跨学科案例 | 无土栽培装置的设计与制作

 

来源公众号：STEM教师

本文以“无土栽培装置的设计与制作”为例，通过介绍多种典型无土栽培装置的结构组成和功能特点，逐一分析各种装置在跨学科实践活动中的施教策略。

《义务教育生物学课程标准(2022年版）》在“生物学与社会·跨学科实践”主题中明确指出：植物栽培和动物饲养可以综合运用多学科的知识和方法，考虑结构与功能、物质与能量和因果关系等跨学科概念，设计恰当的装置，以满足生物生长的需要。

无土栽培是一门新兴并迅速发展成热潮的植物栽培技术，世界上已有超100个国家和地区将此技术投放到市场。我国主要以温室大棚为载体，进行蔬菜、花卉和中草药等的无土栽培，取得了良好的效果，栽培面积逐年增加。笔者以几种典型无土栽培装置为例，逐一分析各种装置在跨学科实践活动中的施教策略，以期为科技活动教师提供参考。

1 经典无土栽培装置及施教策略

栽培介质的使用情况是通用的分类依据，一般可分为2类：①固态基质栽培装置将植物根系全部固定在富含营养液的固态基质里；②非固态基质栽培装置不使用固态基质，而利用定植杯、定植板等工具固定植物，根系可直接生长在营养液中，也可生长在营养液形成的细雾里。此类又分成雾培装置和水培装置2大类。水培装置又分为静止水培、浮板水培、深液流水培和浮板毛管水培等。具体如下：

1.1 静止水培装置

静止水培装置（图1)是由盛营养液的容器（塑料箱、水瓶等）、定植板和定植杯组成。植物根系全部生长于液层较深的静止性营养液中，在定植板上固定植物。

在活动中，可引导学生分析植物能否在此装置中长时间地正常生长，进而引入无土栽培装置关键功能之一—为根供氧。组织学生讨论：“如何保证栽培植物根系氧气充足”。结合家庭养鱼的经验，学生给出方法如下：营养液要经常更换；利用气泵或打气筒向营养液中充气；利用水泵使水循环流动；养殖水生植物光合造氧；添加增氧剂化学制氧等。此外，还可讨论：“盛装营养液的容器用透明的、黑色的或白色的有什么不同”。学生讨论时，会想到平时用透明鱼缸养鱼容易长水藻，也会想到有关光的吸收和反射的物理知识。这样，就可顺势而为地开展，让容器的颜色随季节发生变化的支线实践活动。

1.2 深液流水培装置

深液流水培装置常利用定植板，使植物和营养液间保持一定的距离。这样，植物根系就能一部分在潮湿空气中裸露，另一部分就在循环流动的营养液中（水深6—8cm)。本装置主要包括水泵和管道等构成的营养液循环系统、贮液池、可定制也可自建的栽培槽和定植板。

在活动中，学生设计出此类型的水培装置并不困难，但学生对于营养液循环流动和单株植物占有营养液量大的作用会忽视。教师可指导学生开展以下的实验：在营养液循环流动和静止的2种工况下，利用pH试纸或pH计分别监测营养液中的pH变化。对比其变化趋势，综合分析学生实测数据和栽培中营养液性能参数的变化，引导学生总结营养液流动的作用：①提高其中溶氧量；②保证养分充足；③防止根系附近积累有害物质；④促进沉淀的化合物重新溶解，进而被利用。此外，教师还可借此引导学生总结单株植物占有营养液量大的作用：营养液多，根际环境（营养液浓度、溶氧量、pH和温度等）稳定。

1.3 浮板水培装置

浮板水培装置将植物定植在由轻质材料制成的浮板上（可参考图1),浮板在深10—100cm的营养液上自然漂浮，营养液可静止也可循环流动。在活动中，教师可提问：“在大规模生产中，怎样的设计，才能使植物便于移动而利于采收和换茬”，引导学生朝着这个方向进行思考、设计。

1.4 浮板毛管水培装置

浮板毛管水培装置利用定植板，将植物固定在距营养液一定距离的位置，将覆有无纺布的浮板放在深3—6cm营养液上。这样植物根系既可生长在无纺布上，也可生长在营养液中。本装置与深液流水培装置基本相同，只是增加了浮板和无纺布。

在活动中，学生缺乏相关生活经验，通常无法想到这种改善根部供氧的方法。此装置可用在学生分组展示设计方案后，作为补充案例进行分析，组织学生讨论浮板上无纺布的作用，发现毛细作用的威力。同时，能提高学生跨学科运用知识的能力。

1.5 雾培装置

雾培装置是将植物根系完全暴露在利用各种方式形成的营养液细雾中（图2),结构包括由水泵和管道等构成的营养液循环系统、多种形状的栽培装置和贮液池。

在活动中，为了引导学生设计此装置，在讨论如何为根供氧时，需要通过类比人在雾化加湿后的空气中呼吸，由学生推理出供氧方法—让植物根系在营养液气雾中生存。学生设计的装置，栽培槽断面一般呈长方形，且只有上面的定植板上栽培了植物。教师在肯定了学生设计的同时，可借助问题“如何更高效地利用营养液气雾？”来引导学生关注雾培装置中立体空间的利用，进而将立体空间的利用，引入到学生设计的装置中。制作雾培装置时，要注意水泵的功率，一般家庭养鱼的水泵功率较小，不足以通过喷嘴形成气雾。

1.6 营养液膜水培装置

营养液膜水培装置是将植物固定在有一定坡度(1%—2%)的装有营养液（深1—2cm)的栽培槽上（图3),这样能使植物根系少部分在浅层营养液中生长，而大部分裸露在潮湿的空气中。本装置结构与深液流水培装置相似，但本装置栽培槽要有一定坡度，且其内营养液量少。

在实操中，由于装置结构较为复杂，学生在设计时会存在一定的难度。教师可在深液流水培装置的基础上，类比植物的气根，提出2个进阶式的问题：“如何在减少营养液用量的情况下，改善根部供氧的情况”“如何保证营养液液层浅，且持续流动”。从而，引导学生关注装置的密封、浅层营养液的循环和栽培槽的坡度，设计出针对性的装置。

1.7 固态基质培装置

固态基质培装置繁多。其中，袋培装置主要包括滴灌系统（图4)、栽培基质、塑料袋和贮液池等；与之相比，槽培装置则用栽培槽替换塑料袋，其他相似。

在活动中，为了帮助学生突破对无土栽培的刻板印象，要向学生明确：无土栽培中可仅用营养液替代天然土壤，也可用固态基质加营养液来替代，其中固态基质可固定植物根系。为增加学生对固态基质的了解，给学生提供陶粒、椰糠等材料，并提出进阶式的问题：“陶粒除能固定植物外，与普通石块相比还有什么作用”“椰糠作为有机基质与陶粒相比，还有什么能利于栽培植物生长的作用”。以帮助学生理解：①固态基质中有大小不一的孔洞，小孔洞能够保持水分，大孔洞能够存储空气，利于根系生长；②因具有物理、化学吸附功能，固态基质对外来的或自身产生的有害物质，有一定的缓冲作用；③植物根系可吸收椰糠、锯末等中的有机基质所含有的部分营养。据此，多数学生能够设计出节约营养液的滴灌式基质培装置。

来源网址：跨学科案例 | 无土栽培装置的设计与制作