STEM-вправа: «Інженерія ідей»

STEM-вправа: «Інженерія ідей»

Дубина Лариса Іванівна

Учитель інформатики

Назва вправи: «Розумний сад: Від алгоритму до еко дизайну»

Клас/вік: 7–8 клас (12–14 років)

Мета вправи/заняття: Навчити учнів застосовувати алгоритмічне мислення для вирішення екологічних проблем; розвивати навички програмування (Python або Lazarus) через проектування системи автоматичного поливу; виховувати відповідальне ставлення до природи.

Короткий опис вправи, анотація:

Учні виступають у ролі інженерів-екологів. Їм потрібно розробити логічну схему та програмний код для системи, яка підтримує життєдіяльність рослин у «розумній» теплиці, враховуючи вологість ґрунту та температуру повітря.

Час необхідний на виконання вправи: 45 хвилин.

Застосування вправи: Уроки інформатики (теми: «Алгоритми з розгалуженням та циклами»), інтегровані уроки STEM (біологія + технології + інформатика).

Необхідне обладнання/матеріали:

• Комп’ютери з інстальованим середовищем програмування (LibreOffice Calc для розрахунків, Python/Lazarus для коду).

• Інтерактивна дошка або проектор.

• Картки з характеристиками різних рослин (сукуленти, тропічні рослини, трави) (Додаток 1).

• (Опціонально) Набір Arduino або Micro:bit з датчиком вологості. Можна застосувати Віртуальну лабораторію.

Форма/метод роботи: Групова (команди по 3-4 особи), метод проектів, конструкторське моделювання.

Детальний опис вправи

1. Вступ (5 хв)

Уявіть, що ви створюєте вертикальний сад у шкільному кабінеті. Головна проблема — вчитель не завжди може поливати рослини вчасно (наприклад, під час канікул). Ваше завдання — «інженерія ідеї» автоматизації цього процесу.

2. Етап аналізу (10 хв)

Кожна група обирає тип рослин. У таблиці LibreOffice Calc учні розраховують норми поливу:

• Яка критична вологість ґрунту?

• Як температура впливає на частоту поливу?

3. Алгоритмізація та кодування (20 хв)

Учні складають блок-схему та пишуть фрагмент коду.

• Логіка: Якщо вологість < 30% ТА температура > 20°C — увімкнути насос на 10 секунд.

• Приклад на Python:

Python

humidity = 25 # Дані з датчика

temp = 22

if humidity < 30 and temp > 20:

print("Полив активовано!")

else:

print("Стан рослин у нормі.")

4. Презентація ідеї (10 хв)

Кожна група демонструє свій «прототип» (код або логічну схему) та пояснює, як їхнє рішення допомагає економити воду (еко аспект) (Додаток 2).

Очікувані результати:

• Учні розуміють принцип роботи датчиків та виконавчих механізмів.

• Вміють складати складні умови в програмуванні.

• Створюють зв'язок між абстрактним кодом і реальним збереженням ресурсів.

Підсумок / рефлексія за результатами проведення вправи:

Використовується метод «3-2-1»:

• 3 нові речі, які ви дізналися про інженерію рослин.

• 2 складні моменти, з якими ви зіткнулися під час написання коду.

• 1 ідея, як можна покращити ваш проект (наприклад, додати сонячну панель).

Використані джерела:

1. Державний стандарт базової середньої освіти (НУШ).

2. Навчальна програма з інформатики для 5-9 класів.

3. Принципи STEM-освіти: інтеграція природничих наук та програмування.

ДОДАТКИ

Додаток 1

🌵 Картка 1: Сукуленти

Символ витривалості та мінімалізму.

• Середовище проживання: Пустелі, посушливі регіони Африки та Америки.

• Головна особливість: Наявність спеціальних тканин для накопичення води (у листі або стеблах).

• Освітлення: Потребують багато яскравого, прямого сонячного світла.

• Полив: Рідкий, але рясний. Потрібно дати ґрунту повністю просохнути між поливами.

• Ґрунт: Легкий, піщаний, з відмінним дренажем.

• Популярні представники: Алое Вера, Ехеверія («Кам’яна троянда»), Грошове дерево (Красула), Кактуси.

🌿 К артка 2: Тропічні рослини

Екзотика, що створює атмосферу джунглів.

• Середовище проживання: Нижні та середні яруси тропічних лісів.

• Головна особливість: Велике, декоративне листя та швидкий ріст. Багато з них є епіфітами (ростуть на інших деревах).

• Освітлення: Яскраве, але розсіяне світло. Прямі сонячні промені можуть спалити листя.

• Вологість: Потребують високої вологості повітря (60% і вище) та регулярного обприскування.

• Температура: Теплолюбні, не терплять протягів та температури нижче 18°C.

• Популярні представники: Монстера, Фікус Бенджаміна, Калатея, Орхідея.

🌱 К артка 3: Трави (Пряно-ароматичні)

Користь, аромат та свіжість на підвіконні.

• Середовище проживання: Переважно Середземномор’я та помірні широти.

• Головна особливість: Високий вміст ефірних олій, що забезпечує характерний запах та смак.

• Освітлення: Більшість трав потребують мінімум 6–8 годин прямого сонця на день.

• Полив: Помірний, регулярний. Важливо не допускати застою води біля коріння.

• Догляд: Потребують регулярної обрізки (прищипування верхівок), щоб кущ був густішим і не зацвітав занадто рано.

• Популярні представники: Базилік, Розмарин, М’ята, Чебрець (Тим’ян).

Додаток 2

Презентація ідеї

Для створення логічної схеми, яка пояснює принцип економії води за допомогою розумних датчиків, ми можемо використати структуру "Проблема — Рішення — Результат" у вигляді зрозумілих блоків та зв'язків між ними.

Ось як працює ця система:

Логічна схема: Автоматичний полив на основі датчиків вологості

Це замкнута система, яка працює в режимі реального часу.

Етап 1: Вхідні дані (Моніторинг)

• [Датчик вологості ґрунту] (резистивний або ємнісний) постійно перебуває в землі.

• Дія: Датчик вимірює наявність води в ґрунті (через опір або ємність).

• ➔ Передача сигналу: Дані передаються на мікроконтролер.

Етап 2: Аналіз та прийняття рішень (Центр управління)

• [Мікроконтролер (наприклад, Arduino)]

• Дія: Отримує сигнал від датчика і порівнює його з "порогом сухості", який ви встановили в коді (наприклад, якщо вологість < 40%).

Етап 3: Дія (Полив)

Тут система приймає одне з двох рішень:

Сценарій А: "Ґрунт сухий"

• Умова: Вологість < 40%.

• ➔ Рішення: Потрібен полив.

• [Реле/Помпа] ➔ Мікроконтролер подає сигнал на реле, яке вмикає водяну помпу.

• [Полив] ➔ Вода подається до рослини.

Сценарій Б: "Ґрунт вологий" (Головний фактор економії)

• Умова: Вологість > 40%.

• ➔ Рішення: Полив НЕ потрібен.

• [Реле/Помпа] ➔ Мікроконтролер тримає реле та помпу ВИМКНЕНИМИ.

• [Полив] ➔ Вода НЕ подається.

Як це рішення допомагає економити воду?

Порівняймо два підходи:

Ключові фактори економії:

1. Скасування непотрібних поливів: Датчик виявляє, коли ґрунт вже вологий (наприклад, після дощу або попереднього поливу), і запобігає повторному включенню води.

2. Уникнення надлишкового поливу: Система поливає лише доти, доки ґрунт не досягне оптимального рівня вологості. Як тільки датчик фіксує, що земля мокра, помпа одразу вимикається.

3. Автоматизація: Усувається людський фактор ("забув вимкнути шланг"), оскільки система автоматично контролює весь процес.