——以《智能蔬香园的灌溉系统》为例

  摘 要：本文以有关科学的SETAM课程——《智能蔬香园的灌溉系统》的小组研究性学习课题为例，通过介绍课程的实施过程以及对STEAM教学实践的认识与体会，以期为中学教师开发STEAM教学资源提供借鉴。
　　关键词：STEAM；案例开发；小组研究性学习
　　一、问题提出
　　STEAM 教育，它不是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Art）、数学（Mathematics）五门学科的简单组合，而是通过跨学科方式综合多学科的相关知识，培养学生的实践能力与问题解决能力[1]。 2015年教育部在《关于“十三五”期间全面深入推荐教育信息化工作的指导意见（征求意见稿）》中首次提出要“探索STEAM教育、创客教育等新教育模式”。2016年教育部在《教育信息化“十三五”规划》进一步要求：“有条件的地区要积极探索信息技术在'众创空间'、跨学科学习（STEAM教育）、创客教育等新的教育模式中的应用，着力提升学生的信息素养、创新意识和创新能力，养成数字化学习习惯，促进学生的全面发展，发挥信息化面向未来培养高素质人才的支撑引领作用。”在国家教育战略的引领下，我国的STEAM课程也在不断的实践与改进。但目前的STEAM课程集中于以创客中心或小创客为载体的微课程中进行，而在小组研究性学习中，STEAM课程该如何渗透还没有深入的研究，因此本文以小组研究性学习《智能蔬香园的灌溉系统》为载体，尝试在小组研究性学习中深度融合STEAM课程理念。
　　我校蔬香园的建成为在校班级提供了良好的研究土壤环境、植物种植与生长探究等相关问题的平台。但如何保证定期为植物浇水则成为首要解决的问题。我们结合学生意愿，挑选了八位同学，成立了STEAM课程理念下的《智能蔬香园的灌溉系统》研究性学习课题小组，最终解决蔬香园植物的灌溉问题。
　　二、 学习目标
　　1. 科学课程目标
　　以小组研究的方式进行，通过自主探究、亲身实践的过程，提高学生收集与处理信息的能力和综合应用知识解决实际问题的能力；通过调查、测量、参观、实验检测、模型制作等实践活动培养学生的问题意识，让学生学会在研究中获取知识，在研究中成长。
　　2. 工程与技术目标
　　通过对电子电路设计，项目工程设计以及编程语言的学习和初步运用，使学生了解现代科技，对智能化、现代化和网络工程有一定的了解和学习基础，培养学生对高科技领域相关内容的兴趣。通过对模型的设计与制作，锻炼学生的动手动脑能力。
　　3. 数学目标
　　学生通过调查、采访、制作表格，设计实验等多种形式，通过数据的收集与分析，发展学生的综合实践能力、创造性的能力和创新精神。
　　4. 艺术目标
　　通过阶段性汇报活动，培养学生的归纳总结能力、表达交流能力，在交流中分享成果、相互学习、相互促进，培养学生的团队意识。
　　5. 德育目标
　　通过对种植园的种植的参与和管理维护，使学生可以真实地感受食物的来之不易，有利于培养学生的节约意识和关注社会热点问题的意识。
　　三、 实施过程
　　1. 设计研究过程
　　蔬香园里的种植分为了无土栽培和有土栽培两类，我们选择先从无土栽培自动浇水设计开始。如果该模型设计成功，就可以复制到有土栽培上。
　　（1）无土栽培箱的自动水循环与灌溉系统设计与研究
　　我们选择以单片机为处理器，将整个系统分为供电模块、信息采集模块和信息处理模块，分别由三个小组负责研究。
　　三个模块之间的关系图如下：







　　（2）模型设计
　　①供电模块：
　　如何给各种电力设备供电并能在户外持续供电，最终通过讨论，我们确定用太阳能电池板。在设计充电模型的时候需要考虑三个问题，一是太阳能电池板的输出功率是多少，需要多少块太阳能电池板？二是需要给电机提供多大的电压？三是如何确定蓄电池的大小及如何控制太阳能电池板的充放电？为了使太阳能发电系统能为负载提供足够的电源，就要根据用电器的功率，合理选择各部件。通过万用表进行实际测量电流与电压，计算其输出功率。由于受光照强度和环境影响，测量值肯定是变化的，我们只能根据多次测量的结果进行估计。
　　通过估算，我们将剩下的4块太阳能电池板做了组合，并结合小型抽水机输出功率的需要，最终我们采用了一个6V铅蓄电池组、两块太阳能电池板以及一个DC自动升降压电源模块，确保外接设备的电压稳定。
　　②信息采集模块：
　　根据无土自动灌溉系统的特点，小组成员想到了水位自动控制器。等拿到网购实物才发现，由于实物太大根本不能放进水培箱。最终师生共同讨论出利用湿度传感器来作为水位触发装置。通过实验我们发现湿度传感器完全符合我们的要求。
　　③信息处理模块：  
　　根据灌溉要求，既要实现无土水箱中的流动水循环，又要实现按需供水。结合实际情况我们最终采用两个小型抽水机，一个置于上层，往下层持续抽水，实现不间断的水循环；另一个根据传感器搜集的信息反馈按需要加水。在第二个电机电路中加入电磁阀装置来充当其电路的开关。  
　　（3）模型的组装与系统的运行
　　首先是电路设计，由于小组成员都没有接触过电学知识，所以我们首先安排学生自主学习一些电路基本常识。小组成员通过分享和讨论，设计出了电路图。电路中包含一个充电电路（如图1所示）和四个独立工作电路（如图2-图5所示）。













　　接下来，小组成员开始将模型用于实际场景中。通过小组讨论发现，我们需要关注的不仅仅是模型的尺寸，还包括太阳能电池板以及蓄电池的放置位置。每一步设计的合理与否都对最终系统的正常运行起着重要的作用。
　　最后，我们成功地对模型进行了装载与调试，从而实现了无土栽培植物的自动水循环与补水灌溉。
　　四、反思与交流
　　在本次实践活动中，我们重视学生的参与过程。当学生遇到问题时，我们更加关注他们会从什么角度去思考问题，会以什么方式去解决问题，而不是解决问题的最终答案。我们也特别注重每一个学生的体验。凡是学生能够自己完成的项目和任务，我们尽量都不参与。一个简单的任务也会花费很长时间，这种“效率低下”的方式却是非常有价值的。甚至在保障安全的前提下，我们鼓励学生们去试错，愿意和他们一起反思和总结，因为失败也是实践中非常重要的经历。从发现问题到方案设计；从模型制作到装置改进，学生不断的经历着发现问题、解决问题的的过程；学生不断的运用自己的认知和能力解决真实问题。在这种真实情景中解决问题，学生的问题解决能力、质疑与创新能力以及实事求是的科学精神都得到了长足的发展，这充分体现了STEAM课程对学生能力的培养，也证明了STEAM课程的价值所在。
　　当然在本次融入STEAM课程的小组研究性学习中，也还是存在着一些问题。首先是缺乏科学的评价机制，每一个学生都是独立的个体，他们在面对真实情景问题时的处理方式与反映本就不同，这里没有严格的优劣之分，那么我们应该如何更加客观而科学的评价孩子在STEAM活动中的成长与收获还有待进一步研究。其次，STEAM教育是一种跨学科的教学方式，它更强调综合性。我们的教师则是按照分学科的模式培养的。因此，我们还缺少能够把学科整合的综合师资力量。
　　总之，STEAM教育是一种新的教学方式，是一种高级的学习形式，是获取隐性知识的重要渠道，是培养创新精神和实践能力的重要途径。“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”，希望通过STEAM教育更好地激发学生的好奇心与创新思维，从而促进学生的全面协调发展。
　　参考文献：
　　[1]董宏建，白敏.中国理工科 STEM 教育发展探究[J].现代教育技术，2016，（7）：12-17 

• 【发布时间】2022/6/20 9:44:31
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