Pitääkö koodisi kasvin hengissä?

Kasvihuoneessa olevan kasvin optimaalisten elinolosuhteiden ylläpitäminen koodattavien digitaalisten antureiden ja liitäntöjen avulla. Oppijat haastetaan koodaamaan mikro-ohjain niin, että se tarjoaa kasville riittävästi vettä, lämpöä ja valoa sen kasvua ja kehitystä varten. Arduino-ohjaimen avulla oppilaat voivat tässä käytännönläheisessä tehtävässä kehittää koodaus taitojaan ja ratkaista tosielämän monialaisen haasteen.

Tiivistelmä: Tässä tehtävässä oppijat käyttävät Arduino-mikro-ohjainta saadakseen tietoa pienessä kasvihuoneessa vallitsevista olosuhteista ja niissä tapahtuvista muutoksista. Tavoitteena on saada kasvihuoneessa oleva kasvi kukoistamaan optimaalisissa olosuhteissa. Arduino on yhteydessä kasvihuoneen sisällä oleviin antureihin, jotka mittaavat kasvihuoneessa olevaa valoa, lämpötilaa ja maaperän kosteutta. Anturit voivat sytyttää kasvivalon, jos ympäristö muuttuu liian pimeäksi, avata ikkunan, jos kasvihuone kuumenee liian kuumaksi ja kastella kasvia, jos maaperä muuttuu liian kuivaksi. Tavoitteena on, että oppijat ymmärtävät, kuinka he voivat muokata koodia optimaalisten olosuhteiden luomiseksi ja ylläpitämiseksi. Avainsanat: Mikro-ohjain, Arduino, ekologia, anturit, elinolosuhteet, monialaisuus, kestävyys, koodaus. Resurssi Luettelo:

1. Kasvihuone, jossa on valon, maaperän kosteuden ja lämpötilan mittaamiseen tarvittavat sensorit sekä asiaankuuluvat laitteet näiden ympäristömuuttujien vaihteluun vastaamiseksi – tämä pdf kuvaa, kuinka tällainen kasvihuone rakennetaan.
2. Arduino-mikro-ohjain.
3. Sopiva pöytätila luokkahuoneessa, lähellä ikkunaa ja pistorasiaa.
4. Kannettava tietokone, jonka voit yhdistää Arduinoon.
5. Ilmainen Arduino IDE -ohjelmisto koodin muokkaamiseen ja Arduinon kanssa kommunikointiin.

Koodaus tai jonkinlainen algoritminen ajattelu on viime vuosina sisällytetty useimpiin kansallisiin opetussuunnitelmiin. Opettajat tarvitsevat konkreettisia ja yksinkertaisia tapoja haastaa oppijat oppimaan ja käyttämään koodausta erilaisissa käytännön haasteissa. Mikro-ohjaimet ovat pieniä tietokoneita, joita käytetään usein opetuksessa, koska ne ovat edullisia ja helposti saatavilla. Arduino on monipuolinen taskukokoinen mikro-ohjain, joka sopii kaiken ikäisille lapsille ja on integroitavissa moniin erilaisiin projekteihin. Arduinon mukana tulee yksinkertainen Arduino IDE -ohjelmisto, joka mahdollistaa useiden antureiden ja liitäntöjen yhdistämisen sekä helpon koodauksen. Sillä on runsas ja vilkas online-käyttäjäyhteisö ja lukuisia esimerkkejä ja koodeja, jotka ovat ladattavissa ilmaiseksi.Antureiden poikkeuksellisen runsaan lukumäärän ansiosta Arduino tunnistaa ympäristönsä ja on sen kanssa vuorovaikutuksessa. Näiden ominaisuuksien vuoksi se sopii erittäin hyvin pienimuotoisiin luokkahuone projekteihin. Yksinkertaisetkin luokkahuoneen koodaus tehtävät voivat usein tuntua oppilaista teoreettisista ja abstrakteista. Ympäröivää todellisuutta aistivat mikro-ohjaimet tarjoavat erinomaisia, merkityksellisiltä ja konkreettisilta tuntuvia tapoja työskennellä koodauksen parissa.  Koodaus Projektien yhdistäminen selkeään ja konkreettiseen haasteeseen luokkahuoneessa voi lisätä oppilaiden osallistumista ja sitoutumista. Projektin merkityksellisyyttä voi lisätä se, että projekti tapahtuu elävän organismin, kuten kasvin, ympärillä.  Lisäksi projekti tarjoaa oppijalle monialaisen haasteen, jonka ratkaisemiseen tarvitaan tietoa ja osaamista koodauksen, perustekniikan, elektroniikan ja biologian aloilta. Monialaisuus on linjassa lukuisten uusien kansallisten opetussuunnitelmien kanssa, jotka korostavat monialaista ja avointa ongelmanratkaisua.

Tässä koulutusmoduulit opitaan, kuinka yksinkertaista mikro-ohjainta voidaan käyttää ympäristöä koskevien tietojen havaitsemiseen, kuinka se voidaan ohjelmoida lukemaan näitä tietoja ja kuinka se saadaan lopuksi tuottamaan relevanttia dataa. Tehtävän ohjeistus ei opasta rakentamaan kasvihuonetta antureineen. Oletuksena on, että opettaja/henkilökunta on rakentanut tämän asetelman jokseenkin edellä kuvatun kasvihuoneen mallin mukaisesti. Vaiheet 1–3 voidaan suorittaa päivänä 1, jolloin kasvihuone ja projekti esitellään luokalle. Vaihe 4 ja sitä seuraavat vaiheet toteutetaan pitkällä aikavälillä, ja ne voidaan myös toistaa useita kertoja. Vaihe 1: Tehtävä alkaa, kun oppijat tutustuvat kasvihuoneeseen, kasviin, antureihin ja kasvihuoneen erilaisiin tuotoksiin.  Vaihe 2: Kannettavan tietokoneen kytkeminen, anturien lukemien tarkastelu ja sen tarkastelu, kuinka koodi tulkitsee nämä lukemat. Anna oppilaiden tehdä muutoksia antureihin, jotta he näkevät, miten muutokset vaikuttavat tuloksiin ja antureiden ilmoittamiin lukemiin. Kosketa esimerkiksi lämpötila-anturia niin, että sen lämpötila nousee, ja katso, avautuuko luukku. Voit myös vetää maaperän kosteusanturin pois kasvin mullasta ja katsoa, käynnistääkö tämä kastelujärjestelmän. Vaihe 3: Selitä koodi ja kerro, missä eri kynnysarvot on määritetty. Anna oppilaiden manipuloida olosuhteita ja tarkastella, kuinka kasvihuone käsittelee tehtyjä muutoksia. Palauta kasvihuone alkuperäisiin asetuksiin. Vaihe 4: Liitä seuraavan viikon aikana Arduino kannettavaan tietokoneeseen päivittäin tarkastellaksesi valon, lämpötilan ja maaperän kosteuden arvoja ja keskustellakseen niistä. Keskustele, pitäisikö jotain näistä säätää optimaalisimman olosuhteiden tarjoamiseksi kasville. Projektin loppu: projektilla ei ole varsinaista loppua. Se voi jatkua luokkahuoneessa niin kauan kuin oppilaat ovat siitä kiinnostuneita ja opettaja voi ylläpitää ja laajentaa sitä (katso alla). Kuva 1: Esimerkki antureista ja liitännöistä, joita tehtävä vaatii: Valoanturi, joka ilmoittaa, pitäisikö kasvivalon olla päällä vai ei; maaperän kosteus anturi, joka ilmoittaa, milloin vesiventtiili avataan kastelua varten; lämpötila-anturi, joka antaa tietoa siitä, pitäisikö luukku avata jäähdytystä varten.

Tavoitteena on pitää kasvi hengissä kasvihuoneessa Arduinoon koodattujen ohjeiden avulla. Tämä edellyttää, että oppijat säätävät kynnysarvoja ja ehkä tekevät joitakin muutoksia alkuperäiseen koodiin. Suurin haaste on se, että oppilaat tarkkailevat pitkällä aikavälillä, kuinka kasvi viihtyy kasvihuoneessa, ja säätävät olosuhteita kasville parhaiten sopiviksi.  Projektilla ei välttämättä ole selkeää loppua. Projekti voi kestää muutamasta viikosta aina kokonaiseen lukuvuoteen asti riippuen siitä, kuinka hyödyllisenä ja kiinnostavana se luokassa näyttäytyy

Haasteena on pitää kasvi hengissä kasvihuoneen sisällä koodaamalla Arduino niin, että kasvin elinolosuhteet säilyvät. Pitkäaikaista projektia voidaan laajentaa lisäämällä erilaisia antureita ja liitäntöjä sitä mukaa, kun oppilaat oppivat tuntemaan kokonaisuuden ja kiinnostuvat siitä.Miten tätä kasvihuonetta voidaan laajentaa sisältämään muita antureita? Mitkä muut ympäristötekijät vaikuttavat kasvin elämään? Voimmeko lisätä antureita tai liitäntöjä valvomaan näitä muuttujia tai vaikuttamaan niihin? Esimerkiksi:

• Voiko kasvihuoneeseen lisätä tuulettimen, jos luukun avaaminen ei riitä jäähdyttämään kasvihuonetta aurinkoisina päivinä? 
• Voidaanko lisätä anturi, joka mittaa säiliön vedenpinnan ja ilmoittaa, kun se on täytettävä? 
• Voidaanko järjestelmää muokata niin, että se toimii aurinkoenergialla ladatulla akulla?

Luokka voidaan jakaa ryhmiin, joilla on kasvihuoneeseen liittyviä erityis vastuita. Voidaan perustaa esimerkiksi koodaus ryhmä, joka kehittää kasvihuonekoodia, tekniikkaryhmä, joka ylläpitää ja laajentaa kasvihuoneen mekaanisia ja elektronisia osia, ja biologia ryhmä, joka valvoo kasvin terveyttä ja kasvua. 

Oppimisprosessin keventämiseksi voidaan oppilaille antaa enemmän aikaa ja mahdollisuus käydä tehtävän ohjeet ja vaiheet läpi yhdessä opettajan kanssa. Kuten edellä on mainittu, oppilaille voidaan myös jakaa tiettyjä vastuualueita, ja tehtäviä voidaan tarpeen mukaan rajata. Pitääkö koodisi kasvin hengissä? -konsepti tarjoaa erilaisia kykyjä ja mielenkiinnon kohteita omaaville oppijoille tilaisuuksia osallistua ja kehittää omia taitojaan. Jotkut oppilaat voivat keskittyä koodaamiseen, toiset taas ohjelmoinnin parissa työskentelyyn. Kolmas ryhmä voi keskittyä projektin biologiseen osa-alueeseen. Kun järjestelmä on luotu, kaikki ryhmät voivat työskennellä yhdessä. Opettajan on myös mahdollista järjestää suurin osa koodauksesta etukäteen mikro-ohjaimilla.

Projektia voidaan yksinkertaistaa ja soveltaa monin tavoin. Yksinkertainen vaihtoehto on tuoda luokkahuoneeseen ruukkukasvi, jossa on kastelujärjestelmä ja maaperän kosteusanturi. Tällöin ei tarvita kasvihuonetta tai muita antureita. Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää mitä tahansa koodattavaa anturia tai liitäntää, joka tukee kasvia ja sen hyvinvointia.

1. Esitellään esimerkki toimivasta kasvihuoneesta, johon on asennettu kaikki anturit, liitännät ja mikro-ohjain. Osallistujat voivat tutustua kokoonpanoon ja tarkastella sitä pienissä ryhmissä. Ryhmässä tapahtuvan pohdinnan jälkeen ryhmät voivat kertoa toisilleen, miten he olettavat kasvihuoneen toimivan. Ohjaaja täydentää tarvittaessa ryhmien selityksiä ja käsityksiä. Tämän vaiheen lopussa osallistujien tulisi ymmärtää kasvihuoneen yleinen kokoonpano ja toiminta. (~20 minuuttia)

2. Selitä osallistujille kasvin biologia ja kasvin vaatimukset tässä ympäristössä. (~10 minuuttia)

3. Esittele osallistujille anturi-/liitäntäpiirit (valoanturi & kasvivalo, maaperän kosteusanturi & vesiventtiili, lämpötila-anturi ja ikkunanavaaja) ja kerro, miten ne on kytketty Arduino-mikro-ohjaimeen. (~15 minuuttia)

4. Esittele osallistujille Arduino-koodi, käy läpi jokainen segmentti ja keskity lopuksi koodin siihen osaan, joka kuvaa säädettäviä muuttujia ja päättää vastausten raja-arvot. Anna osallistujien keskustella ja säätää arvoja, jotta he näkevät, kuinka järjestelmä reagoi muutoksiin. (~60 minuuttia)

5. Keskustelun avaaminen tällaisen järjestelmän ylläpitämisestä ja laajentamisesta luokkahuoneessa. (~30 minuuttia)

• 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.