科技教育创新成果一等奖：“云上梯田”智慧生态保护课程 ——基于学科融合的科技创新活动方案

作者

杨茜楠/中央民族大学附属中学红河州实验学校

一

活动背景

哈尼梯田位于云南省东南部红河哈尼族彝族自治州元阳县境内哀牢山余脉，作为我国“第一个以农耕、稻作为主题的遗产项目”“第一个以民族名称命名的遗产地”，2013年被纳入《世界遗产名录》。哈尼梯田具备世界级的文化和自然价值：森林、村寨、梯田、水系“四素同构”生态系统，展示了人类与自然的和谐共生，作为哈尼族传统农耕方式的体现，梯田承载了民族特色和文化认同，体现了哈尼族人民与土地的深厚情感。探究哈尼梯田的保护和传承有助于深入了解古代农耕文化的发展，以及人类与自然关系的演变过程，对于维护文化多样性和促进生态文明建设具有重要意义。基于此背景，本课程将带领学生深入开展哈尼梯田智慧生态保护的科技创新探究。

二

活动目标

课程规划时采用学科融合与STEM教学理念，鼓励学生围绕“云上梯田”智慧生态保护方案创客主题，开展跨学科的综合性课题研究，通过项目实践开展梯田环境、历史文化、问题考察、智慧保护解决方案和创客学习体验等探究活动，让学生了解哈尼梯田保护与传承面临的挑战。

指导学生全面学习与梯田生态保护相关的生物学、信息学、地理、美术和历史等多学科知识，融合运用不同学科的知识和技能，探寻利用科技创新方法实现哈尼梯田的生态保护。

认识科学技术在人类生产与生活中的重要价值，借助开源硬件开发平台设计算法、编写程序，实现系统功能，通过制作创客作品提出智慧生态环境保护解决方案。

通过项目实践，体验项目的创意、设计、制作、调试、展示评价的完整过程，增强动手实践能力，提高青少年学习科学技术的兴趣，增强“科教兴国”的责任感与自信心。

云上梯田学生作品展示

三

活动方式

对象

7—8年级选修“云上梯田”智慧生态保护兴趣课程的学生。

形式

在教师指导下自由组队，进行小组合作。

教师

组建课程研究团队，以信息技术、生物、地理为主要学科，融合物理、艺术学科重要内容，结合历史、政治、数学学科相关知识，确定课程体现各学科素养的教学目标，设计课程活动内容。

四

活动内容

第一阶段：探究元阳哈尼梯田生态环境

活动1. 小组探究：为什么元阳哈尼梯田能够申遗成功?

为什么元阳哈尼梯田能够申遗成功？人们开垦梯田可以解决什么问题？对哈尼梯田的发展有什么期望？学生从多个方面进行问卷调查，初步认识哈尼梯田以其独特的自然景观、丰富的文化传统及哈尼族人民的努力保护，成为了一处备受关注的世界文化遗产。

活动2. 使用人工智能绘画绘制“你心中的哈尼梯田”

在教师指导下，学生利用人工智能绘画工具，根据对哈尼梯田的理解和想象，绘制出自己心中的哈尼梯田图景，展现梯田的自然美和文化特色。

活动3. 小组探究：梯田由哪些生态系统构成?

通过理论学习、小组讨论与查询资料，学生探究梯田由哪些生态系统构成，这些生态系统如何互相影。通过了解梯田的生态系统组成，比如土壤、水文循环和生物多样性，学生能够深入了解梯田的生态多样性，同时感受生态平衡及不同生态系统之间的相互关系。

活动4. 构建哈尼梯田“森林—村寨—梯田—江河”子系统的相互作用

学生通过模型或图表的绘制，展示森林、村寨、梯田和江河之间的相互关系，理解这一复合生态系统的复杂性；教师指导学生理解哈尼梯田“森林—村寨—梯田—江河”沿等高线分布空间结构的生态特征。

第二阶段：考察探究梯田生态环境待解决问题

活动5. 讨论哈尼文化中你最喜欢什么内容?

开展“神秘村落阿者科”专题学习，学生在活动中学习哈尼梯田文化，研究哈尼梯田的传统艺术和手工艺品，感受哈尼梯田的美学价值，了解风俗民情，感受民族传承，分析哈尼梯田文化得以传承的原因。

活动6. 寻找影响梯田生态系统稳定的主要因素

通过实地考察与资料研究，学生找出影响梯田生态系统稳定性的关键因素，并讨论如何保护和改善这些因素；学生能够理解哈尼梯田生态系统的物质流动主要通过水、土壤、肥料和微生物进行，从森林生态子系统开始，经过村寨子系统的加工利用，进入梯田生态子系统并再次被使用，最终随河流离开系统。

学生进行实地调研

第三阶段：以水源监测为例提出智慧生态环境保护解决方案

活动7. 学习元阳哈尼梯田灌溉原理

“山有多高，水有多高。”千百年来，哈尼族人民根据山势地形，利用复杂的水渠系统，将水从树木繁盛的山顶引入层层梯田，而每家每户具体分得多少用水，一般由德高望重的“咪谷”（即村中的长者）与用水者协商决定。带领学生了解元阳哈尼梯田的地理特征、构造特点，以及梯田灌溉的工作原理，理解水源对农业生产的重要性。

活动8. 绘制梯田灌溉图景及构造

学生绘制梯田灌溉系统草图，展示灌溉系统的结构和工作原理。

活动9. 梯田灌溉的优缺点

为提高梯田灌溉效率和可持续性，学生讨论传统梯田灌溉系统的优点和可能存在的问题，提出改进意见。

活动10. 设计哈尼梯田水源监测方案

基于梯田水源监测现存问题，学生进行小组头脑风暴构思，以梯田灌溉水源的可持续利用为目标，设计一套初步的水源监测方案。

第四阶段：创客学习体验生态保护案例

活动11. 调查“赶沟人”的职业需求

通过前置活动对水源重要性的了解，学生更能体会负责维系梯田水源畅通的“赶沟人”的重要性，但随着劳动力外出务工，职业赶沟人越来越少，赶沟工作也越来越辛苦。基于此情况，学生对哈尼梯田中赶沟人这一特殊职业进行调查，了解他们的工作内容、需求和面临的挑战。

活动12. 水位传感器探索活动

为降低赶沟人的重复劳动，学生设计了放置在梯田里的水位报警装置。为了完成制作，学生开始学习Arduino开源硬件知识，学习水位传感器模块知识。

活动13. 水位监测模型演示

以小组为单位制作开源硬件模型，并演示水位监测活动，展示如何通过监测水位控制梯田放水与灌溉。

第五阶段：阶段总结

活动14. 测试功能，记录数据，修改设计方案

学生对设计的梯田灌溉模型进行功能测试，记录测试数据，并根据测试结果提出修改意见。

活动15. 课程总结与评价

通过“水源监测”案例，学生学习如何帮助赶沟人维护梯田水源，但梯田的保护还存在很多问题，学生将尝试归纳问题，并借助人工智能和开源硬件设计解决相关问题。

活动16. 使用人工智能绘画绘制“智能生活下的哈尼梯田”

学生通过人工智能软件生成“智能生活下的哈尼梯田”，与课程开始绘制的“你心中的哈尼梯田”进行比较，并讲述两次设计中的差别及设计意图。

第六阶段：开源硬件与人工智能创客设计

活动17. 制作创新机器人作品

学生分小组团队合作，经由需求分析、方案设计、智能设计原型制作、测试与优化、展示与评价5个步骤，完成智慧生态保护机器人的设计与制作。比如，小组A在需求分析后，决定设计哈尼梯田生态保护机器人，该机器人将具备智能蓄水、智能放排水、实时天气智能监测播报、设备监测降温、智能灯光、智能人脸识别与安保系统等功能。选用Arduino开发板、OLED显示屏、人工智能视觉传感器、土壤湿度传感器、雨滴传感器、语音播报模块、舵机模块等多种元件，通过激光雕刻与3D打印设计制作外观模型，通过Mind+编写程序代码，进行组装调试并运行，整理资料编写产品说明书，最终完成作品的展示与评价。

学生进行开源硬件创意设计

激光切割与 3D 打印制作模型

五

活动创新点

多学科融合，科技教育助力人才培养

本课程通过跨学科融合的教学方法，将学习目标、学习内容、学习方案、学习活动进行深度融合，为学生带来创新性的学习体验。

实践导向设计，创新内容助力“双减”

以实际生活、生产劳动问题作为议题，开展学科融合课程，在主题、方式、内容上均能较好地推动课程内容创新，开拓课后服务的深度与广度。

改变传统教学模式，深入学科素养培养

课程引入了综合视角、交叉思维、效益增强和多元解决方案等创新点，通过教学方法创新、资源整合与协同合作，以及学科知识与跨学科思维的结合，为学生提供了多维度的学习体验。

六

未来展望

课程下一步将强化跨学科课程设计，通过明确目标、推进实施和多元评价，提升教学质量和学生核心素养；将持续探索融入地方课程的路径，以扩大其影响力和实践价值。此外，课程还将尝试通过学生、教师和科研机构的共建合作，促进元阳哈尼梯田生态保护研究成果的应用转化。

该项目获得第38届全国青少年科技创新大赛科技辅导员科技教育创新成果一等奖■

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来源 | 中国科技教育2024-12

编辑 | 孟想

审校 | 若惜、朱志安