科技教育創新成果一等獎：“云上梯田”智慧生態保護課程 ——基于學科融合的科技創新活動方案

作者

楊茜楠/中央民族大學附屬中學紅河州實驗學校

一

活動背景

哈尼梯田位于云南省東南部紅河哈尼族彝族自治州元陽縣境內哀牢山余脈，作為我國“第一個以農耕、稻作為主題的遺產項目”“第一個以民族名稱命名的遺產地”，2013年被納入《世界遺產名錄》。哈尼梯田具備世界級的文化和自然價值：森林、村寨、梯田、水系“四素同構”生態系統，展示了人類與自然的和諧共生，作為哈尼族傳統農耕方式的體現，梯田承載了民族特色和文化認同，體現了哈尼族人民與土地的深厚情感。探究哈尼梯田的保護和傳承有助于深入了解古代農耕文化的發展，以及人類與自然關系的演變過程，對于維護文化多樣性和促進生態文明建設具有重要意義。基于此背景，本課程將帶領學生深入開展哈尼梯田智慧生態保護的科技創新探究。

二

活動目標

課程規劃時采用學科融合與STEM教學理念，鼓勵學生圍繞“云上梯田”智慧生態保護方案創客主題，開展跨學科的綜合性課題研究，通過項目實踐開展梯田環境、歷史文化、問題考察、智慧保護解決方案和創客學習體驗等探究活動，讓學生了解哈尼梯田保護與傳承面臨的挑戰。

指導學生全面學習與梯田生態保護相關的生物學、信息學、地理、美術和歷史等多學科知識，融合運用不同學科的知識和技能，探尋利用科技創新方法實現哈尼梯田的生態保護。

認識科學技術在人類生產與生活中的重要價值，借助開源硬件開發平臺設計算法、編寫程序，實現系統功能，通過制作創客作品提出智慧生態環境保護解決方案。

通過項目實踐，體驗項目的創意、設計、制作、調試、展示評價的完整過程，增強動手實踐能力，提高青少年學習科學技術的興趣，增強“科教興國”的責任感與自信心。

云上梯田學生作品展示

三

活動方式

對象

7—8年級選修“云上梯田”智慧生態保護興趣課程的學生。

形式

在教師指導下自由組隊，進行小組合作。

教師

組建課程研究團隊，以信息技術、生物、地理為主要學科，融合物理、藝術學科重要內容，結合歷史、政治、數學學科相關知識，確定課程體現各學科素養的教學目標，設計課程活動內容。

四

活動內容

第一階段：探究元陽哈尼梯田生態環境

活動1. 小組探究：為什么元陽哈尼梯田能夠申遺成功?

為什么元陽哈尼梯田能夠申遺成功？人們開墾梯田可以解決什么問題？對哈尼梯田的發展有什么期望？學生從多個方面進行問卷調查，初步認識哈尼梯田以其獨特的自然景觀、豐富的文化傳統及哈尼族人民的努力保護，成為了一處備受關注的世界文化遺產。

活動2. 使用人工智能繪畫繪制“你心中的哈尼梯田”

在教師指導下，學生利用人工智能繪畫工具，根據對哈尼梯田的理解和想象，繪制出自己心中的哈尼梯田圖景，展現梯田的自然美和文化特色。

活動3. 小組探究：梯田由哪些生態系統構成?

通過理論學習、小組討論與查詢資料，學生探究梯田由哪些生態系統構成，這些生態系統如何互相影。通過了解梯田的生態系統組成，比如土壤、水文循環和生物多樣性，學生能夠深入了解梯田的生態多樣性，同時感受生態平衡及不同生態系統之間的相互關系。

活動4. 構建哈尼梯田“森林—村寨—梯田—江河”子系統的相互作用

學生通過模型或圖表的繪制，展示森林、村寨、梯田和江河之間的相互關系，理解這一復合生態系統的復雜性；教師指導學生理解哈尼梯田“森林—村寨—梯田—江河”沿等高線分布空間結構的生態特征。

第二階段：考察探究梯田生態環境待解決問題

活動5. 討論哈尼文化中你最喜歡什么內容?

開展“神秘村落阿者科”專題學習，學生在活動中學習哈尼梯田文化，研究哈尼梯田的傳統藝術和手工藝品，感受哈尼梯田的美學價值，了解風俗民情，感受民族傳承，分析哈尼梯田文化得以傳承的原因。

活動6. 尋找影響梯田生態系統穩定的主要因素

通過實地考察與資料研究，學生找出影響梯田生態系統穩定性的關鍵因素，并討論如何保護和改善這些因素；學生能夠理解哈尼梯田生態系統的物質流動主要通過水、土壤、肥料和微生物進行，從森林生態子系統開始，經過村寨子系統的加工利用，進入梯田生態子系統并再次被使用，最終隨河流離開系統。

學生進行實地調研

第三階段：以水源監測為例提出智慧生態環境保護解決方案

活動7. 學習元陽哈尼梯田灌溉原理

“山有多高，水有多高。”千百年來，哈尼族人民根據山勢地形，利用復雜的水渠系統，將水從樹木繁盛的山頂引入層層梯田，而每家每戶具體分得多少用水，一般由德高望重的“咪谷”（即村中的長者）與用水者協商決定。帶領學生了解元陽哈尼梯田的地理特征、構造特點，以及梯田灌溉的工作原理，理解水源對農業生產的重要性。

活動8. 繪制梯田灌溉圖景及構造

學生繪制梯田灌溉系統草圖，展示灌溉系統的結構和工作原理。

活動9. 梯田灌溉的優缺點

為提高梯田灌溉效率和可持續性，學生討論傳統梯田灌溉系統的優點和可能存在的問題，提出改進意見。

活動10. 設計哈尼梯田水源監測方案

基于梯田水源監測現存問題，學生進行小組頭腦風暴構思，以梯田灌溉水源的可持續利用為目標，設計一套初步的水源監測方案。

第四階段：創客學習體驗生態保護案例

活動11. 調查“趕溝人”的職業需求

通過前置活動對水源重要性的了解，學生更能體會負責維系梯田水源暢通的“趕溝人”的重要性，但隨著勞動力外出務工，職業趕溝人越來越少，趕溝工作也越來越辛苦。基于此情況，學生對哈尼梯田中趕溝人這一特殊職業進行調查，了解他們的工作內容、需求和面臨的挑戰。

活動12. 水位傳感器探索活動

為降低趕溝人的重復勞動，學生設計了放置在梯田里的水位報警裝置。為了完成制作，學生開始學習Arduino開源硬件知識，學習水位傳感器模塊知識。

活動13. 水位監測模型演示

以小組為單位制作開源硬件模型，并演示水位監測活動，展示如何通過監測水位控制梯田放水與灌溉。

第五階段：階段總結

活動14. 測試功能，記錄數據，修改設計方案

學生對設計的梯田灌溉模型進行功能測試，記錄測試數據，并根據測試結果提出修改意見。

活動15. 課程總結與評價

通過“水源監測”案例，學生學習如何幫助趕溝人維護梯田水源，但梯田的保護還存在很多問題，學生將嘗試歸納問題，并借助人工智能和開源硬件設計解決相關問題。

活動16. 使用人工智能繪畫繪制“智能生活下的哈尼梯田”

學生通過人工智能軟件生成“智能生活下的哈尼梯田”，與課程開始繪制的“你心中的哈尼梯田”進行比較，并講述兩次設計中的差別及設計意圖。

第六階段：開源硬件與人工智能創客設計

活動17. 制作創新機器人作品

學生分小組團隊合作，經由需求分析、方案設計、智能設計原型制作、測試與優化、展示與評價5個步驟，完成智慧生態保護機器人的設計與制作。比如，小組A在需求分析后，決定設計哈尼梯田生態保護機器人，該機器人將具備智能蓄水、智能放排水、實時天氣智能監測播報、設備監測降溫、智能燈光、智能人臉識別與安保系統等功能。選用Arduino開發板、OLED顯示屏、人工智能視覺傳感器、土壤濕度傳感器、雨滴傳感器、語音播報模塊、舵機模塊等多種元件，通過激光雕刻與3D打印設計制作外觀模型，通過Mind+編寫程序代碼，進行組裝調試并運行，整理資料編寫產品說明書，最終完成作品的展示與評價。

學生進行開源硬件創意設計

激光切割與 3D 打印制作模型

五

活動創新點

多學科融合，科技教育助力人才培養

本課程通過跨學科融合的教學方法，將學習目標、學習內容、學習方案、學習活動進行深度融合，為學生帶來創新性的學習體驗。

實踐導向設計，創新內容助力“雙減”

以實際生活、生產勞動問題作為議題，開展學科融合課程，在主題、方式、內容上均能較好地推動課程內容創新，開拓課后服務的深度與廣度。

改變傳統教學模式，深入學科素養培養

課程引入了綜合視角、交叉思維、效益增強和多元解決方案等創新點，通過教學方法創新、資源整合與協同合作，以及學科知識與跨學科思維的結合，為學生提供了多維度的學習體驗。

六

未來展望

課程下一步將強化跨學科課程設計，通過明確目標、推進實施和多元評價，提升教學質量和學生核心素養；將持續探索融入地方課程的路徑，以擴大其影響力和實踐價值。此外，課程還將嘗試通過學生、教師和科研機構的共建合作，促進元陽哈尼梯田生態保護研究成果的應用轉化。

該項目獲得第38屆全國青少年科技創新大賽科技輔導員科技教育創新成果一等獎■

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來源 | 中國科技教育2024-12

編輯 | 孟想

審校 | 若惜、朱志安