Kood taime elus hoidmiseks

Taime optimaalsete elutingimuste säilitamine kasvuhoones, kasutades kodeeritavaid digitaalseid andureid ja väljundeid. Kasutades taime keskkonda puudutavat teavet, nagu valgus, temperatuur ja niiskus, antakse õpilastele ülesanne kodeerida mikrokontroller selliselt, et see annaks taimele kasvamiseks ja arenemiseks piisavalt vett, soojust ja valgust. Selles praktilises ja asjakohases tegevuses Arduino kontrollerite kasutamisega saavad õppijad arendada oma kodeerimisoskusi, et lahendada päris eluga seonduvat multidistsiplinaarset ülesannet.

Lühike sisukokkuvõte: Selles tegevuses kasutavad õppijad Arduino mikrokontrollerit, et reageerida väikeses kasvuhoones toimuvatele keskkonnamuutusi, säilitamaks kasvuhoones kasvava taime jaoks optimaalsed tingimused. Arduino loob kasvuhoones ühenduse valguse-, temperatuuri- ja mulla niiskuse anduritega ning suudab vastavalt sisse lülitada taime valgustuse, kui ümbritsevas keskkonnas läheb liiga pimedaks; avada akna, kui kasvuhoone muutub liiga kuumaks; ja kasta taime, kui muld muutub liiga kuivaks. Eesmärk on, et õpilased mõistaksid, kuidas taimede optimaalseks kasvuks koodi muuta. Märksõnad: Mikrokontroller, Arduino, ökoloogia, andurid, elutingimused, multidistsiplinaarsus, jätkusuutlikkus, kodeerimine

1. Kasvuhoone, millel on andurid ja väljundid valguse, mulla niiskuse ja temperatuuri mõõtmiseks ning asjakohased seadmed, et tulla toime märkimisväärsete muutustega nendes keskkonnategurites – siin PDF-dokumendis kirjeldatakse, kuidas sellist kasvuhoonet ehitada

2. Arduino mikrokontroller

3. Klassiruumis sobiv lauapind akna ja pistikupesa lähedal.

4. Sülearvuti Arduinoga ühendamiseks

5. Tasuta Arduino IDE tarkvara koodi muutmiseks ja Arduinoga suhtlemiseks.

Kodeerimine või muul moel algoritmiline mõtlemine on viimastel aastatel lisatud enamiku riikide õppekavadesse. Õpetajad vajavad konkreetseid ja lihtsaid viise õppijate proovile panemiseks, et nad õpiksid kasutama kodeerimist asjakohaste ja praktiliste ülesannete lahendamiseks. Mikrokontrollerid on väikesed arvutid, mida kasutatakse sageli hariduslikus kontekstis, kuna need võivad olla odavad ja kergesti ligipääsetavad. Arduino on mitmekülgne taskuformaadis mikrokontroller, mida saab integreerida kõikvõimalikesse projektidesse, seega sobib see igas vanuses lastele. Arduinoga on kaasas lihtne Arduino IDE tarkvara, mis võimaldab kasutada hulgaliselt andureid ja väljundeid, sellega kodeerimine on lihtne, sellel on rikkalik ja aktiive veebikasutajate kogukond ning allalaadimiseks on tasuta saadaval hulgaliselt koodijuppe ja reaalseid näiteid. Andurite ja väljundseadmete erakordne hulk võimaldab Arduinol oma keskkonda tajuda ja sellega suhelda, mistõttu sobib see väga hästi väikesemahuliste klassiruumiprojektide jaoks. Väga sageli võivad lihtsad klassiruumi kodeerimisülesanded tunduda õppijatele liiga teoreetilised ja abstraktsed. Mikrokontrollerid, mis suudavad tajuda ümbritsevat reaalsust ja sellega suhelda, pakuvad suurepäraseid võimalusi kodeerimiseks viisil, mis tundub õpilastele asjakohane ja konkreetne.  Selge ja konkreetse ülesandega kodeerimisprojektide tegemine tunnis võib suurendada õppijate kaasatust ja osalemist. Kui projekt on pühendatud elusorganismile, näiteks taimele, võib see tunduda õppijale tähendusrikkam.  Samuti pakub selline projekti ülesanne õppijale multidistsiplinaarset väljakutset, kuna selle lahendamiseks on vaja teadmisi ja pädevusi kodeerimise, põhiseadmete, elektroonika ja bioloogia vallas. See on kooskõlas paljude uute riiklike õppekavadega, kuhu on lisatud multidistsiplinaarsuse ja avatuma probleemide lahendamise nõue.

Selles koolitusmoodulis õpivad õpilased, kuidas kasutada lihtsat mikrokontrollerit keskkonnateabe kogumiseks, kuidas seda teavet hindamiseks kodeerida ja lõpuks panna asjakohast väljundit pakkuma. Tegevus ei hõlma kasvuhoone ehitamist koos andurite ja Arduino ühendustega, kuid eeldab, et õpetaja/töötajad on selle seadistuse teatud määral loonud eelpool mainitud kasvuhoone eeskujul. Etapid 1–3 saab läbi viia esimesel päeval, mil klassile tutvustatakse kasvuhoonet ja projekti. Etapp 4 ja sellele järgnevad on pikaajalised etapid, millel võib olla mitu iteratsiooni. 1. etapp. Tegevus algab sellega, et õpilased tutvuvad kasvuhoone, taime, andurite ja kasvuhoone erinevate väljunditega.  2. etapp. Ühendatakse sülearvuti ning vaadatakse anduri näite ja seda, kuidas kood neid näite tõlgendab. Laske õpilastel mõjutada andureid, et väljundit näha. Näiteks puudutage temperatuuriandurit, et selle temperatuuri tõsta, ja vaadake, kas luuk avaneb. Teine võimalus on tõmmata mulla niiskusandur mullast välja ja vaadata, kas see paneb kastmissüsteemi tööle. 3. etapp. Selgitage koodi ja näidake, kus on erinevad läviväärtused määratletud. Laske õpilastel neid muuta, nägemaks, kuidas kasvuhoone nende muutustega toime tuleb. Lähtestage kasvuhoone algseadistused. 4. etapp. Järgmise nädala jooksul ühendage Arduino iga päev sülearvutiga, et lugeda ja arutada valguse, temperatuuri ja mulla niiskuse väärtusi. Arutage, kas mõnda neist tuleks kohandada, et tagada taimele optimaalsemad tingimused. Projekti lõpp: projektil ei ole tegelikku lõppu ja sellega võib tegeleda seni, kuni õpilastel on projekti vastu huvi ja nii kaua, kuni õpetaja suudab ülesannet alal hoida ja laiendada (vt allpool). Joonis 1. Näide anduritest ja väljunditest, mis peaksid selle tegevuse jaoks saadaval olema: valgusandur, mis näitab, kas taime valgusti tuleks sisse lülitada või mitte; mulla niiskusandur, mis näitab, millal kastmiseks veeklapp avada; ja temperatuuriandur, mis annab teavet selle kohta, kas jahutamiseks tuleks luuk avada.

Eesmärk on hoida taim kasvuhoones elus, kasutades Arduinosse kodeeritud juhiseid. See nõuab õppijatelt läviväärtuste kohandamist ja võib-olla algkoodi teatud määral muutmist. Õpilaste peamine ülesanne on jälgida (pikema aja jooksul), kuidas taimel läheb, ning kohandada kolm väljundit taimele kõige sobivamaks.  Projektil ei pea olema selget lõppu ning see võib kesta nii kaua, kuni see tundub tundides kasulik, mõnest nädalast kuni terve õppeaastani.

• Kas kasvuhoonele saab lisada ventilaatori, kui päikesepaistelistel päevadel ei piisa kasvuhoone maha jahutamiseks luugi avamisest? 
• Kas saab lisada anduri, mis mõõdab veetaset reservuaaris ja lülitab sisse väikese indikaatortule, kui seda on vaja täita? 
• Kas süsteemi saab muuta nii, et see töötaks päikesetoitel akuga?

Õppeprotsessi lihtsustamiseks on võimalik anda õppijatele rohkem aega ja järgida koos õpetajaga samm-sammult juhiseid. Õppijatele võiks ka anda erinevaid ülesandeid ja piiratumaid tegevusi, nagu mainiti eespool. Code-to-keep-it-alive pakub paljusid võimalusi osalemiseks ning võimaldab mis tahes huvide ja võimetega õppijatel leida oma valdkond, kuhu nad saavad oma teadmiste ja oskustega panustada. Mõned õpilased saavad keskenduda kodeerimisele, teised töötavad konkreetsemalt programmeerimisega ja kolmandad saavad keskenduda projekti bioloogilisele aspektile. Siis saavad nad pärast süsteemi loomist koos töötada. Samuti on õpetajal võimalik suurem osa kodeerimisest mikrokontrolleritega ette ära teha.

Seda projekti saab mitmel viisil lihtsustada ja muuta. Väga lihtne alternatiivne variant on panna lihtsalt klassiruumi kasvama potitaim koos kastmissüsteemi ja mullaniiskuse anduriga, mitte kasutada kasvuhoonet ja teisi andureid. Sisuliselt saaks alternatiivse tegevusena kasutada mis tahes kodeeritavat andurit ja väljundit, mis toetab taime.

See MATIK-õppe töötuba on suunatud algklasside õpetajatele, kes soovivad luua füüsilise töötoa, lisades sellele lihtsat disaini, mehaanikat, elektroonikat ning arvutus- ja kodeerimisoskusi.

• Barrett, S. F. (2012). Arduino Microcontroller: Processing for Everyone!. Synthesis Lectures on Digital Circuits and Systems, 7(2), 1-371.
• Cira, N. J., Chung, A. M., Denisin, A. K., Rensi, S., Sanchez, G. N., Quake, S. R., & Riedel-Kruse, I. H. (2015). A biotic game design project for integrated life science and engineering education. PLoS biology, 13(3), e1002110.
• Pachina, N., Evdokimova, A., Zharikova, E., Grigorieva, L., & Pachin, G. (2022, May). Development and Implementation of the «Smart Greenhouse» Project in the Educational Process of an Educational Institution. In 2022 2nd International Conference on Technology Enhanced Learning in Higher Education (TELE) (pp. 92-96). IEEE.