精品教案——生长的植物

精品教案——生长的植物（精选6篇）

精品教案——生长的植物 篇1

一、教学目标

1、了解有关植物的生长规律，通过收集资料了解常见植物的生长规律。

2、了解植物的结构特征，通过对植物的描绘进行生活中处处有美的情感教育。

3、培养观察力、记忆能力以及根据记忆表现画面，表现视觉感受能力。

教学重点：了解植物的结构特征。

教学难点：了解植物的结构特征，能表现有视觉感受力的画面。

第一课时

课前准备

（学生）事先了解植物的生长规律和结构特征, 记号笔，水笔等绘画材料。

（教师）各种植物的图片资料，有关植物的文字作品、范画等。

教学过程

一、导入课题。

1、书写“植物”两字，学生齐念。

教师：生活中离不开植物，植物供我们欣赏，能装饰点缀我们的生活，植物能陶冶我们的情操，植物能„„

2、看到植物两个字，首先就给我们一种积极向上的形象。你们知道的植物有哪些呢？你最喜欢哪种植物呢？能否从美术的角度来谈谈喜欢的理由。（从植物的形体、线条、色彩、光影及其周边环境的协调等方面赏析）

学生：

为什么？

学生：向日葵（热情的，向上的）

梅兰竹菊（四君子）

松树（树中的君子）等等

3、植物是有生命的，（板书：生长的），生长的植物需要什么呢？ 学生：

今天，我们就来画一画《生长的植物》。该怎么画呢？我们一起来讨论，研究一下。

二、欣赏

1、观察植物的结构

自然界中植物的种类不计其数，大部分有一个共同的特点，都由根、茎、叶组成，都需要阳光和水份。在阳光和雨露的滋润下，他们一最美的姿态呈现在我们面前。

(1)看图，这些花花草草，你能用一个词儿或一句话来概括一下吗？ 学生：百花盛开

万紫千红、争奇斗艳

范例：荷花，每到夏天西湖边都是挨挨挤挤的荷花。

“接天莲叶无穷碧，映日荷花别样红”

“荷叶出水很高，象亭亭舞女的裙。”——朱自清散文《菏塘夜色》小结：这些美丽的花花草草争奇斗艳，生机盎然，嫩嫩的叶子，细细的茎，花瓣小小的，一朵朵小花聚在一起，就像一张张小朋友的笑脸，那么可爱，富有活力。

（2）看图，整体观察各种不同形态的树木。同样是树，不同在哪里？（树干的的粗细、高矮、，树桠的疏密，树叶的形状，色彩都不同。）（3）看图，从这些在沙漠中生长的植物身上你看到了什么？（植物顽强，旺盛的生命力和不屈不挠的精神。）

过渡:教师总结：通过欣赏，我们知道植物有着美丽的姿态，它既给我们带来美的享受，同时又给我们带来了极大的精神享受。

2、植物是地球的最美好的礼物。

教师提问：植物除了供我们欣赏外，它还有什么功劳吗？

学生

根据事先了解到的知识进行讨论后回答。

教师总结：首先，植物是人类和部分动物的食物之源；带来荫凉，抗噪音。还能制造氧气，挡沙，防止水土流失，净化空气，装饰点缀美化我们的生活。我们的吃、穿、住、行都离不开植物。植物是我们地球最好的礼物。

果实，带来经济效益。

3、植物也是历史的见证。

教师：植物除了是精美的艺术品，它还能使我们联想到什么吗？

看我们西湖公园里的古树，见证着西湖的变迁！

4、欣赏大师笔下的植物。

出示图片资料，学生欣赏《古墙老藤》版画、《被美洲豹袭击的马》油画。

教师提问：①美术大师是用什么方法来表现树的？

②大师笔下的树在造型上、色彩上、明暗，肌理上分别有什么特点？

③你得到了什么启发？

教师：大师们用自己独特的艺术语言表现植物的美丽、植物旺盛的生命力，用这种方式表达对美好生活的向往。

三、学生练习用勾线笔勾勒

学生练习，教师指导。

四、点评作业。

在欣赏学生作品的同时，请思考下列问题：

（1）这次画的植物，有什么特点？和以往有什么不同？

（2）有哪些可取之处？说说你最欣赏的作品。

（3）课后还可以再观察别的植物，找出每样植物的精彩部分

8.小结。

教师：今天这堂课，我们学习了有关植物的知识，欣赏了植物美丽的姿态，艺术大师笔下的植物，并向大师学习画了画植物。下节美术课，请同学们带好水笔，我们要去户外感受大自然中的植物，亲自去感受那鲜活的生命！

第二课时

课前准备

（学生）各种绘画工具，水笔，钢笔，记号笔等。

（教师）绘画工具。

教学过程

1.导入课题。

教师：上堂课，我们学习了有关植物的知识，欣赏了大师笔下的植物以及写生了植物的局部，今天这堂课我们要到大自然当中去感受植物的存在！

2.讨论树的结构。

看图片讨论树的大致结构，自然界中树的种类不知其数，但是他们的结构却是万变不离其中，一般由树干、树枝、枝桠组成。

3.到户外观察。

去校园里，围着树木仔细观察。

先摸摸树皮，谈谈感受：

学生：

（1）树皮粗粗的，很毛糙的感觉，有纹理。

（2）树干很粗，要好几个人围抱才行。

（3）谈谈树干，树枝，枝桠的结构关系。

（4）谈谈写生树的步骤，树干可以从下至上的画，树干、树枝、枝桠的关系是从大到小的！

学生边看边思考，可以用自己准备的材料来表现？

教师：可以用线描来表现树枝层层叠叠的感觉，树干可以用线描组织花纹来表现。可以用拓印的方法来表现树皮的肌理，体验肌理的质感。

4.教师示范作业。

（1）教师指导学生的写生方法，姿势以及教会学生如何观察。

（2）教师示范用宣纸拓印的方法。

（3）教师示范线描的方法，自下而上，由大枝干画到小枝干的方法。

教师强调重叠，穿插的画法。

5.学生分散写生，教师指导。

6.作业。

学生以小组为单位，分组合作，教师巡视辅导。

（1）在写生的过程中，碰到了什么问题？

（2）你们在写生过程中，想到了什么？对树产生了一种什么样的情感？

（3）你觉得哪个小组画得最棒？画出了树的生机？

精品教案——生长的植物 篇2

关键词：玫瑰,赤霉素,B9,生长,品质

玫瑰是蔷薇科蔷薇属的木本花卉。它有“花中皇后”的美誉, 深受人们喜爱。而且也是我国十大名花之一, 被我国30多个城市选为市花。玫瑰已占全部切花总量的第3位, 在我国所有切花的消费量中玫瑰已占首位。现代玫瑰不但花色、花型丰富、香味浓, 而且温室栽培可以周年开花, 已成为商品化生产的主要切花品种之一。为了实现花卉的周年均衡生产和节日花卉的集中采收[2], 该实验旨在研究植物生长调节剂对玫瑰生长和开花影响的处理方法。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2007年开始在贵阳国家农业园区白云玫瑰园进行, 试验材料选用贵阳栽培的品种———瑞普索迪 (Rhapsody) 。植物生长调节剂为赤霉素 (GA) 和B9[4]。

1.2 试验设计

1.2.1 试验设置。

赤霉素的浓度设置5个处理, 分别为:10mg/L、30mg/L、50mg/L、70mg/L、90mg/L。B9的浓度为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%。对照为清水 (CK) 。每个处理选12株, 重复3次。

1.2.2 试验方法。

移栽后60天, 用植物生长调节剂喷施叶面、花茎和花蕾, 每隔10天1次, 连续3次。

1.2.3 试验样品的生长指标测试。

植物的株高、茎粗用直尺和游标卡尺测定[5], 花鲜重用电子天平测定, 叶绿素经丙酮和无水乙醇提取后用722型分光光度计测定[1]。利用SPSS系统进行数据的差异显著性比较。

2 结果与分析

2.1 植物生长调节剂对生长的影响

2.1.1 对植株高度的影响。

GA处理后, 植株高度比对照清水 (CK) 明显增加, 其中50mg/L处理的达极显著水平, 30mg/L和70mg/L处理的达显著水平。但是B9处理后株高则降低 (见表1) , 其中0.3%处理的为负显著水平。

注:﹡达0.05显著水平, ﹡﹡达0.01极显著水平。

2.1.2 对叶片数的影响。

GA处理10mg/L、50mg/L、30mg/L和70mg/L处理的叶片数增加, 50mg/L和30mg/L处理的达极显著水平, 70mg/L处理的达显著水平, 但是90mg/L处理的叶片数减少了, 说明产生药害了。B9施用后, 仅0.2%处理的叶片数与对照相等外, 其它浓度使叶片数减少。

2.1.3 对茎粗的影响。

GA处理50mg/L、30mg/L和70mg/L处理的茎粗增加了, 且50mg/L处理的达极显著水平, 30mg/L和70mg/L处理的达显著水平, 但90mg/L处理的对茎粗有负向作用。B90.2%处理的对茎粗有正向作用, 0.3%处理对茎粗有负向作用, 其它浓度不明显。

2.1.4 对叶绿素的影响。

GA处理50mg/L、30mg/L和70mg/L处理的叶绿素含量增加了, 其中50mg/L和30mg/L处理的达极显著水平, 70mg/L处理的达显著水平, 但90mg/L处理的叶绿素含量减少了。B90.2%处理的浓度呈负显著水平, 其余处理没有差异。

2.2 植物生长调节剂对花期调节的影响

2.2.1 对花径的影响。

喷施GA 30mg/L、50mg/L和10mg/L处理的花头明显增大, 且30mg/L和50mg/L处理的达极显著水平, 10mg/L处理的达显著水平。B9施用后, 0.1%、0.2%、0.3%处理的对花头增大都有正向影响, 其中0.2%、0.1%处理的分别达极显著水平和显著水平。但0.4%处理的施用后花头则变小。

2.2.2 对花鲜重的影响。

喷施GA 50mg/L、30mg/L和70mg/L处理的单个花鲜重都增加, 其中50mg/L处理的达极显著水平, 而30mg/L、70mg/L处理的达显著水平。B90.1%、0.2%、0.3%处理的达显著水平, 花头增大, 单个花鲜重增加;而0.4%处理的花鲜重减少。说明药量太大则产生负作用。

2.2.3对开花株数比的影响。

使用GA处理的与对照的差不多, 无差异显著性。而喷施B9开花株数增加, 且0.3%处理的达到极显著水平, 0.1%、0.4%处理的为显著水平。说明喷施B9可以使玫瑰提前开花, 而喷施赤霉素则没有多大效果。

3 结论与讨论

3.1 使用植物生长调节剂GA比B9效果好

GA对株高、叶片数、茎粗、叶绿素含量的影响都很大, 特别使用50mg/L的浓度处理的效果最佳。对花头、花鲜重的影响也很大。说明植物生长调节剂赤霉素对花卉质量的影响也较大。这与前人的研究一致[5]。

使用植物生长调节剂B9后, 对株高、叶片数、茎粗、叶绿素含量的影响不大。对花头、花鲜重有一定影响。

综合植物生长调节剂GA和B9表现, 以使用赤霉素为好, 而赤霉素又以浓度50mg/L的处理为最佳。

3.2 两者的作用机理不同

GA可以加速细胞分裂、伸长, 所以对植株高度、叶片数、茎粗、叶绿素含量、花头大小有影响, 但是当浓度过大, 营养生长过旺, 对花头的大小和花鲜重有负向作用。B9可能与抑制生长、减少消耗有关, 所以它对花头有正向影响, 而对营养生长有抑制作用, 而且使用B9后可促使玫瑰提前开花, 尤其以浓度0.3%的处理为最佳。

参考文献

[1]黄定华.花卉花期调控新技术[M].北京:中国农业出版社, 1999.

[2]李树发, 杨玉勇, 唐开学等.云南出口切花月季花期调控技术.云南农业科技[J].2005, (3) :13-14.

[3]马子骏, 戴策刚.乙烯利与赤霉素对苦水玫瑰花期和产花量的影响[J].园艺学报.1985.12 (2) :125-130.

[4]邵莉楣主编.植物激素[M].北京:北京人民教育出版社, 1986.

公开课植物生长素的发现教案 篇3

根据新课程理念，高中生物学教学重在培养学生的科学思维、科学方法、科学精神等生物学科学素养，因此，本节课以“自主探究科学发现的过程来学习科学研究的方法”为设计理念，切实落实主体性教学，提高学生的探究能力，训练学生科学的思维方法。

二、教材分析 1.地位和作用

“植物生长素的发现”一节是新课程标准教材人教版生物必修3第三章第1节的内容，是在前面学习了有关动物和人生命活动的调节基础上学习的。学生对激素调节的机理有所理解。通过本节的学习，让学生了解生长素的发现过程和生长素的发现、运输及分布。

本节内容在结构体系上体现了人们对科学理论的认识过程和方法，是进行探究式教学的极佳素材。在教学中，通过发挥学生的主体作用，优化课堂结构，妙用科学史实例，把知识的传授过程优化成一个科学的探究过程，让学生在探究中学习科学研究的方法，从而渗透科学方法教育。 2.重点和难点 教学重点

生长素的发现过程。 教学难点

(1)生长素的产生、运输和分布。 (2)科学实验设计的严谨性分析。

三、教学目标

1.知识目标

(1)概述生长素的发现过程。

(2)了解生长素的产生、运输和分布。 2.能力目标

(1)尝试探索生长素类似物促进插条生根的最适浓度。 (2)进行实验设计和实验结论的评价。 3.情感目标

学习科学家严谨细致的工作作风和科学态度以及对真理不懈追求的科学精神，进一步激发学生辩证唯物主义世界观的树立。

四、教学模式

根据主体性教学目标，以“自主性、探究性、合作性”为学生学习的三个基本维度，以培养学生的科学素质为指导，以侧重科学方法教育为归宿，本节课采用“引导探究”教学模式，融合讨论法、比较法、归纳法等多种教学方法，并配以多媒体辅助教学，引导学生模拟科学发现过程，进行分析、讨论、归纳和总结。

“引导探究”教学模式流程: 设疑导入→引导探索→归纳总结→拓展升华

五、教学程序

教学环节

教师活动

学生活动

设计意图设疑导入

多媒体展示向着窗外生长的植株

请同学们说一说在野外能否明显见到这种生长状况? 从而引导学生思考：

1、图中植株的生长方向有什么特点?

2、可能是哪种环境刺激引发了这株植物生长方向的改变?这种改变有什么适应意义?

3、这种生长方向的改变，是发生在植物的幼嫩部分还是成熟部分?

学生根据日常生活经 验获取的信息回答：

在野外不易看到明显弯曲的生长状况。

植株弯向光源生长，可能是单侧光引发了生长状况的改变;这种改变使植株更好的接受阳光，进行光合作用;

这种方向的改变发生在植株幼嫩的部分。

联系生活实际，创设问题情景，以此来激发学生强烈的求知欲。 引导探索

一、植物向光性的概念 指导学生阅读P46第一节

二、生长素的发现过程

教师用多媒体展示达尔文的实验示意图(四组，见教材46页)。并提出问题：(提出问题供学生讨论，教师深入小组成员中参与讨论。)

1.

实验第一组得到什么结论?

2、第

一、二组对照的目的是什么?

3、对比分析第

一、三组说明什么?

4、第

三、四组与第一组对照说明什么?

5、该实验的结论是什么?

多媒体展示詹森的实验，(一组，见书P47。)并提出问题： 詹森的实验可以得出什么结论?詹森选择什么材料证明“刺激”向下传递?

多媒体展示拜尔的实验，(一组，P47)回答下列问题：

1、

拜尔的实验为什么选择黑暗的环境?

2、

实验结论是什么?

詹森和拜尔的实验都证明了“刺激”可以向下运输，“刺激”是什么?科学家推测可能是一种化学物质。

多媒体展示温特实验，(P47)提出问题：

把接触过胚芽鞘尖端的琼脂块放在切去尖端的胚芽鞘的一侧，胚芽鞘的生长方向如何?

若用没有接触过胚芽鞘尖端的琼脂块放在切去尖端的胚芽鞘的一侧，胚芽鞘的生长方向如何? 由此说明这种物质的作用是促进细胞生长。 温特把这种物质命名为生长素。

1934年首次从人的尿液中分离出生长素，其化学本质为吲哚乙酸。为什么能够从人的尿液中分离出植物生长素? 1942年从高等植物中分离出生长素。(IAA)

进一步发现，植物体内还有具生长素效应的物质还有吲哚丁酸(IBA)、苯乙酸(PAA)。

植物向光弯曲的原因是生长素分布不均造成的：单侧光造成生长素分布不均，背光侧比向光侧生长素含量多，引起两侧生长不均而造成向光弯曲。

三、生长素的产生、运输和分布： 请学生阅读书P48，回答下列问题。

1、生长素主要合成的部位在哪?

2、生长素的运输，分析书P49，技能训练， ①这个实验的设计是否严密?

②从这个实验结果到结论之间的逻辑推理是否严谨? ③如果要验证上述结论是否正确，应该对实验方案如何改进?

师生共同探讨得出结论：

实验设计不严密。也不严谨。缺少对照实验，说明生长素不能从形态学下端向形态学上端运输，因此这个实验需要把胚芽鞘倒置的对照。

总之生长素的运输方向：极性运输和非极性运输。 运输方式：主动运输。

3、生长素的分布：主要分布在生长旺盛的部位。

学生阅读思考概念中的重点词-------单侧光。

分组讨论、观察并用语言描述实验过程。最后得出结论。

第一组的实验说明在单侧光的照射下，胚芽鞘背光面比向光面长得快，具有向光性。

第一、二组起对照作用，证明向光性可能与尖端有关。由此推断：尖端可能产生某种刺激。

第一、三组说明了尖端可能产生的刺激与光照无关。

第三、四组与第一组对照说明了感光部位在胚芽鞘的尖端，而向光弯曲的部位在尖端以下。

该实验的结论是：单侧光照射使胚芽鞘的尖端产生某种刺激，这种刺激传递到下部的伸长区时会造成背光面比向光面长得快，因而出现向光性。

实验证明，胚芽鞘尖端产生的刺激可以透过琼脂片传递给下部。

选择黑暗是排除单侧光对实验结果的干扰。

实验结论：胚芽鞘的弯曲生长是尖端“刺激”向下传递时分布不均造成的。

向琼脂块的对侧弯曲生长。

胚芽鞘既不生长，也不弯曲。

幼嫩的芽、叶和发育着的种子。

学生、分析、讨论问题。

让学生把握好概念。

1.培养学生的语言组织能力。

2.培养学生观察能力和分析问题的能力。 3.培养学生处理信息和归纳总结能力 4.培养学生的合作精神。

培养学生探究问题与设计实验的能力及创新意识。

归纳总结

教师让学生分析、总结本节的主要内容：

1、

胚芽鞘向光性的原因是生长素分布不均造成的。感受光的部位是胚芽鞘的尖端。向光弯曲的部位是尖端以下的部位。

2、

生长素的作用是促进细胞的伸长生长。注意不是细胞分裂。

3、生长素的产生的主要部位幼嫩的芽、叶和发育的种子。运输的方向分极性运输和非极性运输两种，运输方式为主动运输。生长素的主要分布在生长旺盛的部位。

学生分析、讨论：

培养学生分析、总结的能力。 培养学生自主学习的能力。

开拓升华

1.请学生思考并回答教材课后习题。

2.结合达尔文、詹森、拜尔、温特等人的实验，分析; ①上述一系列实验体现出生物科学研究的基本思路：提出(发现)问题→提出假设→设计实验证明→得出结论。

②实验中运用了对照思想，增加实验结论的可靠性。 ③实验中体现了设计实验的单一变量原则。

学生结合所学知识进行分析，以加深对所学知识的理解和应用。

精品教案——生长的植物 篇4

【活动目标】

通过实验和动手活动，使幼儿感知土壤里有水、空气、腐烂物等成分和与植物的关系。培养幼儿的观察、比较及动手操作能力。

在活动中，让幼儿体验成功的喜悦。

在交流活动中能注意倾听并尊重同伴的讲话。

【活动准备】

三盆土（粘土、壤土、砂土）、挖土的铲子、卫生纸、可以种植的菜秧、一小盆水、三只盘子、四个纸杯（其中三个杯子杯底扎些小孔，一个杯子装水）、一只量杯。

【活动过程】

幼儿提前两天到种植园，拔出几棵青菜和小草。看一看，植物能不能离开土？观察前几天拔出的青菜和小草。

（1）青菜和小草都干枯了。

（2）因为它们的根离开了泥土，离开土壤就会干枯。

探究的问题：土壤中有什么？

★用小铲子挖泥土。

（1）土壤里有树根，还有烂了的树叶。

（2）土壤里有死虫子。

（3）土壤里有蚯蚓、蚂蚁。

★轻轻捏捏卫生纸包的泥土。

（1）纸湿了。

（2）泥土里有水分。

★把泥土放入有水的杯子中。

（1）有气泡。

（2）泥土中有空气。

说一说，植物为什么会在土壤里生长？

（1）植物在土壤里生长，是因为土壤里有肥料。

（2）因为土壤中有水分和空气。

比一比，三种土壤（粘土、砂土、壤土）有什么不同？

将三杯土放在三只盘子上，用量杯分别向三杯泥土中浇同样多的水。

（1）砂土里的水很快流到下面的盘子里去了。

（2）壤土里的水只流了一点，其他都被土壤吸收了。

（3）粘土里的水都在杯口，渗不下去，下面的盘子里没有水。

想一想，植物种在哪一种土壤中，根吸收到的水分和养分最充足？

种一种，哪种土壤最适合植物安家？

幼儿将青菜秧种在三种土壤中，引导幼儿每天观察记录青菜的生长情况。

记录青菜在三种土壤中的生长情况。

【注意事项】

1、幼儿取泥土包入卫生纸中时，教师注意引导幼儿选取较湿润的土。这样，纸湿的效果较明显。

2、幼儿向三杯土浇水时，水不宜多，以防水从杯口溢出流到盘中，影响观察。

【活动拓展】

启发幼儿观察、探索仙人掌为什么能生活在沙漠里，了解不同植物对土壤条件有不同的需求。

教学反思：

该活动我能利用幼儿身边的熟悉的资源——土，引导幼儿进行观察、实验、探索、讨论。活动中让幼儿带问题去进行实验、操作，引发幼儿学习、探索的兴趣。实验的设计是让幼儿能探索出土的性质，也便于幼儿操作，幼儿兴趣很大。实验中我能培养幼儿良好的合作能力，记录能力，以及操作习惯，并鼓励幼儿把自己在实验中的发现，用图画的方式记录下来。而且针对幼儿观察到现象，我能引发幼儿思考，为什么会有这种现象，以得出问题的答案，土壤里什么？使幼儿了解了土壤对于植物的作用，知道植物离不开土壤。然后和幼儿开展讨论，哪里还需要土壤？知道土壤在生活中的更多作用。

活动中，我也发现幼儿对于土壤的作用，了解的不是太多，这说明，在课前我还应让幼儿做好这方面的知识准备，丰富幼儿的知识面，以利于幼儿在活动中展开热烈讨论，让幼儿在自主学习中获取知识，学会自己找答案，而不是教师的灌注式，以让幼儿形成良好的学习思维习惯，发现身边的科学。

植物生长过程的观察日记 篇5

今天，妈妈从花鸟市场给我带回来几颗绿豆，它们挺着圆圆的肚子，好像是在比谁的肚子圆，绿豆们身着绿色的“军装”，军装的外面有一条白色的拉链，摸起来硬邦邦、滑滑的。我从洗手间里倒来一杯自然水，轻轻地把绿豆放进水中，绿豆们在水里一上一下，跳起了优美的舞蹈。过了一会儿，绿豆好像玩累了似的，像一个个输水的小娃娃躺在杯底呼呼大睡。

2022年1月20日，星期四，天气晴

今天早上，吃过早餐，我急急忙忙跑出来观察小绿豆，发现小绿豆们拉开了拉链，露出了黄里透白的小肚皮，它们好像是一群小朋友放学了，站在校门口等家长来接呢!我用手轻轻摸了摸这些“小朋友”，低声说:“小绿豆，你们一定要快点长大呀，明天我相信你们一定又会给我带来惊喜。”

2022年1月21日，星期五，天气阴

今天一起床，第一件事情就是看小绿豆的生长情况，果然，这些小绿豆让我大吃一惊，它们脱光了身上所有的衣服，变得赤裸裸的，而且它们的小肚子比之前大了一圈，身体的颜色变成了淡黄色。我想：是不是小绿豆的肚子太大了，把他们的“军衣”都给撑破了呢?最奇怪的是这小绿豆的旁边多了一条大约一厘米的小辫子，紧贴在“妈妈”的怀里。

2022年1月24日，星期一，天气小雨

温室植物生长环境模拟的研究动态 篇6

关键词：温室,植物,环境模拟,数学模型

植物生长环境模拟研究是近30年来随着农业科学、系统科学和计算机技术的发展而兴起的一个新的研究领域。所谓植物生长环境模拟, 就是将作物及其气象和土壤等环境作为一个整体, 应用系统分析的原理和方法, 综合大量的作物生理学、生态学、农学、农业气象学、土壤学、环境工程学等学科的理论和研究成果, 对作物的生长发育环境条件加以理论概括和数量分析, 建立相应的数学模型, 然后在计算机上进行动态的量化分析和环境变化过程的模拟研究。

植物生长环境模拟模型是植物生产信息技术中的一个重要组成部分, 它具有其他研究手段不可替代的描述、理解、预测、调控等功能。植物生长环境模型能够帮助人们理解和认识作物生育过程中依赖环境的基本规律和量化关系, 并对作物生长系统的动态行为和最后产量进行预测, 从而对作物生长环境和生产系统进行适时合理调控, 实现高产、优质、高效和持续发展的目标。

1 国内外研究动态

1.1 国外研究现状

应用模型技术对复杂系统进行研究是在20世纪60年代随着系统科学和计算机技术发展而逐步兴起的, 也是信息技术应用于农业生产的一个重要的研究领域。

温室系统是一个复杂的物理和生物系统, 包含许多非线性动态过程, 如动态传热过程、水分输运及平衡过程、作物光合作用和蒸腾作用等过程。早在1963年, Businger就采用热平衡稳定状态方法, 根据温室环境因素来确定温室内的空气温度, 这是温室建模的一个里程碑。随后以这一模型为基础的各种模型纷纷建立起来。

对温室环境的建模主要有2类:一类是基于温室环境所涉及的物理定律, 即机理建模;另一类是基于系统辨识理论, 即实验建模。大多数的温室物理模型都是以温室中的物质能量平衡为基础的。

近年来, 人工智能技术得到了迅猛的发展。很多研究者希望能利用人工智能技术来解决温室这样一个复杂系统的建模问题, 其中神经网络在温室环境建模中的应用尤为突出。神经网络能把复杂的系统通过有限的参数进行表达, 通过定义系统的输入输出变量, 确定神经网络的结构, 基于采集的数据对网络进行训练, 所得的模型可作为最优环境控制的模型。此外, 通过组合不同的输入输出变量, 可以分析各变量之间的相关性, 为建立物理模型提供依据。但由于神经网络方法需要大量的数据, 在进行外推和演绎时, 其可靠性明显降低。由于不同地点外界气候的不同, 造成采集的数据也不同, 因此根据某一个地点建立的温室模型只适合特定气候地区的温室。

总之, 国外对温室环境 (气候) 和预测模型的研究己较透彻, 以模型为基础的综合控制方法已代表着未来研究发展的方向。

1.2 国内研究现状

与发达国家相比, 我国的作物模拟研究起步较晚, 但发展较快。随着园艺科学和设施农业的发展, 以及设施农业中对精确化控制管理技术的日益需求, 近年来我国对园艺作物生产和环境模型的研究越来越重视, 已在作物栽培、生理生态、环境模拟等方面开展了很多研究, 积累了大量的基础资料, 并相继建立了一些简单的统计模型, 为进一步开展机理型模型研究奠定了基础。20世纪90年代以来, 我国大量引进国外现代化温室设施, 并自主开发了一系列适合我国国情的现代温室设施和设备, 促进了温室产业的现代化, 为开展园艺作物和环境模型的研究提供了良好的仪器设备和实验条件, 增强了该领域技术研究的可行性。同时, 国内对智能化连栋塑料温室环境模型的研究才刚开始, 但对日光温室环境模型已有较多的研究。

总之, 我国在环境调节控制这方面的研究多侧重于调控技术的研究, 而对于环境特性的研究虽然不少, 成果也较丰富, 但美中不足的是: (1) 大多数都是针对日光温室环境的研究, 对连栋温室多因子的环境研究报道几乎没有, 研究结果对连栋温室控制没有显著的应用意义; (2) 大多研究一般不考虑温室内作物的影响, 其宜为温室结构设计提供依据, 但不宜作为环境控制的根据; (3) 对于考虑到温室内作物的研究, 多数仅考虑作物整个生育进程中的某一片断, 对作物整个生育过程中生育与环境关系的研究目前还相当少; (4) 绝大多数研究是基于温室环境的植物生物学特性研究, 基于植物模拟的环境模型研究报道甚少。

1.3 国内研究现状小结

这些温室环境模型都是针对温室类型提出的假设, 计算手段上虽有一定的差别, 但基本的方法是一致的, 即在确定太阳辐射、长波辐射、对流换热、通风换气等物理过程数学表达的基础上, 采用集总参数法, 在认为室内空气覆盖材料、植物冠层等温室各组成部分的温、湿度均为一致 (土壤除外) 的条件下, 对各组成部分列出质能平衡, 放到一组代数方程 (时间常数小的部分) 和微分方程 (时间常数大的部分) , 再给出室外气象条件、温室各部分的物性参数、设备状态和初值条件, 即可求得室内环境条件的变化过程。但这些模型的不足在于: (1) 没有充分考虑温室内植物存在与环境的相互影响; (2) 数学表达式太复杂, 大量的参数和变量的取值与变量的变域不符合实际温室情况, 尤其我国温室情况; (3) 由于技术壁垒, 允许报道的这些模型多是流于形式, 仿真技术的报道甚少, 即使有些报道, 就我国温室情况而言, 基本没有实用价值。

2 植物生长环境模拟研究的发展与未来

农业生产力的发展主要取决于遗传与环境两大因素。遗传决定农业生产的潜势, 而环境则决定这种潜势可能发挥兑现的程度。作物对环境因素的要求, 涉及光、温、水、气、肥等众多因子, 同时, 随着品种、生育阶段及昼夜生理活动中心的变化而不断变化。因此, 植物生长环境模拟应是符合作物生命周期规律需要的、众多因子彼此关联、共同作用的综合动态环境模拟。

作物需要的综合动态环境是受作物生命周期制约的。温室设施提供的综合动态环境系统是受自然环境及工程设施限制的。三者的统一, 才可充分发挥作物遗传学的潜力。所以, 植物生长环境模拟应在自然气候设施结构及其环境、生产生物、经济效益等所构成的大系统中进行。

对温室进行综合环境模拟时, 为了获得最大的经济效益, 不仅要考虑室内外各种环境因子和作物生长发育情况, 而且还要从栽培者经营总体出发, 考虑各种生产资料投入的成本、市场价格变化、资金周转和栽培管理作业等, 以最大经济效益为目标进行环境控制与管理。综合环境调节是以速生、优质、高产为目标进行监测、分析与调节控制。综合环境管理是在综合环境调节的基础上, 随时根据市场变化与效益分析, 对目标环境指标进行修订, 以期获得最大的经济效益, 对于综合环境模拟这是十分必要的。

随着植物生长环境模拟模型改良的不断加深, 研究进一步向机理性和应用性方向发展, 模型的输入参数, 将随着其他相关学科的发展而获取, 以不断提高模型的精度和适用性。世界范围内不断扩大的学术交流与合作, 将促进规范的建模方法论体系的诞生, 可使用同一组模拟数据进行模型性能和效果的比对检验。