智能生态缸 ——信息技术赋能跨学科教学的实践案例|教学|智能生态缸|物联网

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文_沈菊颖秦雪梅/重庆市育才中学校

本案例依托人教版高中《生物学》（选择性必修2）的探究实践内容“设计制作生态缸观察其稳定性”，采用Mind+编程软件搭建程序开发环境，以行空板为核心搭建硬件监测系统，结合防水温度传感器、溶解性总固体（TDS）传感器、溶解氧传感器及SloT物联网平台，实现各项缸生态数据的实时采集、可视化分析，引导学生探究生态系统稳定性的影响因素，是信息技术赋能跨学科教学的一次实践探索。生态缸项目在实践过程中需要融合多学科知识，具体内容（见表1）。

学情背景

项目实施对象为高中学生，已具备生物学科生态系统、化学学科饱和溶解氧水制备、信息技术学科硬件编程等基础知识，但缺乏多学科知识融合应用的经验，对利用信息技术解决学科问题的方法途径较为陌生。

教学目标

学生学会应用科学思维和信息技术工具解决生物学科及现实生态问题，制作生态缸，通过传感器实现数据的精准采集，利用SIoT物联网平台实现数据收集与可视化，探究影响生态缸稳定性的关键因素，培养跨学科知识应用能力、科学探究能力和科技创新能力。

实施过程

问题梳理

学生通过复习生态系统相关知识，结合家庭鱼缸、景观生态瓶的养护经验，讨论并列举生态系统稳定性维持过程中可能出现的问题，从问题列表中选出核心探究问题，例如，哪些因素会影响人工生态缸的稳定性？如何通过信息技术手段监测并调控这些因素？结合问题设计跨学科探究方案，绘制生态缸制作—数据监测—分析改进的完整流程。

生态缸制作与基础设计

学生以小组为单位，结合生物学科中生态系统的组成、能量流动规律、物质循环规律等知识，完成生态缸的基础设计与制作。选取合适的缸体材质及基质，如水草泥、天然水晶河沙等；确定生产者，如金鱼藻、浮萍、小水兰等；确定消费者，如红金丝鱼、孔雀鱼、兰寿鱼、斑马鱼等；确定分解者，如黑壳虾、马来螺、苹果螺等，选取时遵循能量流动10%～20%传递效率。生产者覆盖面积占有效空间的60%～80%，保障能量与氧气供给；消费者总生物量控制在1 L水对应1 cm鱼，避免过度耗氧与捕食压力；分解者数量约为消费者个体数量的1/2，保障代谢废物及时分解，同时避免过度耗氧。完成生态缸的搭建后，进行初步定性观察，记录生物生存状态、水质浑浊度等基础信息。

生态缸作品示例

数据采集方案设计与硬件准备

数据是生态系统稳定性分析的核心依据，在明确探究问题后，学生结合探究目标设计多维度数据采集方案，确定需监测的核心数据：温度、溶解性总固体值、溶解氧含量。各小组根据方案选取行空板、防水温度传感器、TDS传感器、溶解氧传感器等硬件，学习各个硬件的工作原理，完成传感器与行空板的连接。

装置连接实物图示例

程序设计与硬件调试

学生通过教学微课及教师引导，学习Mind+软件及物联网平台的使用方法，编写数据采集与传输程序，实现传感器数据的实时读取、行空板屏幕数据显示，通过MQTT协议将数据上传至SloT物联网平台。完成程序编写后，各小组进行功能调试，确各项数据能稳定采集并传输。

行空板屏幕显示数据示例

数据监测与可视化分析

各小组将调试完成的监测系统与生态缸结合，开展持续的数据采集。通过SloT物联网平台实现数据可视化和表格记录，定期整理数据，分析数据变化趋势与生态缸中生物生存状态的关联。监测发现，随着培养时间延长，生态缸中氧气浓度逐渐降低，产生的代谢废物增加，不少鱼类死亡。学生小组讨论分析发现，教室光强不够，且白炽灯光谱中植物光合作用所需的蓝光成分严重不足，能量转化效率低，遂通过增加补光装置（安装红光和蓝光LED灯），为生态缸中植物高效补光，增强植物光合作用。补光后溶解氧浓度逐渐升高（见表2），鱼类状态也逐步稳定。