科技教育創(chuàng)新成果一等獎(jiǎng)：“云上梯田”智慧生態(tài)保護(hù)課程 ——基于學(xué)科融合的科技創(chuàng)新活動(dòng)方案

作者

楊茜楠/中央民族大學(xué)附屬中學(xué)紅河州實(shí)驗(yàn)學(xué)校

一

活動(dòng)背景

哈尼梯田位于云南省東南部紅河哈尼族彝族自治州元陽縣境內(nèi)哀牢山余脈，作為我國“第一個(gè)以農(nóng)耕、稻作為主題的遺產(chǎn)項(xiàng)目”“第一個(gè)以民族名稱命名的遺產(chǎn)地”，2013年被納入《世界遺產(chǎn)名錄》。哈尼梯田具備世界級的文化和自然價(jià)值：森林、村寨、梯田、水系“四素同構(gòu)”生態(tài)系統(tǒng)，展示了人類與自然的和諧共生，作為哈尼族傳統(tǒng)農(nóng)耕方式的體現(xiàn)，梯田承載了民族特色和文化認(rèn)同，體現(xiàn)了哈尼族人民與土地的深厚情感。探究哈尼梯田的保護(hù)和傳承有助于深入了解古代農(nóng)耕文化的發(fā)展，以及人類與自然關(guān)系的演變過程，對于維護(hù)文化多樣性和促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義。基于此背景，本課程將帶領(lǐng)學(xué)生深入開展哈尼梯田智慧生態(tài)保護(hù)的科技創(chuàng)新探究。

二

活動(dòng)目標(biāo)

課程規(guī)劃時(shí)采用學(xué)科融合與STEM教學(xué)理念，鼓勵(lì)學(xué)生圍繞“云上梯田”智慧生態(tài)保護(hù)方案創(chuàng)客主題，開展跨學(xué)科的綜合性課題研究，通過項(xiàng)目實(shí)踐開展梯田環(huán)境、歷史文化、問題考察、智慧保護(hù)解決方案和創(chuàng)客學(xué)習(xí)體驗(yàn)等探究活動(dòng)，讓學(xué)生了解哈尼梯田保護(hù)與傳承面臨的挑戰(zhàn)。

指導(dǎo)學(xué)生全面學(xué)習(xí)與梯田生態(tài)保護(hù)相關(guān)的生物學(xué)、信息學(xué)、地理、美術(shù)和歷史等多學(xué)科知識，融合運(yùn)用不同學(xué)科的知識和技能，探尋利用科技創(chuàng)新方法實(shí)現(xiàn)哈尼梯田的生態(tài)保護(hù)。

認(rèn)識科學(xué)技術(shù)在人類生產(chǎn)與生活中的重要價(jià)值，借助開源硬件開發(fā)平臺設(shè)計(jì)算法、編寫程序，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，通過制作創(chuàng)客作品提出智慧生態(tài)環(huán)境保護(hù)解決方案。

通過項(xiàng)目實(shí)踐，體驗(yàn)項(xiàng)目的創(chuàng)意、設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試、展示評價(jià)的完整過程，增強(qiáng)動(dòng)手實(shí)踐能力，提高青少年學(xué)習(xí)科學(xué)技術(shù)的興趣，增強(qiáng)“科教興國”的責(zé)任感與自信心。

云上梯田學(xué)生作品展示

三

活動(dòng)方式

對象

7—8年級選修“云上梯田”智慧生態(tài)保護(hù)興趣課程的學(xué)生。

形式

在教師指導(dǎo)下自由組隊(duì)，進(jìn)行小組合作。

教師

組建課程研究團(tuán)隊(duì)，以信息技術(shù)、生物、地理為主要學(xué)科，融合物理、藝術(shù)學(xué)科重要內(nèi)容，結(jié)合歷史、政治、數(shù)學(xué)學(xué)科相關(guān)知識，確定課程體現(xiàn)各學(xué)科素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)，設(shè)計(jì)課程活動(dòng)內(nèi)容。

四

活動(dòng)內(nèi)容

第一階段：探究元陽哈尼梯田生態(tài)環(huán)境

活動(dòng)1. 小組探究：為什么元陽哈尼梯田能夠申遺成功?

為什么元陽哈尼梯田能夠申遺成功？人們開墾梯田可以解決什么問題？對哈尼梯田的發(fā)展有什么期望？學(xué)生從多個(gè)方面進(jìn)行問卷調(diào)查，初步認(rèn)識哈尼梯田以其獨(dú)特的自然景觀、豐富的文化傳統(tǒng)及哈尼族人民的努力保護(hù)，成為了一處備受關(guān)注的世界文化遺產(chǎn)。

活動(dòng)2. 使用人工智能繪畫繪制“你心中的哈尼梯田”

在教師指導(dǎo)下，學(xué)生利用人工智能繪畫工具，根據(jù)對哈尼梯田的理解和想象，繪制出自己心中的哈尼梯田圖景，展現(xiàn)梯田的自然美和文化特色。

活動(dòng)3. 小組探究：梯田由哪些生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成?

通過理論學(xué)習(xí)、小組討論與查詢資料，學(xué)生探究梯田由哪些生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成，這些生態(tài)系統(tǒng)如何互相影。通過了解梯田的生態(tài)系統(tǒng)組成，比如土壤、水文循環(huán)和生物多樣性，學(xué)生能夠深入了解梯田的生態(tài)多樣性，同時(shí)感受生態(tài)平衡及不同生態(tài)系統(tǒng)之間的相互關(guān)系。

活動(dòng)4. 構(gòu)建哈尼梯田“森林—村寨—梯田—江河”子系統(tǒng)的相互作用

學(xué)生通過模型或圖表的繪制，展示森林、村寨、梯田和江河之間的相互關(guān)系，理解這一復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性；教師指導(dǎo)學(xué)生理解哈尼梯田“森林—村寨—梯田—江河”沿等高線分布空間結(jié)構(gòu)的生態(tài)特征。

第二階段：考察探究梯田生態(tài)環(huán)境待解決問題

活動(dòng)5. 討論哈尼文化中你最喜歡什么內(nèi)容?

開展“神秘村落阿者科”專題學(xué)習(xí)，學(xué)生在活動(dòng)中學(xué)習(xí)哈尼梯田文化，研究哈尼梯田的傳統(tǒng)藝術(shù)和手工藝品，感受哈尼梯田的美學(xué)價(jià)值，了解風(fēng)俗民情，感受民族傳承，分析哈尼梯田文化得以傳承的原因。

活動(dòng)6. 尋找影響梯田生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的主要因素

通過實(shí)地考察與資料研究，學(xué)生找出影響梯田生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，并討論如何保護(hù)和改善這些因素；學(xué)生能夠理解哈尼梯田生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)流動(dòng)主要通過水、土壤、肥料和微生物進(jìn)行，從森林生態(tài)子系統(tǒng)開始，經(jīng)過村寨子系統(tǒng)的加工利用，進(jìn)入梯田生態(tài)子系統(tǒng)并再次被使用，最終隨河流離開系統(tǒng)。

學(xué)生進(jìn)行實(shí)地調(diào)研

第三階段：以水源監(jiān)測為例提出智慧生態(tài)環(huán)境保護(hù)解決方案

活動(dòng)7. 學(xué)習(xí)元陽哈尼梯田灌溉原理

“山有多高，水有多高。”千百年來，哈尼族人民根據(jù)山勢地形，利用復(fù)雜的水渠系統(tǒng)，將水從樹木繁盛的山頂引入層層梯田，而每家每戶具體分得多少用水，一般由德高望重的“咪谷”（即村中的長者）與用水者協(xié)商決定。帶領(lǐng)學(xué)生了解元陽哈尼梯田的地理特征、構(gòu)造特點(diǎn)，以及梯田灌溉的工作原理，理解水源對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要性。

活動(dòng)8. 繪制梯田灌溉圖景及構(gòu)造

學(xué)生繪制梯田灌溉系統(tǒng)草圖，展示灌溉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理。

活動(dòng)9. 梯田灌溉的優(yōu)缺點(diǎn)

為提高梯田灌溉效率和可持續(xù)性，學(xué)生討論傳統(tǒng)梯田灌溉系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和可能存在的問題，提出改進(jìn)意見。

活動(dòng)10. 設(shè)計(jì)哈尼梯田水源監(jiān)測方案

基于梯田水源監(jiān)測現(xiàn)存問題，學(xué)生進(jìn)行小組頭腦風(fēng)暴構(gòu)思，以梯田灌溉水源的可持續(xù)利用為目標(biāo)，設(shè)計(jì)一套初步的水源監(jiān)測方案。

第四階段：創(chuàng)客學(xué)習(xí)體驗(yàn)生態(tài)保護(hù)案例

活動(dòng)11. 調(diào)查“趕溝人”的職業(yè)需求

通過前置活動(dòng)對水源重要性的了解，學(xué)生更能體會負(fù)責(zé)維系梯田水源暢通的“趕溝人”的重要性，但隨著勞動(dòng)力外出務(wù)工，職業(yè)趕溝人越來越少，趕溝工作也越來越辛苦。基于此情況，學(xué)生對哈尼梯田中趕溝人這一特殊職業(yè)進(jìn)行調(diào)查，了解他們的工作內(nèi)容、需求和面臨的挑戰(zhàn)。

活動(dòng)12. 水位傳感器探索活動(dòng)

為降低趕溝人的重復(fù)勞動(dòng)，學(xué)生設(shè)計(jì)了放置在梯田里的水位報(bào)警裝置。為了完成制作，學(xué)生開始學(xué)習(xí)Arduino開源硬件知識，學(xué)習(xí)水位傳感器模塊知識。

活動(dòng)13. 水位監(jiān)測模型演示

以小組為單位制作開源硬件模型，并演示水位監(jiān)測活動(dòng)，展示如何通過監(jiān)測水位控制梯田放水與灌溉。

第五階段：階段總結(jié)

活動(dòng)14. 測試功能，記錄數(shù)據(jù)，修改設(shè)計(jì)方案

學(xué)生對設(shè)計(jì)的梯田灌溉模型進(jìn)行功能測試，記錄測試數(shù)據(jù)，并根據(jù)測試結(jié)果提出修改意見。

活動(dòng)15. 課程總結(jié)與評價(jià)

通過“水源監(jiān)測”案例，學(xué)生學(xué)習(xí)如何幫助趕溝人維護(hù)梯田水源，但梯田的保護(hù)還存在很多問題，學(xué)生將嘗試歸納問題，并借助人工智能和開源硬件設(shè)計(jì)解決相關(guān)問題。

活動(dòng)16. 使用人工智能繪畫繪制“智能生活下的哈尼梯田”

學(xué)生通過人工智能軟件生成“智能生活下的哈尼梯田”，與課程開始繪制的“你心中的哈尼梯田”進(jìn)行比較，并講述兩次設(shè)計(jì)中的差別及設(shè)計(jì)意圖。

第六階段：開源硬件與人工智能創(chuàng)客設(shè)計(jì)

活動(dòng)17. 制作創(chuàng)新機(jī)器人作品

學(xué)生分小組團(tuán)隊(duì)合作，經(jīng)由需求分析、方案設(shè)計(jì)、智能設(shè)計(jì)原型制作、測試與優(yōu)化、展示與評價(jià)5個(gè)步驟，完成智慧生態(tài)保護(hù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作。比如，小組A在需求分析后，決定設(shè)計(jì)哈尼梯田生態(tài)保護(hù)機(jī)器人，該機(jī)器人將具備智能蓄水、智能放排水、實(shí)時(shí)天氣智能監(jiān)測播報(bào)、設(shè)備監(jiān)測降溫、智能燈光、智能人臉識別與安保系統(tǒng)等功能。選用Arduino開發(fā)板、OLED顯示屏、人工智能視覺傳感器、土壤濕度傳感器、雨滴傳感器、語音播報(bào)模塊、舵機(jī)模塊等多種元件，通過激光雕刻與3D打印設(shè)計(jì)制作外觀模型，通過Mind+編寫程序代碼，進(jìn)行組裝調(diào)試并運(yùn)行，整理資料編寫產(chǎn)品說明書，最終完成作品的展示與評價(jià)。

學(xué)生進(jìn)行開源硬件創(chuàng)意設(shè)計(jì)

激光切割與 3D 打印制作模型

五

活動(dòng)創(chuàng)新點(diǎn)

多學(xué)科融合，科技教育助力人才培養(yǎng)

本課程通過跨學(xué)科融合的教學(xué)方法，將學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)方案、學(xué)習(xí)活動(dòng)進(jìn)行深度融合，為學(xué)生帶來創(chuàng)新性的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

實(shí)踐導(dǎo)向設(shè)計(jì)，創(chuàng)新內(nèi)容助力“雙減”

以實(shí)際生活、生產(chǎn)勞動(dòng)問題作為議題，開展學(xué)科融合課程，在主題、方式、內(nèi)容上均能較好地推動(dòng)課程內(nèi)容創(chuàng)新，開拓課后服務(wù)的深度與廣度。

改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，深入學(xué)科素養(yǎng)培養(yǎng)

課程引入了綜合視角、交叉思維、效益增強(qiáng)和多元解決方案等創(chuàng)新點(diǎn)，通過教學(xué)方法創(chuàng)新、資源整合與協(xié)同合作，以及學(xué)科知識與跨學(xué)科思維的結(jié)合，為學(xué)生提供了多維度的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

六

未來展望

課程下一步將強(qiáng)化跨學(xué)科課程設(shè)計(jì)，通過明確目標(biāo)、推進(jìn)實(shí)施和多元評價(jià)，提升教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生核心素養(yǎng)；將持續(xù)探索融入地方課程的路徑，以擴(kuò)大其影響力和實(shí)踐價(jià)值。此外，課程還將嘗試通過學(xué)生、教師和科研機(jī)構(gòu)的共建合作，促進(jìn)元陽哈尼梯田生態(tài)保護(hù)研究成果的應(yīng)用轉(zhuǎn)化。

該項(xiàng)目獲得第38屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員科技教育創(chuàng)新成果一等獎(jiǎng)■

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來源 | 中國科技教育2024-12

編輯 | 孟想

審校 | 若惜、朱志安