智能种植科普与综合实践平台设计

胡岳 王自珍 袁伟 胡孟

摘要：本文基于“乾坤板”，设计了一套智能种植综合实践平台。平台以芽苗菜种植为场景，可根据种植温湿度、光照等环境状态传感和补光、水肥调控等功能需求，进行编程试验。所开发平台通过工程创新培训、综合实践活动、科普讲座等形式在大学和中小学进行推广，通过在家庭与宿舍阳台种植的实际应用，推动了综合实践活动课程的家校社联动。

关键词：智能种植；综合实践；创新教育；科普平台；产教融合

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2024）02-0074-04

引言

作为上海交大未来电网科普教育基地负责人，基于近几年的科普经历，笔者认识到当前高校在基于科普活动进行创新人才培养方面还存在一些不足，具体包括：因科研与教学非紧密衔接的现状，科普活动对教育资源的利用并不充分；因教材更新与技术发展之间的速度差，教学与生产实践脱节严重，产教融合不充分；因升学压力，中小学创新活动呈现低年级活跃高年级基本停滞的特点，并且中小学创新实践活动也主要围绕升学开展，与大学面向产业需求的创新教育无法直接贯通，脱节比较厉害。

针对上述问题，结合上海交通大学未来电网电力科普教育基地“面向创新人才培养”的科普特色，笔者选取“智能种植”项目为内容载体，面向科普和创新人才培养，进行了智能种植综合实践平台的开发。该平台设计以“乾坤板”为基础[1]，以产教融合为设计理念，旨在通过平台的开发设计活动与综合实践应用互动的贯通，衔接大学与中小学创新教育。同时，在中小学阶段，通过家庭阳台种植方式，引导家长参与核心实践活动，形成学校、家庭、社会联动生态。

智能种植实践平台设计开发

经过前期科研项目和中小学综合实践活动课程实际需求的调研，笔者认为，采取项目式教学模式开展综合实践活动比较合适，实践场景和内容需要有一定的趣味性、实用性和技术性，并且具有开放性、启发性和引领性。据此，笔者选择以芽苗菜为主的微型智能种植为具体实践内容，进行了种植设备的框架设计和实践内容的规划。

芽苗菜种植包含了智能种植的大部分要素，可学习实践植物生长的过程，同时，芽苗菜种植周期短，大约一周左右就可以收获实践成果，并且作为一个产业，芽苗菜工厂化生产也是行业发展的趋势。整体设计既具有操作性，又与实际生产结合。如下页图1所示，通过对生物学、信息科技和劳动实践课程大纲的融合需求分析，确定家庭芽苗菜智能种植系统的调控需求，进而选定智能硬件，搭建芽苗菜智能种植系统（基础版），可用于课堂教学和阳台种植实践（家庭与宿舍）。同时，希望在基础版系统实践基础上，能够激发部分学生的创新思维，使他们可以基于前期实践对种植知识和智慧农业深入了解，进一步搭建出满足真实场景需求的智能种植系统。

图2展示了当前设计的一套芽苗菜智能种植系统（基础版）和一套阳台智能种植拓展系统。基础版包含光敏、温湿度、水位、传感器，雾喷水泵、植物补光灯（加热器为可选项）等执行器，水箱、种植盘等组件可放置于避光收纳箱中，系统可通过乾坤板编程。根据不同品种芽苗菜生长需求，自动进行光温水肥气的调控，当接入本地WIFI后，可实现远程监控功能。整套系统由充电宝5V供电，可在课堂、家庭和宿舍多场景使用。阳台智能种植拓展系统基本结构、传感控制硬件与基础版种植系统相同，为进一步适应家庭阳台智能种植需求，重新选择了种植容器，其底部是一个长方形种植盆，種植盆上方为一块垂直绿化植物种植袋挂墙，并将雾喷改为滴灌。系统成本不高，简单实用，且完全满足智能控制的需求。

创新教育课程体系构建

课程以培养学生核心素养为目标，围绕农业种植、信息技术、劳动实践等方面设计科普和工程创新实践活动，并与中小学校园植物角和家庭阳台的智能种植劳动、科技下乡活动结合，形成以真实产业场景为课程体系设计背景，家-校-社-基地联动的科普与创新人才培养模式。

如图3所示，课程开发以智能种植为主题，以当前智慧农业中设施农业为设计背景，以植物工厂为具体参考模型，从使用对象和使用场景两个维度，面向大学、中小学不同阶段的使用对象和学校课程、社会科普及实践活动不同使用场景进行设计。

大学生在学习智能种植系统（基础版）的基础上，主要进行基于基础版的智能种植应用案例开发（工科创1）和新的创新应用系统开发，重点包括乾坤板嵌入式硬件系统中应用坤板的硬件开发以及所开发应用坤板的图形化编程环境的开发，如示范应用程序开发、固件开发等。同时，以智能种植系统的推广应用为主要方式，开展科普资源开发、科普教师志愿者、社会实践和阳台种植等实践活动。在整个课程体系中，大学生主要参与课程开发，参与创造性实践活动，通过系统开发与科普授课，为中小学服务。这样既从形式上衔接了大学与中小学创新教育，也在内容上通过智能种植系统在中小学的应用，提前在中小学奠定了嵌入式系统硬件和编程语言基础，使得嵌入式系统课程在中小学与大学得以衔接。

中学则以学生核心素养和综合素质培养为目标，融合多学科内容，进行综合实践活动校本课程的开发。综合实践活动与生物学（自然）、信息科技等课程融合，学生在信息科技硬件编程体验练习基础上，根据自身条件开展智能种植综合实践活动，其中包括学生家庭阳台种植、学校植物角种植、校园绿化养护、方舱型植物工厂种植等。

小学则以科普感受为主，重在兴趣培养，有兴趣班基础的高年级小学生，可开展智能种植图形化编程体验课。课程对课堂教学课程、综合实践和科普推广活动进行整体设计，由小学到大学，循序渐进，遵循由培养兴趣、引导志趣到形成志向的螺旋上升规律，形成大中小学衔接的创新教育体系。

智能种植系统应用与课程实践

自2019年开发乾坤板以来，开发组选择合适的场景进行了推广应用，前期以小学微课堂形式进行了智能种植相关内容的讲座。

在产教融合方面，开发组基于某公司的垂直农业科研项目，合作开展了模块化智能种植教具系统和课程内容的开发。2023年，为上海市多所学校的学生进行了智能种植的知识讲解和植物工厂补光系统等关键设备的拆解展示，并进行了播种和移栽劳动实践。

在系统应用与课程开发方面，开发组与长沙市某中学组建了多学科融合的课程设计小组，在教学楼楼顶建设了植物角，包含多种种植模式，并在初一开展智能种植基础课堂教学与家长参与的体验式实践活动，初二以兴趣班的形式开设以智能种植为主题的综合实践活动校本课程。经过近一年的探索，初步形成了生物基础课程4课时、学校信息技术应用基础课程4课时、基地参观体验实践课程4课时、家庭种植应用实践课程4课时的课程体系。

另外，开发组在上海交通大学创新教育课程、劳动实践及科普基地传播方面积极进行推广。在大中学衔接培养方面，基于乾坤板的智能种植作为2023年“学森挑战计划”暑期挑战营的模块内容之一，为中学生提供了创新实践机会。[2]同时，开发组以大学创新教育者的身份参加了中国中小学STEAM教育大会，推广微型智能种植系统在劳动教育中的应用，通过组建教师共同体，为满足中小学创新教育和综合实践活动需要的系统开发与课程模块开发夯实队伍基础。在本科创新教育方面，智能种植已列入电子信息与电气工程学院工程创新课程1的拓展模块，同时，阳台智能种植项目已经与笔者所在学校团委等相关部门讨论，后续将以学校劳动教育形式进行推广。

智能种植系统开发推广展望

基于智能种植平台的综合实践活动课程与创新教育初步实现了迭代开发与实践应用循环、大学与中学衔接、家庭-学校-社会联动的格局，但是在实际开发应用过程中还存在很多有待解决的问题。

首先，基于智能种植的综合实践活动课程大面积推广存在现实的困难。虽然核心素养和创新教育已经受到中小学的高度重视，但是在升学压力下，学校难以拿出连续足够的课时来给学生提供训练和实践机会，需要将整个实践活动拆分融入到不同课程中分阶段实施。同时，为了吸引更多的学生对以智能种植为内容载体的创新实践产生兴趣，并通过分阶段的实践逐步形成志趣，需要在智能种植平台设计时考虑更多的场景，最好一套系统具备观察、应用和开发等各种实践场景，照顾到不同阶段、不同层次的需求，因此，按照模块化构建思路对系统进行进一步开发很有必要。

其次，如果智能种植平台要在中小学应用并得到普遍接受，一支经验丰富的课程开发队伍必不可少，除了依托大学生工程实践课程进行软硬件开发外，最重要的是了解实际需求，有丰富教学经验的中小学一线教师的加入。以教师共同体的形式扩展开发队伍，在兴趣爱好与情怀基础上，建立长久机制调动教师共同体成员的积极性是推广应用的关键。同时，智能种植系统中人工智能元素的持续引入也很重要。种植是内容基础，智能是技术手段，产教融合的开发理念决定了智能种植系统的开发必须紧跟产业需求和技术发展的步伐。

参考文献：

[1]胡岳，谢作如.让校园创意和产品开发“无缝”联接——谈乾坤板的设计[J].中国信息技术教育，2021（15）：5-7.

[2]宿舍阳台智慧种菜，电工学堂手脑并用——上海交大开辟创造性劳动大课堂[N].劳动报，2023-3-19.

基金项目：①国家自然科学基金科技活动专项项目“基于产教融合理念的智能种养农工交叉科普平台开发与推广”（项目编号：52242705）；②湖南省首届基础教育教学改革研究项目“面向家校社协同育人‘智能种植’跨学科学习课程开发与实施研究”（项目编号：Y20230099）；③长沙市教育科学“十四五”規划课题“基于家校社联动的中学劳动实践活动实施路径研究”（项目编号：CJKZH202210）；④上海市“科技创新行动计划”农业科技领域项目“模块化高能效智能垂直农场关键系统研发集成及产业化推广”（项目编号：23N21900200）。