蚯蚓护苗装置.pdf

湖南省宁乡一中紫金中学 徐俊科 黎沐函本期点评专家谭迪熬 中国发明协会院士专家咨询工作委员会首任专家，中国发明协会中小学创造教育分会会长，科技创新教育特级教师，教育部国培计划专家库专家。一、提出课题在参加杨梅树栽培实践活动时，我们听实践活动基地的负责人说，第一年杨梅幼苗被移栽后因为杂草多、干旱、病虫害等因素出现了大面积死亡现象，成活率不到 50%。实践活动结束后，老师布置了一项作业，要求思考提高移栽的杨梅幼苗成活率的方法。我们两个对生物很感兴趣，于是在老师和家长的帮助下一起就这个问题进行研究。二、设计思路蚯蚓在土壤中以腐烂的有机物为食，蚯蚓粪便中的无机盐可以为杨梅提供营养，同时改良土壤，增加土壤肥力，而且蚯蚓和杨梅都喜欢湿润的环境，所以，我们想到设计一种装置，覆盖移栽的杨梅幼苗周围一定范围并通过其中的蚯蚓饲养装置为移栽的幼苗创造适宜生长的环境，从而提高幼苗成活率。“覆盖”指用玻璃、塑料等材料制作的部件盖在苗木周围，防止杂草生长和水肥流失。“蚯蚓饲养装置”是安装在覆盖材料上的一个可以装取的活动部件，其底部有许多小孔，有利于水肥向下渗透。三、检测土壤湿度我们设计土壤湿度检测实验，以通过检测不同土壤的湿度来确定自动浇灌的土壤湿度值。（一）实验步骤（一）实验步骤第一步，分别到果园、菜地、农田采集土壤，用保鲜袋封装保湿。第二步，在实验室里，用手分别握紧不同的土壤样本再松开，分别记录松开后土壤样本的状况。第三步，用土壤湿度传感器检测蚯蚓护苗装置16162023 年 8 月发明与创新初中生创造天地创造天地不同土壤样本的湿度，具体情况见表1。第四步，把所有的土壤样本分别称重 100 g 并放入盘子，在盘子上分别贴上标签 1、2、3、4、5、6，再放入电烤箱中调温至 230烘烤 35 min，烤干土壤样本，然后计算各种土壤样本的含水量，具体数据见表 2。（二）实验现象分析（二）实验现象分析通过检测以及分析用手握紧再松开后土壤样本的状况，得出湿度为25%30%的土壤最适宜植物幼苗生长，所以将自动浇灌的土壤湿度值定为25%。四、制作装置（一）总体方案（一）总体方案在实验研究的基础上，根据装置的功能要求，我们设计了蚯蚓护苗装置的总体技术方案。蚯蚓护苗装置主要由四个部分组成：幼苗环境部分、蚯蚓饲养盘、供水模块、控制模块。当土壤湿度低于设定值（25%）时，蚯蚓护苗装置中的喷头就会往蚯蚓饲养盘内喷水，水流经蚯蚓饲养盘后浸入土壤，同时把蚯蚓分解有机物产生的无机盐等养分带入幼苗根部，达到浇水、施肥以提高移栽幼苗成活率的目的。土壤样本果园土 1果园土 2果园土 3果园土 4菜园土 5水稻土 6湿度43.3%34.1%29.6%34.7%63.6%100%表 1 不同土壤样本的湿度土壤样本果园土 1果园土 2果园土 3果园土 4菜园土 5水稻土 6质量/g100100100100100100干重/g78.8382.1782.8781.4281.3576.70表 2 不同土壤样本的含水量1.太阳能电池板；2.信号线；3.电池和控制电路；4.土壤湿度传感器；5.护苗板；6.护苗支架；7.蚯蚓饲养盘；8.供水管；9.喷头；10.幼苗。图 1 蚯蚓护苗装置设计图17172023 年 8 月发明与创新初中生创造天地创造天地（二）主要部件构造（二）主要部件构造幼苗环境部分由 2 块护苗板和 4个护苗支架构成。蚯蚓饲养盘被卡在护苗板上，大致置于幼苗根系边缘上方，底部和四周有均匀分布的小孔，既能防止蚯蚓钻出去，又能让喷淋的水及时浇灌幼苗根部。蚯蚓饲养盘有一部分露出地面，有利于水肥被幼苗根系充分吸收。供水模块由 1 台自吸泵、水管和2 个直径为 0.5 mm 的喷头构成。主进水管设计在两块护苗板连接处下方，利用锁卡卡住，到中央分为两根进水管，分别延伸到蚯蚓饲养盘上方。控制部分由 12 V 直流供电电源、太阳能电池板、5 V 降压板、STM32 单片机核心板、0.96 寸 OLED 显示屏、湿度继电器、土壤湿度传感器、UGNX 综合建模并 3D 打印成的控制盒等构成。护苗板上立一个支架以托住太阳能电池板，电源连通 5 V 降压板、STM32 单片机核心板、湿度继电器、土壤湿度传感器和 OLED 显示屏。（三）控制流程（三）控制流程主程序每 500 ms 读取一次土壤湿度传感器经过模数转换的土壤湿度值。设定的土壤湿度值下限为 25%，连续检测 20 次土壤湿度，如果土壤湿度值均低于 25%，则控制自吸泵的继电器吸合（为防止人为或电压波动导致误动作，只要有一次土壤湿度值高于 25%，则检测次数清零，重新检测），自吸泵开图 2 控制系统图显示屏显示当前土壤湿度值、设定土壤湿度值、浇水状态STM32单片机核心板土壤湿度传感器采集土壤湿度信息待主控板读取继电器接收来自主控板的信息并执行一定时间内自吸泵的开关动作18182023 年 8 月发明与创新初中生创造天地创造天地始工作，通过喷头向土壤喷水 23 s，随后程序控制继电器断开自吸泵电路。之后重复以上控制流程。（四）制作过程（四）制作过程我们购买制作蚯蚓护苗装置所需的材料，在老师的指导和帮助下，按照设计方案制作蚯蚓护苗装置。1.用硬塑料等材料制作两块中间带有半圆形缺口的护苗板，再将它们组装在一起，用卡扣固定，中央刚好留出可调节大小的固定幼苗的位置。然后在护苗板上设计两个对称的圆孔，用来放置蚯蚓饲养盘。2.把制作好的蚯蚓饲养盘置于护苗板上的圆孔内。3.连接水管和自吸泵，在延伸到蚯蚓饲养盘上方的水管端口安装喷头。4.组装控制部分。在护苗板上安装支架，将太阳能电池板装在支架上。然后，将电源与 5 V 降压板、STM32 单图 3 控制程序流程图系统加电检测次数清零土壤湿度值低于25%？继续检测已连续检测20次，土壤湿度值均低于25%？启动自吸泵保持浇水状态已浇水23秒？是是是否否否自吸泵停止工作19192023 年 8 月发明与创新初中生创造天地创造天地片机核心板、湿度继电器、土壤湿度传感器和 OLED 显示屏等连接。5.往控制盒内倒入土壤，移栽幼苗后将护苗板和控制盒组装在一起，再用护苗支架固定幼苗。接着，将湿度传感器插入土壤，连通电路。五、测试与实验（一）性能测试（一）性能测试 我们打开电源开关，土壤湿度值显示为 60%，这时继电器没有吸合自吸泵电路，自吸泵没有启动。随后将土壤湿度传感器拔出，置于干燥的土壤中，显示土壤湿度值为 1%，控制自吸泵的继电器吸合，自吸泵开始工作，通过喷头向蚯蚓饲养盘喷水 23 s，清水经过蚯蚓饲养盘流到幼苗根部，达到灌溉和施肥的目的。通过多次测试，装置性能稳定，满足设计要求。（二）实验过程（二）实验过程1.选取两棵大小、高矮和根的生长情况基本相同的杨梅幼苗。2.用枝剪把根部剪齐，同时剪去部分叶片和上部三分之一的枝条，以减少叶片的蒸腾作用。3.在同一果园土质相同的两个地方栽种两棵杨梅幼苗，两者相距 5 m 左右，注意使根部充分展开，覆土后压紧根部（让根与土壤紧密贴合），同时浇好定根水。4.其中一组不用蚯蚓护苗装置，将其设为 A 组；另一组利用蚯蚓护苗装置，将其设为 B 组。（三）实验现象（三）实验现象去年 2 月 15 日移栽杨梅幼苗后，每个星期观察一次。第一个月两组没有明显区别。从去年 4 月开始，A 组附近长有杂草，B 组附近基本没有杂草。去年 5 月，B 组幼苗生长正常，A 组幼苗出现营养不良，有的杂草已经长至幼苗的高度。去年 6 月，明显能看出 B图 4 装置实物图图 5 测试装置性能20202023 年 8 月发明与创新初中生创造天地创造天地徐俊科、黎沐函同学的蚯蚓护苗装置是一件富有内涵的原创性发明作品。这个作品乍看似乎并无过人之处，然而，你认真看完作品产生的过程，了解它的作用与效果后，会由衷地感叹与赞美。这个作品产生的过程，突出体现了：其一，指导老师和学生的科创态度端正。从校园学习实践活动中获得了课题，就实实在在地进行探究，注重创新成长，而不是总想弄个夺人眼球的题目去获奖。淡泊名利、弘扬中国科学家为祖国和人民的奉献精神，这正是新时代科创实践活动所倡导的。其二，把握了科学研究的基本规律，遵循了学生认知规律和身心发展的基本规律。我们常说，青少年的科创实践“心动不如行动，行动不如聪动”，这表明，我们有了创新的热情还不够，还要敢于行动。而行动不是盲目的，是要有科研智慧与方法指导的。其三，这个作品既维护了生态平衡，又让植物生长得更好，简单实用，是一个“常规问题精细化”的典型作品。专家点评组幼苗长得比 A 组幼苗旺盛，B 组幼苗的枝条比 A 组的大约长 4 厘米。去年 7月，B 组树苗的生长优势更加明显。去年 8 月至 10 月，由于天气干旱和杂草太多，A 组树苗基本没有生长，还出现了叶片发黄的现象，B 组树苗仍然正常生长，枝条比 A 组的长 20 厘米。这足以说明，蚯蚓护苗装置对移栽的杨梅幼苗成活率的提高和生长有明显的效果。六、创新点蚯蚓护苗装置将护苗板组件、蚯蚓饲养盘和自动喷灌系统相结合，创新了幼苗移栽设备；利用蚯蚓分解菜叶、果皮等产生有机肥料，创造适于幼苗生长的环境，创新了提高苗木成活率的方法。在推广使用时，会考虑用电磁阀代替自吸泵来实现功能。（指导老师：潘道正 王普献 徐智）21212023 年 8 月发明与创新初中生创造天地创造天地