大棚智能除雪系统 教学设计--2025-2026学年高一下学期综合实践活动研究性学习

大棚智能除雪系统 一、使用教材 本节课取材于吉林人民出版社普通高中新课程教材《综合实践活动研究性学习（必修）》高中一年级教材中附录部分的《方案设计》。 二、实验器材 1.材料：大棚模型(1个)、喷洒管（若干）、塑料薄膜。 2.仪器：远程控制开关（1个）、数字温控开关（1个）、抽水电机（1台）、导线若干。 3.试剂：甲酸钾融雪剂。 三、实验创新要点 随着经济社会的快速发展，人们对蔬菜、花卉的需求日益增多，为了满人们多样性的需求，温室大棚种植是最有效的方法，能模拟适合生物生长的气候条件，创造一个人工气象环境来消除温度对生物生长的约束，能克服环境对生物生长的限制，能使不同的农作物在不适合生长的季节产出，使季节对农作物的生长不再产生过度影响，大大减少了农作物对自然条件的依赖。大棚种植面临冬季暴雪的困扰，容易被积雪压垮，从而造成较大的经济损失，因此人们思考用不同的方法除雪，目前最智能的除雪系统如图1所示，它采用顶部管道加热的原理防止顶部积雪的堆积，但投资及后期运行成本高、安装改造复杂，不便于推广。 图1 顶部加热智能除雪系统 在此背景下,综合实践小组结合自身所学知识开展了新一代智能大棚除雪系统的研究，如图2、图3所示。 图2 甲酸钾智能除雪系统设计图 图3 甲酸钾智能除雪系统实物图 我们力求创新成为效率高、可操作性强、可推广的一套快速有效的智能除雪系统，具体优点如下： 1.原理创新：现有的大棚智能除雪系统是通过顶部的管道加热除雪，而本智能除雪系统是通过甲酸钾溶液除雪。 2.方法创新：现有的大棚智能除雪系统需要一套高成本的气象监测系统和管道加热系统，这样大大增加的大棚建设成本，而且操作复杂，不便于对已建好的大棚进行改造升级，同时用电量大，维修成本高；本智能除雪系统采用温控开关、远程控制开关及循环系统来克服这些困难，安装及改造简单、维修成本低，便于大规模推广。 3.理念创新：发展绿色农业，生态环保。甲酸钾为环境友好型产品，融雪速度快，投加剂量小，使用成本低，融雪残留的产物可促进植物生长，实现二次利用，具有一定的稳定土壤、控制尘埃的作用。 四、实验原理及步骤 1.实验原理 智能除雪系统基于温控开关和远程控制开关的作用，智能喷洒甲酸钾溶液在大棚的顶部，防止降雪的堆积。从大棚上流下的甲酸钾溶液通过循环系统流入储存池再次使用，当工作时间达到设置时长时，系统停止工作。 2.实验步骤 第一步：设置系统温度和工作时长； 第二部：模拟冬季环境，传感器适时监测室外环境温度，当温度低于预设温度时，温控开关启动； 第三步：按下远程控制开关，电机开始工作并将储存池中的甲酸钾液体抽出，通过喷洒管将甲酸钾溶液均匀地喷洒在大棚的顶部； 第四步：当工作时间达到设置时长时或按下远程控制开关，系统停止工作。 五、实验教学目标 本节课的设计立足于综合实践的特点，依据课程纲要、教学内容、学情。学生在“探究”“设计”“创作”“反思”的过程中进行“体验”“体悟”“体认”，在全身心参与的活动中，发现、分析和解决问题，体验和感受生活、发展实践创新能力，进而提升素养。 （一）素养培养 1.价值体认：学生能主动分享体验和感受，发展兴趣专长，形成积极的劳动观念和态度。 2.责任担当：增强学生愿意参与社会服务活动的意识和服务社会的行动能力。 3.问题解决：关注国内外大棚种植情况，深入思考并提出有价值的问题，将问题转化为有价值的研究课题，学会运用科学方法开展研究 4.创意物化：通过智能大棚系统的设计，制作和不断改的过程，发展实践创新意识和审美意识，提高创意实现能力。 （二）达成路径 （3） 策略方法 （1）自主学习：阅读，调研、表达、评价。 （2）情境任务：设置情景，提出任务，解决问题。 （3）实验研究：培育观察、质疑，建模分析能力。 六、实验教学内容 本实验能满足发展绿色农业需要，力求形成一套为效率高、可操作性强、可推广的的智能除雪处理系统，具体教学内容如下： 1.前期调研和查阅资料提出问题； 2.提出解决问题的方法； 3.设计试验方案； 4.验证评估； 七、实验教学过程 教学过程始终坚持已学生为主体，教师为主导的理念，创设问题情境，激发学生的参与感和获得感，培养学生的创新能力。 环节一、任务驱动 激活思维 如何（智能高效+经济环保）解决冬季大棚被积雪压垮的困扰？ 1.小组合作开展调研、查阅相关资料。 目前的除雪方式有哪些？还存在哪些不足？ 2.学生代表汇报调研、查阅资料的情况。 方 式 具体操作 缺 点 巧加立柱法 根据大棚的宽度，在梁架底下每隔两米加一根直径不小于 8 厘米的立柱，以加强棚架承受能力。 1.人力物力成本大； 2.效率低，式繁杂； 自然滑落法 有条件的可以在草苫上加盖一层棚膜，如没有就将草苫卷起，置于大棚后坡，当积雪厚达 8厘米左右时就会在光滑的棚膜上自动滑下。7米宽的大棚可自动滑下 2/3。棚的坡度越大，自动滑下的越多。这样可以有效缓解积雪对大棚的压力。 竹竿扫雪法 取一根长约 5 米的竹竿(可根据大棚宽度加长竹竿长度)和一块长 1 米，宽 20 厘米的木板订成一个刮板，当积雪达到 5～7 厘米厚时，站在大棚的后坡。将雪轻轻一推，积雪就会顺着光滑的棚膜滑落，在操作过程中应避免损坏棚膜。 连栋除雪法 连栋温室因不易上人清雪，建设时，应在温室 内顶部加装暖风筒，融化顶部积雪至温室天沟， 在天沟的顶面(须加防冻液)或下面加装融雪管 道，或融雪电缆(毯)，将天沟上的积雪融化流 掉，以减轻温室负荷！ 顶部加热智能除雪系统 户外设备：气象监测一体杆、激光雪深探测仪。自动气象监测站对环境温度、湿度、风向、风速、雨雪状况实时监测，以及摄像头实时监控、抓拍，收集信息数据通过网关网络传至 IOT 物联云平台，当气象检测达到暴雪预警时，结合激光雪深探测仪感知积雪厚度达危险值，并由云平台服务器向 用户提供短信预警并自动控制大棚除雪装置进行除雪。 大棚内部设备：空气温湿度传感器、大棚除雪设备。当大棚内部温度低于农作物承受值或者户外设备预警积雪厚度达危险值时，自动运作大棚除雪装置，利用管道加热器，对管道中的防冻液加热，并由循环水泵灌入大棚顶部暖气管道，进行棚顶加热除雪融雪。当大棚内部气温或者户外积雪厚度 达正常时，除雪装置自动停止运作。 1.投资成本高 2.安装复杂，对已 经 建 好 的 大棚难以改造。 3.维修成本高。 4.用电量较大。 环节二、知识梳理 活跃思维 1.小组互动夯实基础知识，从发展绿色农业的角度提出解决问题的方法。 2.学生代表汇报解决问题的方法。 （1）甲酸钾为环境友好型产品，融雪速度快，投加剂量小，使用成本低，残留的产物可促进植物生长，实现二次利用，具有一定的稳定土壤、控制尘埃的作用，因此本实验采用甲酸钾溶液作为除雪剂。 （2）用温控开关和远程控制开关替代气象监测系统减低投资成本。 环节三、方案设计 完善思维 1.学生基于问题及所学知识设计实验方案。 2.学生代表汇报实验方案。 图4 操作流程图 环节四、实验验证 巩固思维 学生基于证据验证实验方案的科学性、可行性。 图6 验证甲酸钾智能除雪系统 图5 智能除雪系统研讨 图7 学生代表汇报 图8 学生代表汇报 八、实验评价 本节课以实验探究为手段，从熟悉的生活场景入手，采用递进式的体验活动，呈现了生活中真实问题的解决过程，能培养学生实验探究能力，使学生充分感受到所学知识来源于生活并服务于生活。 1.成果评价 （1）针对性：实验效果明显，并成功用于大棚模型，以问题为导向，解决生活中的实际问题。 （2）可操作：低成本、高回报，安装及改造简单。 （3）可推广：智能化、生态化，具有广泛的应用前景。 2.过程评价 全过程学生进行自主研究，体现了学生的主体性。 3.目标评价 学生在学习和实践中逐步达成目标并检测。 9、 实验反思 通过实验改进，引导学生创新能力的可持续发展，提升了学生的实验探究能力与创新意识。基于证据解决实际问题，增强学生对科技究意识，体会生活离不开科学技术。 1.本智能除雪系统还需要安装到实际大棚中进行实验，收集数据进行论证。 2.安全性和科学性是指导学生开展综合实践的保障。 3.在今后的教学中，我将积极引导学生观察、发现身边事物，选择擅长的研究主题，发展学生的综合素养。 十、参考资源 [1]王玉华.低成本温室环境智能监控系统设计[D].太原理工大学,2005. [2]黄凤娟.基于单片机的温度测控系统在温室大棚中的设计与实现[D].安徽大学,2006. [3]刘士岩.智能自适应预测模糊控制温室系统研究[D]. 燕山大学,2008. 1 学科网（北京）股份有限公司 $