智能生態缸 ——信息技術賦能跨學科教學的實踐案例

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文_沈菊穎 秦雪梅/重慶市育才中學校

本案例依托人教版高中《生物學》（選擇性必修2）的探究實踐內容“設計制作生態缸 觀察其穩定性”，采用Mind+編程軟件搭建程序開發環境，以行空板為核心搭建硬件監測系統，結合防水溫度傳感器、溶解性總固體（TDS）傳感器、溶解氧傳感器及SloT物聯網平臺，實現各項缸生態數據的實時采集、可視化分析，引導學生探究生態系統穩定性的影響因素，是信息技術賦能跨學科教學的一次實踐探索。生態缸項目在實踐過程中需要融合多學科知識，具體內容（見表1）。

學情背景

項目實施對象為高中學生，已具備生物學科生態系統、化學學科飽和溶解氧水制備、信息技術學科硬件編程等基礎知識，但缺乏多學科知識融合應用的經驗，對利用信息技術解決學科問題的方法途徑較為陌生。

教學目標

學生學會應用科學思維和信息技術工具解決生物學科及現實生態問題，制作生態缸，通過傳感器實現數據的精準采集，利用SIoT物聯網平臺實現數據收集與可視化，探究影響生態缸穩定性的關鍵因素，培養跨學科知識應用能力、科學探究能力和科技創新能力。

實施過程

問題梳理

學生通過復習生態系統相關知識，結合家庭魚缸、景觀生態瓶的養護經驗，討論并列舉生態系統穩定性維持過程中可能出現的問題，從問題列表中選出核心探究問題，例如，哪些因素會影響人工生態缸的穩定性？如何通過信息技術手段監測并調控這些因素？結合問題設計跨學科探究方案，繪制生態缸制作—數據監測—分析改進的完整流程。

生態缸制作與基礎設計

學生以小組為單位，結合生物學科中生態系統的組成、能量流動規律、物質循環規律等知識，完成生態缸的基礎設計與制作。選取合適的缸體材質及基質，如水草泥、天然水晶河沙等；確定生產者，如金魚藻、浮萍、小水蘭等；確定消費者，如紅金絲魚、孔雀魚、蘭壽魚、斑馬魚等；確定分解者，如黑殼蝦、馬來螺、蘋果螺等，選取時遵循能量流動10%～20%傳遞效率。生產者覆蓋面積占有效空間的60%～80%，保障能量與氧氣供給；消費者總生物量控制在1?L水對應1?cm魚，避免過度耗氧與捕食壓力；分解者數量約為消費者個體數量的1/2，保障代謝廢物及時分解，同時避免過度耗氧。完成生態缸的搭建后，進行初步定性觀察，記錄生物生存狀態、水質渾濁度等基礎信息。

生態缸作品示例

數據采集方案設計與硬件準備

數據是生態系統穩定性分析的核心依據，在明確探究問題后，學生結合探究目標設計多維度數據采集方案，確定需監測的核心數據：溫度、溶解性總固體值、溶解氧含量。各小組根據方案選取行空板、防水溫度傳感器、TDS傳感器、溶解氧傳感器等硬件，學習各個硬件的工作原理，完成傳感器與行空板的連接。

裝置連接實物圖示例

程序設計與硬件調試

學生通過教學微課及教師引導，學習Mind+軟件及物聯網平臺的使用方法，編寫數據采集與傳輸程序，實現傳感器數據的實時讀取、行空板屏幕數據顯示，通過MQTT協議將數據上傳至SloT物聯網平臺。完成程序編寫后，各小組進行功能調試，確各項數據能穩定采集并傳輸。

行空板屏幕顯示數據示例

數據監測與可視化分析

各小組將調試完成的監測系統與生態缸結合，開展持續的數據采集。通過SloT物聯網平臺實現數據可視化和表格記錄，定期整理數據，分析數據變化趨勢與生態缸中生物生存狀態的關聯。監測發現，隨著培養時間延長，生態缸中氧氣濃度逐漸降低，產生的代謝廢物增加，不少魚類死亡。學生小組討論分析發現，教室光強不夠，且白熾燈光譜中植物光合作用所需的藍光成分嚴重不足，能量轉化效率低，遂通過增加補光裝置（安裝紅光和藍光LED燈），為生態缸中植物高效補光，增強植物光合作用。補光后溶解氧濃度逐漸升高（見表2），魚類狀態也逐步穩定。

補光裝置

成果展示與評價

各小組整理項目實踐過程中的生態缸設計方案、硬件搭建圖、程序代碼、監測數據、分析改進報告等資料，通過演示文檔、實物展示、數據匯報等形式，展示項目成果。同時，結合評價量表（見表3），從方案設計、項目實施等維度進行自評、互評與教師評價。

改進完善

展示評價后各小組進一步改進項目，如對生態缸的組分及比例進行調整等。此外，教師引導學生進行總結和延伸，比如如何改善彩云湖生態系統水質，讓學生認識到生態文明建設的重要性等，并以此展開下一個階段的學習。

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來源 | 《中國科技教育》2026-1

編輯 | 張雨晴

審校 | 孟想、若惜