виготовлення "розумної" теплиці

STEM-освіта – це низка чи послідовність курсів або програм навчання, яка готує учнів до успішного працевлаштування, до освіти після школи або для того й іншого, вимагає різних і більш технічно складних навичок, зокрема із застосуванням математичних знань і наукових понять.

STEM (S - science, T - technology – Е-engineering – М-mathematics). Акронім STEM вживається для позначення популярного напряму в освіті, що охоплює природничі науки (Science), технології (Technology), технічну творчість (Engineering) та математику (Mathematics). Це напрям в освіті, при якому в навчальних програмах посилюється природничонауковий компонент + інноваційні технології. Технології використовують навіть у вивченні творчих, мистецьких дисциплін.

STEM поєднує у собі проектний та міждисциплінарний підхід, який наразі вчителі у всьому світі визнають кращим. У даному випадку в основі – інтеграція природничих наук, технології, математики та інженерної творчості. Всі ці галузі тісно пов’язані між собою на практиці, отже, їх вивчення у спільній площині дуже важливе.

 Нерідко діти просто не розуміють, як саме вони можуть застосувати знання з точних та природничих наук у подальшому, тому і зацікавленість не надто велика. STEM демонструє, як діти можуть використати отриману інформацію в житті. Учні вивчатимуть не просто абстрактні дані, вони конкретний проект, а потім – створюватимуть власний проект певного продукту. Проводячи розважальні експерименти, діти легко починають розуміти складні формули, запам'ятовувати терміни.

Тому для зацікавленості дітей в практичному конкретному проекті було запропоновано створити діючу модель «Розумна теплиця».

«Розумна теплиця»

Для кого: учні 7-10-х класів.

Кількість дітей : 4.

Які дисципліни поєднує: інформатика, математика, фізика, хімія, біологія, трудове навчання.

Мета: створення моделі стовідсотково автоматизованої теплиці.

Термін виконання: 3 місяці.

Запропонували  кожному з учнів обрати, які рослини вони хочуть виростити у  теплиці.

На уроках біології діти дізнаються все про обрану рослину: якого режиму освітлення і поливу потребує, на яку висоту виростає, яку урожайність має.

Далі запропонували  учням поміркувати, як забезпечити систему поливу для кожної конкретної рослини. Схема така: полив має надходити, коли земля суха. Але треба знати — конкретно для цієї рослини земля ще суха чи мокра?

Після уточнення, який саме рівень вологості має бути в ґрунті,  встановили у теплиці датчик вологості. Він вимірює опір землі, який змінюється залежно від вологості.

На уроках хімії та фізики учні вивчають різні склади ґрунту та зміну опору залежно від зміни складу ґрунту.

Після збору всіх вихідних даних учні опрацьовують їх на уроках інформатики( програмують роботу датчиків ).

Для програмування використали платформу Arduino.

Arduino - це платформа на базі мікроконтролерів сімейства Atmega, американської фірми Atmel. Завдяки простоті конструкції і досить легкому навчання написання коду на ній, вона є досить популярною і дуже корисною річчю для початківця програміста або радіоаматора. Однак, її можливості, аж ніяк, не обмежуються застосуванням лише в інтересах навчання. У надрах цієї плати таїться дуже високий потенціал, який втілюється в найрізноманітніші і круті проекти: від звичайних роботів і сигналізації в автомобіль, до повноцінної системи «Розумний будинок», симуляторів голосу і музичних інструментів. Говорячи простою мовою, Ардуіно - це електронна плата, в яку можна увіткнути безліч різних пристроїв і змусити їх працювати разом за допомогою програми, написаної на мові Arduino в спеціальному середовищі програмування. Найчастіше плата виглядає ось так:

У плату можна встромляти дроти і підключати безліч різних елементів. Найчастіше, для з'єднання використовується макетна плата для монтажу без пайки. Можна додавати світлодіоди, датчики, кнопки, двигуни, модулі зв'язку, реле і створювати сотні варіантів цікавих проектів розумних пристроїв. Плата Ардуіно - це розумна розетка, яка буде включати і вимикати всі приєднане в залежності від того, як її запрограмували.

Вся робота над проєктом розбивається на наступні етапи:

    Придумуємо ідею і проєктуємо.

    Складемо електричне схему. Тут нам стане в нагоді макетна плата, яка спрощує монтаж елементів. Безумовно, знадобляться навички роботи з електронними приладами і вміння користуватися мультиметром.

    Підключаємо плату Arduino до комп'ютера через USB.

    Пишемо програму і записуємо її в плату буквально натисканням однієї кнопки на екрані в спеціальному середовищі програмування Arduino.

    Від'єднуємо від комп'ютера. Тепер пристрій буде працювати автономно - при включенні харчування воно буде управлятися тією програмою, яку ми в нього записали.

Програма і середовище програмування виглядають ось так:

Ми використали у своєму проєкті Arduino Uno.

Arduino Uno - це пристрій на основі мікроконтролера ATmega328 (datasheet). У його склад входить все необхідне для зручної роботи з мікро контролером: 14 цифрових входів / виходів (з них 6 можуть використовуватися в якості ШІМ-виходів), 6 аналогових входів, кварцовий резонатор на 16 МГц, роз'єм USB, роз'єм живлення, роз'єм для внутрисхемного програмування (ICSP) і кнопка скидання. Для початку роботи з уcтройством досить просто подати живлення від AC / DC-адаптера або батарейки, або підключити його до комп'ютера за допомогою USB-кабелю.

Також були використані датчики.(краще одразу брати модуль датчика)

 1 . Модуль датчика світла з пороговим компаратором. Поріг спрацьовування компаратора регулюється змінним резистором.

Характеристики:

    Чутливий елемент - фоторезистор

    Вихід компаратора більш ніж 15 мА.

    Регулювання порога спрацьовування змінним резистором

    Робоча напруга: від 3.3В до 5В

    Цифровий вихід компаратора (0 і 1)

    Аналоговий вихід датчика освітленості

    Зручне кріпильний отвір

    Розміри: 3.2 см x 1.4 см

    Використаний компаратор LM393

2. Цифровий датчик вологості грунту, на виході видає 1 або 0 в залежності від того, наскільки вологий грунт. Використовується для контролю за домашніми квітами, в теплицях і ін., Може служити датчиком для автоматичних систем поливу. У комплекті йде плата перетворює аналоговий сигнал датчика в цифровий сигнал (нуль - одиниця), побудована на основі мікросхеми LM393 і потенціометра, яким регулюється поріг спрацьовування датчика.

3. Датчик вологості і температури DHT11, виконаний у вигляді модуля і встановлений на платі. Можна підключати безпосередньо до Ардуіно, без необхідності підтягує резистора, тому що він вже запаяний на платі.

Характеристики:

    Напруга живлення: 3-5 В

    Обумовлена ​​вологість: 20-90% RH ± 5% (макс.)

    Обумовлена ​​температура: 0-50 ºC ± 2% (макс.)

    Частота опитування: 1 Гц

    Розміри: 15.5 x 12 x 5.5 мм

4.Для поливу використали мініатюрний водяний насос (водяна помпа). Напруга живлення 3-12В. Цей насос може бути використаний в системах поливу домашніх рослин, рибництві, моделюванні, перекачуванні масляних рідин, водяному охолодженні і т. П.

Висота водяного стовпа може досягати 1.5 метра при 12 вольтах.

5.Необхідними елементами для управління електричним колом були реле.В нашому випадку це модуль реле, керований DTMF сигналами. При підключенні до модулю мобільного телефону дозволяє управляти чотирма навантаженнями з будь-якої точки світу, де є мобільний зв'язок. Дуже зручно дистанційно включати або вимикати освітлення, полив, холодильник, кондиціонер і т.д.

6.Для освітлення теплиці використали світлодіодний дюралайт SMD5050 плоский дюралайт 60 LED на 1 м.

7.Обігрів теплиці відбувається лампою розжарення 12 в з автомобіля.

Для математичних розрахунків розмірів теплиці та креслень скористались програмою для розрахунку теплиць.

http://www.zhitov.ru/uk/glasshouse/

В результаті роботи отримали повністю автоматизовану робочу модель теплиці.

Підсумок.Діти побачили не «сухий результат» програмування а цілком реальну модель яка працює.відповідно в учнів з'являється мотивація до вивченя інформатики.Також в процесі роботи над проєктом діти отримали знання та практичні навички з математики,біології,хімії.