项目概述

STEAM教育是一种融合科学、技术、工程、艺术、数学等知识与技能，以实践创造学习为主，培养创新型人才的新型教育模式。本节课“智能种植盆”以项目式教学方法开展，主旨为“項目为主线、教师为引导、学生为主体”，改变了以往“教师讲，学生听”的被动教学模式，尝试了学生主动参与、自主协作、探索创新的新型教学模式。

项目通过对智能种植盆功能分析、设计、实现与调试，体验计算机解决问题的过程。在利用计算机解决智能种植的过程中，学生通过自主探究、实验分析、亲身体验、合作交流等方式进一步加深理解用计算机解决问题的基本过程。

设计依据

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》提出的“计算思维”与“数字化学习与创新”有关要求，强调个人应用计算机科学领域的思想方法，以及在形成问题解决方案的过程中产生一系列思维活动；个体通过评估选用常见的数字化资源与工具，有效地管理学习过程与学习资源，创造性地解决问题，从而完成学习任务，形成创新作品的能力；学生兼重理论学习和实践应用，教师通过丰富多样的任务情境，鼓励学生在数字化环境中学习与实践；基于项目式学习，将知识建构、技能培养与思维发展融入到运用数字化工具解决问题和完成任务的过程中。

本课程旨在通过学生实际生活中的需求，鼓励学生大胆实践，并反复探究实践过程中不断出现的新问题、新情况，进而提高学生分析问题、解决问题的能力。

教学目标

基于课程标准要求和班级学情分析，本项目教学目标设定为：1.了解计算机解决问题的基本步骤。2.学会利用流程图描述简单问题。3.体验用编程解决实际问题，培养正确的信息素养。4.通过废物再利用，锻炼动手能力以及空间想象力。

教学重点与难点

教学重点 了解计算机解决问题的过程；学会用流程图描述程序设计。

教学难点 学会在调试主控程序时，对各项传感器、检测器取值，设置参数进行判断。

教学过程

一、项目引入：智能种植盆的使用

随着生活水平的提高，人们对食品安全及室内环境的要求也在不断提高。因此出现了两种情况：一些人住在城市里依然有着田园梦想，对低成本吃到有机蔬菜有着渴望；另一些人想在家中、学校、工作场所中，给单调的空间增添一角绿色，但由于不擅长种植植物，或者受到空间与时间的限制而无法实现。怎样来解决这个问题呢？我们可以从智能家居设备功能获得启发，尝试通过编程实现智能种植盆功能，实现环保健康的生活方式。

设计意图：培养学生主动关注教育技术装备发展中的新动向和新趋势，提升学生信息意识。

二、项目分析：分析问题，确定需求

如何解决种植中面临的以下问题：1.没有专用的种植空间，或种植空间采集不到阳光怎么办？2.植物需要多久浇一次水？每次浇多少？

针对以上问题，是否能设计一种智能种植盆来解决这些问题？学生分组讨论智能种植盆应具备的功能，并进行项目探究。

学生可以利用不同大小的废旧材料当作种植容器，这样既环保又可以灵活地放置在不同的地方；使用自动灌溉系统，解决浇水的频次和量的问题；采用智能补光功能，解决阳光受限的问题。

教师引导学生探究植物灌溉的规律及智能补光中所需光源的要求。学生通过查找资料发现，大部分植物需要在土壤完全干燥后进行浇水，浇水时要将土壤浇透。我们采用红色的LED灯进行补光。LED灯不仅节能省电，而且在植物光合作用中吸收光谱的可控方面也是其他光源无法比拟的，用LED灯进行补光是植物种植过程中最正确的选择。

设计意图：让学生明白实际需求，分析已有信息，明确智能种植盆的功能，为后面用流程图解决问题打下基础。

三、用自然语言及程序流程图描述算法

教师引导学生用自然语言描述智能种植盆功能。

自动灌溉功能：通过土壤湿度传感器来获取土壤是否需要浇灌的信息。我们将传感器插入土壤中，当土壤湿度过低时，种植盆的水泵会自动给土壤灌溉水，当土壤湿度传感器检测湿度达标时，灌溉自动停止。

智能补光功能：光线检测器实时检测室内光线，当室内光线照射不足时，我们采用红色的LED灯进行补光。当室内恢复光线，LED灯自动关闭。

设计意图：针对不同环境需求，让学生学会用自然语言描述解决问题的步骤。

教师指导学生设计程序流程图，学会用流程图描述解决问题的算法。流程图是算法的一种图形化表示方法，与自然语言相比，流程图描述算法，形象、直观、更易理解。（如图1）

设计意图：运用计算机科学领域的思想方法，形成问题解决方案的过程。

四、项目实现

程序实现：基于AS-Block模块化的Arduino编程软件，实现智能种植盆的各项功能。用温度、土壤湿度、光线等传感器收集各项指数，将各项指数在LCD液晶屏上显示出来。当光线不足时，打开LED灯；当光线充足时，关闭LED灯。

学生们根据不同情境来调试程序。实验测试光线逐渐减弱的情况，当光线传感器的临界参数值为200时，显示光线获取不足。实验获取干燥、湿润、潮湿三种情况下的土壤湿度值，获得土壤湿度显示为“低”时的临界参数值为5，这时候，自动浇灌系统打开水泵。测试水泵出水速度，将水泵电机转速设置保持在120。测试每轮监控时间间隔，最终设置等待时间5秒。

设计意图：让学生体验在某一情境下用Arduino编程软件实现智能种植盆所需功能，体验用编程解决实际问题，提升学生信息素养。

容器制作：教师鼓励和引导学生利用各种废旧材料制作种植容器。例如，可以用洗衣液桶当作种植花盆来种植绿植；可以用一次性餐盒或泡沫箱来种植蔬菜。最终还需要根据放置空间的大小来选择和裁剪容器，最终制作完成种植容器。学生运用剪刀、胶枪、铁丝、焊枪等工具，通过裁剪、粘贴、打孔、铁丝固定等操作，手工设计制作完成种植容器。教师可正确引导学生动手动脑解决手工活动中遇到的问题，使学生体验付出努力后，取得成功的满足感，感知自己的能力，增强自信。（如图2）

设计意图：锻炼学生的动手能力，使其充分发挥空间想象力和创新能力，提高道德素质、劳动观念、审美情趣。

项目总结

学生小组讨论交流在项目设计、实施过程中的收获与感想，阐述对本项目智能种植盆功能进一步开发的设想。课程总结环节，学生用思维导图的形式对本项目进行总结（如图3）。最后，师生结合自己的生活经验，探讨身边可以应用计算机编程解决的问题。

设计意图：学生通过生活中实际需求，理解智能种植盆项目设计的流程，掌握程序设计的语法与算法，实现智能种植盆的程序控制与调试。教师教给学生计算思维和实践的方法，从而培养学生的计算思维、数字化学习与创新的能力。

总结与反思

本文主要是对基于Arduino编程软件实现智能种植盆项目的设计与功能方面进行了阐述。智能种植盆的设计工作主要包括种植盆容器制作、硬件和软件的实现。目前，经过反复测试和修改，该种植盆在阴暗和缺水的环境下运行良好，可以实现智能种植的要求。对不会种植植物，又受到空间与时间限制的学生而言，这次项目可以让他们实现种植梦想，拥抱自然，乐享种植生活。

邹洁 北京市昌平区昌盛园小学信息科技教师。多年从事软件设计研发工作。多次参与市区级研究课展示，先后指导学生参加市区级竞赛20余次，荣获一等奖17次，二等奖14次。