长时探究凤仙花的数智观察盒实践

在小学科学教学中，有一些科学探究需要经历较长时间。长时探究作为科学实验的重要组成部分，主要由一系列探究活动构成，因其探究容量大、探究时间长、探究要求高，对培养学生的科学探究能力与科学素养具有重要作用。然而，长时探究一直是科学实验教学中的难点。在“凤仙花”长时探究中，我针对探究凤仙花的主要难点，调整、创新实验教学过程，设计数智观察盒，让学生能够持续观察并记录凤仙花的生长变化。

一、长时探究凤仙花的主要难点

四年级“凤仙花的一生”单元，以种植凤仙花、观察记录它的生长变化为主要内容，让学生在亲历科学探究活动中发展长时观察记录能力、根据观察的数据与现象思考凤仙花一生规律的科学研究能力，进一步激发学生研究植物的兴趣和珍爱生命的自觉。

该单元与一年级的“植物”“动物”单元以及三年级的“动物的一生”单元形成学习体系，共同承载了科学课程标准中生命科学领域的相关课程内容要求。通过前面的学习，学生有一定的长时观察基础，但是从动物领域迁移到植物领域，从一粒种子的播种到开花结果，探究周期更长，需要的耐心更大，责任心更强，在实际观察中存在以下关键难点。

一是遗忘观察，家长代劳。调查发现，在长时观察探究活动中，学生容易忘记浇水或因外出无法及时观察，植物死亡导致探究中断。或因在长时探究中观察需要借助电子设备拍摄过程等，学生的长时探究多以家长代劳，学生参与不足。

二是种植问题难以发现。在种植观察中，存在不确定性，植物因不知名原因导致死亡，种植过程的不可逆性让学生难以发现种植问题，这成为长时探究过程中的痛点。

三是数据整理、分析困难。生命不可逆，长时探究过程中图片、数据的缺失使得整理、分析植物的生长过程变得艰难，学生理解植物的生存需求受到一定的阻碍，对建构植物生长科学模型形成盲点。

二、数智观察盒的设计

为解决上述难点，我们设计制作了凤仙花数智观察盒（如图1），集成了多种功能模块，为学生提供了一个支持长时探究凤仙花的新平台。

1.多维补偿，探究可持续

数智观察盒配备了前后两个摄像头、空气温湿度传感器、土壤湿度传感器、光照传感器和继电器等设备，能够实时监测并记录植物的生长环境和生长过程，进而补偿在观察过程中的遗忘问题。通过中控大脑、编程可实现自动控制，当土壤湿度传感器监测的数值小于一定值时，继电器工作，自动滴灌系统启动；当光照不足时，补光系统启动。通过多维补偿，实现植物生长环境和生长过程实时监测和记录，使得观察过程更加智能化和自动化，实现长时探究可持续。

2.精准诊断，问题易发现

数智观察盒利用远程无线摄影监控双视角观察记录凤仙花的生长过程：侧面摄像头记录每天根的样态和茎的长度，顶部摄像头记录植物生长变化、叶片的数量与颜色、叶片分布、花朵数量等，实时监测、记录凤仙花生长过程中的图像数据，并实时上传至云端服务器。通过手机或平板电脑随时可以查看和回顾这些图像数据，中控大脑实时监测生长环境数据，空气温湿度、土壤湿度、光照强度，屏显数据显示，并通过双视角摄像头抓取记录凤仙花生长数据。学生可以通过系统抓取的数据、图像及时反思种植过程中出现的问题，精准诊断，反思错误原因。这一功能不仅解决在记录过程中的遗漏问题，还提供更加直观和生动的观察体验。

3.全域收集，数据更立体

数智观察盒的外观设计采用了3D建模与打印技术，实现了物理材料与信息软件的完美融合。这一设计不仅提高其美观性和实用性，还提供更为直观和具体的观察对象。数智观察盒通过收集和分析植物在生长过程中的各种数据（株高、叶数、花蕾数量、土壤数据、光照数据、温度等），为学生提供了更加全面和立体的观察视角。基于全域数据，有利于他们处理和分析数据，了解植物的生长过程及规律。

三、实验教学设计与调整

分析课程标准和教材，我们制订了“凤仙花的一生”单元的实验教学目标，涵盖科学观念、科学思维、探究实践和态度责任等多个方面（见表1）。

根据实验教学目标和学生的学习需求，我们对实验教学内容进行优化（见表2），通过引导学生观察记录凤仙花的生长变化过程，让他们了解植物的生长规律和生存需求；通过开展实验探究活动，培养学生观察能力和分析能力；通过引导反思和改进实验过程，培养学生的创新思维和问题解决能力。

四、实验教学过程创新

采用问题导向和项目探究的方式，组织学生设计并制作数智观察盒，制订观察计划。通过迭代反思和改进观察盒的设计，解决学生在长时探究中遇到的问题。

1.聚焦：问题导向，植物的一生

组织学生阅读教材，思考植物的生命过程以及它们身体的各个部分对植物的生存有什么作用。聚焦种植一株绿色植物，观察、记录它的生长变化，了解植物的一生。

2.探索：项目探究，制作观察盒

提出问题：种子萌发和植物生长需要什么条件？怎样做才能更好地记录植物一生的生长变化过程呢？（问题指向设计中考虑需要满足植物生存的哪些需求。）

师生共同研讨，设计凤仙花数智观察盒1.0版本（如图2左），可以观察根的长度、植物高度、叶片数量和颜色、花朵数量，满足测量温度、土壤湿度、光照环境数据。

3.迭代：反思改进，优化观察盒

提出问题：培育凤仙花的过程中，可能会遇到忘记记录问题，不知植物为何突然出现枯萎病变等情况，观察盒可以如何改进解决问题。（问题指向突破观察角度和时间限制。）

师生共同研讨设计观察盒2.0版本（如图2右），可以从侧面和顶部双视角观察，并借助摄像头助手实时抓取植物生长过程（如图3），多维分析。

提出问题：凤仙花的种植时间周期较长，可能出现无人照看时植物水量不够、阴天光照不够等情况，观察盒又可以如何改进？如今智能化时代，观察盒能否加入智能控制系统？

师生共同研讨设计观察盒3.0版本，利用3D建模与打印技术物化产生凤仙花数智观察盒，加装数智功能模块，增加自动补光系统和滴灌系统，利用光照传感器、空气温湿度传感器和土壤湿度传感器监测环境数据，智能化控制（如图4），根据需求插上电源，自动开启对应系统，解决种植过程中的问题。

4.实施：长时探究，应用观察盒

实验1：行动研究，种植并观察凤仙花。

解决问题：绿色开花植物是如何由种子发育成一株植物？植物在生长过程中会发生哪些变化？这些变化对植物的生长和生存又有什么意义呢？

实验操作：种植并观察凤仙花，制订观察计划。多视角观察凤仙花的生长发育过程，数字化记录与自控凤仙花培育研究，人工与智能双向完成长时探究。

实验2：数智分析，总结植物的一生。

解决问题：植物的生长需要适宜的环境条件，根据观察现象推测植物未来生长变化趋势。

实验操作：整理数据与图像记录，梳理信息，分析形成对凤仙花的生存需求及其一生的生长变化的认识。

实验拓展：思维进阶，研究更多的植物。

全班交流：通过凤仙花数智观察盒，交流自己的收获，小结。

（作者单位：浙江省杭州市小营巷小学）

参考文献

[1]李俊红.核心素养理念下小学科学实验创新教学研究[J].教学管理与教育研究，2023（15）.

[2]马广花.基于核心素养的小学科学实验创新教学方法[J].新课程教学（电子版），2024（10）.