览会环节，并邀请专家和教师对学生作品进行评价。

后测与拓展

引导学生开阔思路，通过改进模型结构，增加不同传感器的电子元器件、单片机编程等方法，不断更新迭代，以实现智慧农植园的不同功能。