智能生態(tài)缸 ——信息技術(shù)賦能跨學(xué)科教學(xué)的實(shí)踐案例

點(diǎn)擊上方 藍(lán)字

文_沈菊穎 秦雪梅/重慶市育才中學(xué)校

本案例依托人教版高中《生物學(xué)》（選擇性必修2）的探究實(shí)踐內(nèi)容“設(shè)計(jì)制作生態(tài)缸 觀察其穩(wěn)定性”，采用Mind+編程軟件搭建程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，以行空板為核心搭建硬件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合防水溫度傳感器、溶解性總固體（TDS）傳感器、溶解氧傳感器及SloT物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)缸生態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、可視化分析，引導(dǎo)學(xué)生探究生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響因素，是信息技術(shù)賦能跨學(xué)科教學(xué)的一次實(shí)踐探索。生態(tài)缸項(xiàng)目在實(shí)踐過(guò)程中需要融合多學(xué)科知識(shí)，具體內(nèi)容（見(jiàn)表1）。

學(xué)情背景

項(xiàng)目實(shí)施對(duì)象為高中學(xué)生，已具備生物學(xué)科生態(tài)系統(tǒng)、化學(xué)學(xué)科飽和溶解氧水制備、信息技術(shù)學(xué)科硬件編程等基礎(chǔ)知識(shí)，但缺乏多學(xué)科知識(shí)融合應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)利用信息技術(shù)解決學(xué)科問(wèn)題的方法途徑較為陌生。

教學(xué)目標(biāo)

學(xué)生學(xué)會(huì)應(yīng)用科學(xué)思維和信息技術(shù)工具解決生物學(xué)科及現(xiàn)實(shí)生態(tài)問(wèn)題，制作生態(tài)缸，通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)采集，利用SIoT物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集與可視化，探究影響生態(tài)缸穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，培養(yǎng)跨學(xué)科知識(shí)應(yīng)用能力、科學(xué)探究能力和科技創(chuàng)新能力。

實(shí)施過(guò)程

問(wèn)題梳理

學(xué)生通過(guò)復(fù)習(xí)生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)，結(jié)合家庭魚(yú)缸、景觀生態(tài)瓶的養(yǎng)護(hù)經(jīng)驗(yàn)，討論并列舉生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性維持過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，從問(wèn)題列表中選出核心探究問(wèn)題，例如，哪些因素會(huì)影響人工生態(tài)缸的穩(wěn)定性？如何通過(guò)信息技術(shù)手段監(jiān)測(cè)并調(diào)控這些因素？結(jié)合問(wèn)題設(shè)計(jì)跨學(xué)科探究方案，繪制生態(tài)缸制作—數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)—分析改進(jìn)的完整流程。

生態(tài)缸制作與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

學(xué)生以小組為單位，結(jié)合生物學(xué)科中生態(tài)系統(tǒng)的組成、能量流動(dòng)規(guī)律、物質(zhì)循環(huán)規(guī)律等知識(shí)，完成生態(tài)缸的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與制作。選取合適的缸體材質(zhì)及基質(zhì)，如水草泥、天然水晶河沙等；確定生產(chǎn)者，如金魚(yú)藻、浮萍、小水蘭等；確定消費(fèi)者，如紅金絲魚(yú)、孔雀魚(yú)、蘭壽魚(yú)、斑馬魚(yú)等；確定分解者，如黑殼蝦、馬來(lái)螺、蘋(píng)果螺等，選取時(shí)遵循能量流動(dòng)10%～20%傳遞效率。生產(chǎn)者覆蓋面積占有效空間的60%～80%，保障能量與氧氣供給；消費(fèi)者總生物量控制在1?L水對(duì)應(yīng)1?cm魚(yú)，避免過(guò)度耗氧與捕食壓力；分解者數(shù)量約為消費(fèi)者個(gè)體數(shù)量的1/2，保障代謝廢物及時(shí)分解，同時(shí)避免過(guò)度耗氧。完成生態(tài)缸的搭建后，進(jìn)行初步定性觀察，記錄生物生存狀態(tài)、水質(zhì)渾濁度等基礎(chǔ)信息。

生態(tài)缸作品示例

數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計(jì)與硬件準(zhǔn)備

數(shù)據(jù)是生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的核心依據(jù)，在明確探究問(wèn)題后，學(xué)生結(jié)合探究目標(biāo)設(shè)計(jì)多維度數(shù)據(jù)采集方案，確定需監(jiān)測(cè)的核心數(shù)據(jù)：溫度、溶解性總固體值、溶解氧含量。各小組根據(jù)方案選取行空板、防水溫度傳感器、TDS傳感器、溶解氧傳感器等硬件，學(xué)習(xí)各個(gè)硬件的工作原理，完成傳感器與行空板的連接。

裝置連接實(shí)物圖示例

程序設(shè)計(jì)與硬件調(diào)試

學(xué)生通過(guò)教學(xué)微課及教師引導(dǎo)，學(xué)習(xí)Mind+軟件及物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的使用方法，編寫(xiě)數(shù)據(jù)采集與傳輸程序，實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)讀取、行空板屏幕數(shù)據(jù)顯示，通過(guò)MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳至SloT物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。完成程序編寫(xiě)后，各小組進(jìn)行功能調(diào)試，確各項(xiàng)數(shù)據(jù)能穩(wěn)定采集并傳輸。

行空板屏幕顯示數(shù)據(jù)示例

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與可視化分析

各小組將調(diào)試完成的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與生態(tài)缸結(jié)合，開(kāi)展持續(xù)的數(shù)據(jù)采集。通過(guò)SloT物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化和表格記錄，定期整理數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)與生態(tài)缸中生物生存狀態(tài)的關(guān)聯(lián)。監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，隨著培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，生態(tài)缸中氧氣濃度逐漸降低，產(chǎn)生的代謝廢物增加，不少魚(yú)類死亡。學(xué)生小組討論分析發(fā)現(xiàn)，教室光強(qiáng)不夠，且白熾燈光譜中植物光合作用所需的藍(lán)光成分嚴(yán)重不足，能量轉(zhuǎn)化效率低，遂通過(guò)增加補(bǔ)光裝置（安裝紅光和藍(lán)光LED燈），為生態(tài)缸中植物高效補(bǔ)光，增強(qiáng)植物光合作用。補(bǔ)光后溶解氧濃度逐漸升高（見(jiàn)表2），魚(yú)類狀態(tài)也逐步穩(wěn)定。

補(bǔ)光裝置

成果展示與評(píng)價(jià)

各小組整理項(xiàng)目實(shí)踐過(guò)程中的生態(tài)缸設(shè)計(jì)方案、硬件搭建圖、程序代碼、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、分析改進(jìn)報(bào)告等資料，通過(guò)演示文檔、實(shí)物展示、數(shù)據(jù)匯報(bào)等形式，展示項(xiàng)目成果。同時(shí)，結(jié)合評(píng)價(jià)量表（見(jiàn)表3），從方案設(shè)計(jì)、項(xiàng)目實(shí)施等維度進(jìn)行自評(píng)、互評(píng)與教師評(píng)價(jià)。

改進(jìn)完善

展示評(píng)價(jià)后各小組進(jìn)一步改進(jìn)項(xiàng)目，如對(duì)生態(tài)缸的組分及比例進(jìn)行調(diào)整等。此外，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行總結(jié)和延伸，比如如何改善彩云湖生態(tài)系統(tǒng)水質(zhì)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到生態(tài)文明建設(shè)的重要性等，并以此展開(kāi)下一個(gè)階段的學(xué)習(xí)。

歡迎訂閱

來(lái)源 | 《中國(guó)科技教育》2026-1

編輯 | 張雨晴

審校 | 孟想、若惜