【教学案例】水华预警监测仪

水体富营养化与蓝藻水华已经成为全球突出的水环境问题，也是学术界和大众关注的热点问题。水华会影响水质，降低水体中的溶氧量，威胁着水生生物的生存，导致生态系统失衡，而且藻类水华具有生消过程快的特点，故实施藻类水华的监测和预警，对于环境保护来说至关重要。但准确地估算湖库型藻类水华的规模和程度，识别其主控因子是研究难题。

平时的蓝藻水华的监测，主要是靠现场观测，存在着费时、费力且精准性差等不足。设计水华预警监测仪，可实时进行藻类水华的监测，且降低监测的成本。在水华高发水域可利用水华预警监测仪来监测氨氮、总磷、总氮、藻密度、叶绿素a和重金属等指标，运用动态模型分析、预测监测指标的变化，进行水华的预警，为防控提供了充分的时间。本文基于跨学科创新能力的内涵和项目化学习理论，设计与实施了研制水华预警检测仪（简称：水华仪）的项目化学习活动，可发展学生的跨学科创新能力，为教师提供借鉴与参考。

1 水华仪的设计

1.1水华的主要驱动因子

藻类的生长和基因表达主要是受氮、磷的影响，氮和磷可为藻类提供丰富的营养，尤其是水体中两者的比例，是优势藻类生长的关键影响因素。藻类繁殖和代谢过程中会消耗大量的氧气，并释放大量的毒素，导致水体中的溶解氧和透明度下降，从而影响水质和水生动植物的生长、发育和繁殖。藻类的生长、基因表达和叶绿素活性还受光照强度和光谱成分的影响，其中光合作用速率随光照强度的改变而变化。温度也是影响藻类生长和代谢的重要因素。研究发现适宜的温度，会促进藻类新陈代谢和生长，当温度超过或低于适宜的温度时，藻类生长会受到抑制。因此，水华的主要驱动因子共包括：总氮(TN)、总磷(TP)、水温、pH值、溶解氧、电导率、水的透明度和流速等。

1.2 预警模型的模块建立

基于藻类水华产生的主要驱动因子，建构水华仪，搭建预警模型，形成“监测分析呈现预警建议”的监测预警系统。模块主要包括：数据采集模块、数据处理模块、通信模块、显示与报警模块和电源管理模块。通过数据采集模块，采集到水体中的各种参数数据。如水温、光强、水体流速、营养盐浓度和藻类浓度等。可使用传感器实时地监测这些参数，并将数据传输给数据处理模块，完成数据的处理和分析。使用算法和模型来预测水华的发生概率和程度，以及提供预警信息，并运用人工智能技术提高预测的准确性，借助通信模块将处理后的数据和预警信息传输给监测中心。最终，在显示和报警模块的水华仪上呈现监测报告与防控建议，并提供声光报警功能。

1.3 设计与搭建水华仪

收集优势藻在不同环境条件下的生长数据，依据数据来进行方案设计。根据需要监测的水质参数和气象条件，选择相应的传感器、数据采集系统、通信模块、电源和结构材料，来搭建水华仪的模型。分别在实验室环境和自然水体中进行测试，确保其准确性和稳定性，评估其在真实环境下的性能，完成水华仪的测评报告。模型搭建过程中需权衡各种因素，如成本、效率和稳定性等。综合考量后，本设备最终包含了手持TI图形计算器、溶解氧传感器、总氮(TN)与总磷(TP)传感器、光照强度传感器、水温传感器、叶绿素传感器、太阳能电池板、摄像头和游轮型防腐蚀金属外壳。TI图形计算器具备编程、作图、数据分析、发声和发光等功能，并有大容量的闪存，可保存多个应用软件。通过TI图形计算器编辑运行程序，设定各监测指标的阈值。将各种传感器接口，连接在TI图形计算器上（若无法匹配可外接托盘），实时监测动态数据并形成图像，当超过阈值时会通过发声、发光来警示（图1)。

图１ 搭建的水华仪

1.4 项目化学习活动设计

创设研制水华仪的项目化学习活动，可发展学生的跨学科创新能力。活动要求学生通过小组合作来设计水华仪，分析影响藻类种群特征的环境因子。在实践中，学生学习了与应用生态学、环境科学以及工程学的相关知识，提升了跨学科思维能力和解决实际问题的能力。水华现象会对自然水体环境和人类健康构成威胁。通过这个活动，学生将会更深刻地理解环境问题的严重性，并可能形成为保护环境采取行动的责任感。

2 水华仪的使用

2.1 监测实验室水样

笔者所处的卫城河，曾出现过水体污染，且每年的7、8月会出现藻类大量繁殖的现象，故选取卫城河为监测点，并使用水华仪监测。取卫城河水域水样，在实验室里监测。研究数据显示：蓝藻和绿藻最适的生长水温在27℃左右，各类藻种最适光强范围是3000—13000Lx,总磷和总氮的Ⅲ类地表水限值分别为1.0mg/L和0.2mg/L,溶解氧为5mg/L,而叶绿素a在11—78μg/L范围内水体为富营养化状态。结合上述的数据，通过TI图形计算器对设备进行编程，设定各监测指标的阈值。在实验室中，取卫城河3处水样置于3只1000mL的大烧杯中，将6个传感器探头深入到水面下，实时监测数据。待数据稳定后，读取和存储数据与制作曲线，并传输至计算机进行分析，形成监测报告。

2.2 监测自然界水体

自然界水体的监测比实验室水样监测的范围更广，需要水华仪在水面上移动，选取位点进行定点监测。将水华仪放置在卫城河河面上，打开太阳能电池板，为设备提供所需的电力，同时开启摄像头，开始实时监测动态数据。再打开遥控装置，让水华仪在河面的5个不同位点采集数据（表1)。

通过通讯模块将信息传送至计算机，显示相应预防措施，如通过高等水生植物（茭白、菱角等）吸收水体中的氮、磷含量，抑制优势藻的大量繁殖。借助摄像回看功能，设备会根据水域位点输入的数据，来判断是否要发出声音或发光的警示。

３ 评价跨学科能力

在项目化学习活动结束时，各小组要准备报告、演示文稿和水华仪，完成成果的展示与交流，突出项目的关键发现或创新点。评价中要关注对水华仪设计及其功能不足的建议，关注团队成员沟通的有效性、协作的顺畅性等。此外，还要重点关注学生综合运用跨学科知识与技能、分析与解决问题时，所表现出来的批判性思维；在展示和讨论时，所表现出来沟通技能，综合地评价与掌握学生跨学科创新能力发展的情况。

文章来源：中国知网

文章原名：《“水华预警监测仪”项目化学习活动的实施》，文章有删减

作者：李艳光 上海市金山区教育学院