《火星救援》讲述了航天员马克·沃特尼因意外被滞留在火星后为生存而斗争的故事。小说故事主线中需要考虑的关键点是沃特尼在等待救援期间能够通过种植土豆获得食物供给。
活动概述本活动就是带领学生探索在火星上种植食用作物的可能性，更重要的是借此暗示地球上种植食用作物的挑战。
本活动有 3部分，以此调查植物生长所需的适合的土壤深度、营养及水分。这些活动的目的包括：学习有关植物生长的知识，科学活动的立项与追踪，解释观察结果，还有也许是最重要的——发现科学的乐趣。
适合年级：6—8年级。
活动策略●建议活动从学生阅读课堂版《火星救援》开始，可以作为暑期阅读作业，让学生充分阅读课堂版《火星救援》。如果没有时间供学生在活动开始前阅读《火星救援》这本书，可以通过给学生播放电影的方式引入活动。虽然电影能引起学生的注意力和兴趣，但是对活动更好的背景介绍还是让学生阅读这本书。
●活动开始时，教师引导学生自由讨论关于火星的话题，包括到火星旅行和生存所遇到的挑战。最终引导学生思考现实与小说虚构情节的差异，以及在火星和地球上栽培作物作为食物的现实挑战。种植作物需要哪些资源？为探究这些资源限制可能进行哪些实验？学生可以分小组开展讨论，并向全班分享小组结论。
●学生可3〜5人组成小组进行活动，同一个班级里的各小组应同时进行同一个活动。这些活动涉及的间歇性观察需要长达3〜5周时间，每个活动均需要1个课时进行布置和准备，并在准备工作完成后每周占用1堂课的时间进行测量和适当的浇灌。
●学生利用教师提供的表格将定期观测结果记录到个人的笔记本中。另外，学生还可以在笔记本中绘制图画并撰写文字说明以描述植物的状态。
●完成活动后，学生在小组内讨论他们对资源限制的观测结果和解释，以及在火星及地球上生产食物需要考虑的其他问题。
●每个学生在笔记本上写下对此活动的归纳与总结，以及为更好地解决资源限制问题他们建议下一步可能采取的措施。
●最后进行课堂讨论，学生就所学内容分享各自的观点。
安全须知:学生处理植物时应佩戴护目镜。处理喷洒过杀菌剂的种子时要佩戴非乳胶手套。学生每次处理植物后都需要洗手。发现任何疑似携带霉菌的植物时都需要立即处理掉。
适合的土壤深度沃特尼将火星沙土带回住处用以栽培土豆作物。他在整个水平地面上铺了10厘米厚的火星沙土。在本活动中，要求学生调查“土豆植株能否在仅10厘米深的土壤中生长”这个问题。
在本活动中，我们将比较土豆作物在10厘米和20厘米深度土壤中的生长情况。
●将2升容量透明饮料容器顶部的狭窄部分去除，并在底部穿孔用以排水透气，栽培瓶便制成了。
●每个小组轻轻地在栽培瓶中装入5厘米厚度的沙壤土，将切削好的土豆以芽眼朝上的方向放置于土壤中，最后轻轻铺上5厘米厚的土壤，使得土壤总深度达到10厘米。当学生切土豆块茎时，教师要做好指导，确保每个切片上至少含有1或2个完整的芽眼（如图1）。学生在每个栽培瓶的土壤中放入2个种薯切片，保持芽眼朝上。
图1 切削土豆并放入土壤
●使用相同的步骤，制备出土壤深20厘米的栽培瓶。只是最开始放入栽培瓶底部的土壤变为15厘米深，最终使得土壤总深度为20厘米。
●给2个栽培瓶进行浇灌直到水从底部漏出来，然后将它们放置于南向窗户下的架子上。
●学生每隔7〜10天观察1次他们的植物并记录下结果。在这期间，再次以20毫升为增量给植物浇水直至浇透。观察结果记录在学生笔记本上，包括观测日期、浇水量、芽长、异常问题及根系生长情况等。
活动中可能会出现好几种结果。在某些情况下还会出现植物不发芽的情况。这可能是由于种薯片上发育良好的芽眼比较少或者根本没有，也可能是土豆切片上的芽眼没有朝上放置。若碰到植物不冒芽的情况，就让学生将栽培瓶中的土壤移除，以便了解种薯片到底出现了什么状况。
以我们的经验，大多数种薯会在1周左右冒芽。与20厘米土壤深度相比，10厘米土壤深度的植株有点发育不良，而且随着活动的进行，差距也逐渐增大。
当最高的土豆植株长到约40厘米时，活动便可终止，此时距活动开始大约会过去4周时间。最终会发现：土豆作物通常需要生长40天左右才会长出块茎，这个时间正好与沃特尼声称的从最初开始种植作物到挖出完整块茎的时间吻合。
另外，块茎通常长在地下40〜60厘米深处。因此在本活动中我们可以预见，在如此浅的瓶中栽种土豆不会形成块茎。可以让学生开展拓展研究，使用更大、更深的盆栽种更长的时间，以观察块茎的生长趋势。
适合的养分在介绍本活动时，应该通过讨论指明沃特尼种植土豆时可用的营养物质来源于人类排泄物。而人类粪便中有效的营养物质含量很低，计算结果表明，沃特尼很可能仅添加了约3%土豆作物所需的营养物质。本活动的问题便是：“在3%的营养水平下植物能否生长？”
●为留给每个学生小组足够的空间以检验3种营养水平，这个活动使用更小的1升容量透明饮料瓶。为模拟火星沙土，瓶中装满游乐场用沙或建筑用沙，它们几乎不含营养物质。
●在这些小瓶中种上甜玉米，因为它们的植株更小且发育比较均衡。将3〜4粒玉米种子放入3厘米深的土壤中，然后再用土壤埋住种子。为促进种子发芽，活动开始阶段只需往沙土中加入水。
●5〜7天后，当玉米发芽后，学生开始施肥（如图2）。
图2 探究营养的活动——在土壤中种植玉米
3种不同浓度的营养液均使用家用液体肥料配制而成。我们分别使用浓度为3%（即《火星救援》中的施肥方案）、33%和100%的营养液。学生为每个1升容量的栽培瓶施加20毫升适当的营养液。接下来，以20毫升为增量给每个栽培瓶浇水，直到水渗漏出来。学生将每个栽培瓶的浇水量记录在笔记本中。
●此后每隔5〜7天时间，学生记录下对植物的观察情况，并再次给栽培瓶浇水。学生在笔记本中记录下的观察结果包括：观测日期、浇水量、芽高和叶片颜色，因为叶片的颜色差异是营养不良的后果中最先显现出来的。学生还观察了玉米植株的根系生长情况。
这个活动约在4〜5周后结束，届时营养措施的差别会很明显。3%营养浓度下植物生长的贫瘠状况使我们得出结论：植物需要的营养量要远多于《火星救援》故事中的使用量。
适合的水分《火星救援》中已清楚地认识到植物生长对水的需求，而为种植作物收集水也是这个故事的重要组成部分。在小说中，沃特尼一共有850 L水用于浇灌12 600 L的火星沙土，导致的结果便是土壤含水量很低，每升土壤仅含0.067 L水。
针对这个活动的问题是：“《火星救援》中植物能否在供水量少的情况下生长？”
为增加活动的趣味性，而不是单纯地观察种子在没有水的情况下无法发芽，要求学生在供水量少的土壤中种植作物，并同水量充沛的情况作对比。之前在土壤深度活动中使用过的沙壤土也被用于这个活动中。
●上课之前，先将土壤放入烤箱中加热（土壤摊开放入烤盘中，在温度为121℃下加热约2小时），以使得其在最开始便非常干燥。
●这个活动在1升容量、装满蓬松土壤的饮料容器中完成。
●这个活动中我们将3〜4粒种子播撒在3厘米深的土壤中进行玉米植株的培育（图3）。
图3 为栽培瓶称重，测量失水量
●为方便3种浇水方案，3〜5名学生组成1个工作小组，每个小组都准备3个容器。
●在干燥的土壤中播种之后，给每个瓶中加入的水量大致以栽培瓶的净重为依据。《火星救援》浇水方案中，添加的水量大约为栽培瓶净重的2%（例如：700克/瓶×0.02=14毫升）。对于沙壤土，轻微缺水的缺水量可能为栽培瓶净重的4%（如700克/瓶×0.04=28毫升），而充足供水的浇水方案则是栽培瓶净重的12%（如700克/瓶×0.12=94毫升）。
●我们实际使用的浇水方案分别为15、30和90毫升。加入需要的水后，给每个栽培瓶称重并记录下结果（如图3）。这个重量至关重要，因为它是接下来每个栽培瓶再次浇水的参考依据。该活动的NSTA链接中的推荐数据表，可以指导学生进行这些运算。
●每隔7〜10天，学生观察他们的植株并为栽培瓶称重。学生计算出栽培瓶当前的重量与第1天加水后的重量之差，并录入数据表中。这个差值便是为将栽培瓶水位恢复至其初始值而需要加入的水量。
●除了在笔记本上记录日期、栽培瓶重量、重量损失，还需要记录的观察结果包括芽长、任何枯萎的迹象和根系的发育情况。
大约4周后，3种浇水方案下植株之间差异已非常明显时，活动便可结束。
评估学生的笔记本可用来评估学生对活动的了解和参与程度教师帮助学生一起利用目标及步骤说明，初步设置好他们笔记本的记录内容（见每个活动的NSTA链接）。重要的是，学生要在他们的笔记本上画出表格以记录下初始信息和后续的观察结果。笔记本中的图示和文字叙述还能进一步显示学生对活动的参与程度。最后，对每名学生进步程度的关键评估便是活动结束时每名学生在其笔记本上写下的讨论与结论。
参加小组和课堂讨论被视作学生参与活动的重要指标教师应鼓励学生发表自己的任何观点。特别令人高兴的时候便是通过讨论，大家热情参与交流这些调查可能采取的下一步行动方案。讨论结束后，教师要求学生在笔记本上总结出他们对于下一步调查方案的个人观点。因此，笔记本完整留存了每名学生为实现活动目标所取得的进步。
本活动案例改编自《中国科技教育》杂志2018年第9期NSTA专栏文章。
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