Kode for å holde den i live

Opprettholdelse av optimale levekår for en plante inne i et drivhus ved hjelp av programmerbare digitale sensorer med tilhørende responser. Ved å bruke informasjon om plantens miljø, som lys, temperatur og fuktighet utfordres elevene til å kode en mikrokontroller slik at den gir planten nok vann, varme og lys til at den kan vokse og utvikle seg. Ved å bruke Arduino-kontrollere i denne praktiske og relevante aktiviteten kan elevene utvikle kodeferdigheter for å løse en reell tverrfaglig utfordring.

Sammendrag: I denne aktiviteten vil elevene bruke en Arduino-mikrokontroller til å overvåke og reagere på skiftende miljøer inne i et lite drivhus for å opprettholde optimale forhold for at en plante inne i drivhuset skal trives. Arduinoen kobles sammen med sensorer for lys, temperatur og jordfuktighet inne i drivhuset, og kan henholdsvis slå på et lys til planten hvis omgivelseslyset blir for mørkt, åpne et vindu hvis drivhuset blir for varmt, og vanne planten hvis jorda blir for tørr. Målet er at elevene skal forstå hvordan de kan redigere koden for optimal plantevekst. Nøkkelord: Mikrokontroller, Arduino, økologi, sensorer, livsbetingelser, tverrfaglig, bærekraft, koding

1. Et drivhus med sensorer og utganger for å måle lys, jordfuktighet og temperatur og relevante enheter for å motvirke relevante endringer i disse miljøvariablene – denne pdf-en beskriver hvordan man konstruerer et slikt drivhus.

2. En Arduino mikrokontroller 3. En passende bordplass i klasserommet nært vindu og stikkontakt. 4. En bærbar PC for å koble til Arduino  5. Gratis Arduino IDE-programvare for å manipulere kode og kommunisere med Arduino.

Koding og algoritmisk tenkning har i de siste årene vært inkludert i de fleste nasjonale læreplaner. Lærere trenger konkrete og enkle måter å utfordre elever til å lære å bruke koding for relevante og praktiske utfordringer. Mikrokontrollere er små datamaskiner som ofte brukes i undervisningssammenheng da de kan være billige og lett tilgjengelige. Arduino er en allsidig mikrokontroller i lommestørrelse som kan integreres i alle slags prosjekter, noe som gjør den egnet for barn i alle aldre Arduino kommer med en enkel Arduino IDE-programvare som gir mulighet for kombinere en rekke sensorer og utganger, enkel koding, har et rikt og livlig brukerfellesskap på nettet, og en mengde kodebiter og eksempler fra det virkelige liv som er fritt tilgjengelige for nedlasting. Det ekstraordinære antallet sensorer og andre enheter som lar seg kontrollere av Arduino gjør at denne kan kodes til å sanse og samhandle med omgivelsene, noe som gjør den veldig godt egnet for småskalaprosjekter i klasserommet. Svært ofte kan enkle kodeoppgaver i klasserommet fremstå som veldig teoretiske og abstrakte for elevene. Mikrokontrollere med sin evne til å sanse og samhandle med virkeligheten rundt dem gir utmerkede måter å jobbe med koding på. Måter som fremstår som relevante og konkrete for elevene.  Å integrere kodeprosjekter med en klar og konkret utfordring i klasserommet kan øke involvering fra elevene og engasjementet. I tillegg, ved å få prosjektet til å dreie seg om en levende organisme som en plante kan prosjektet fremstå som mer meningsfylt for eleven.  En slik prosjektutfordring gir også eleven en tverrfaglig utfordring da kunnskap og kompetanse innen koding, grunnleggende ingeniørfag, elektronikk og biologi er nødvendig for å løse denne utfordringen. Dette er i samsvar med mange nye nasjonale læreplaner der tverrfaglighet og mer åpen problemløsning er en fremvoksende egenskap.

I denne opplæringsmodulen vil elevene lære hvordan en enkel mikrokontroller kan brukes til å registrere informasjon om miljøet, hvordan den kan kodes for å evaluere denne informasjonen og til slutt for å gi en relevant utfall. Dette aktivitetseksempelet inkluderer ikke bygging av drivhuset med sensorer og Arduino-koblinger, men forutsetter at læreren/personalet har konstruert dette oppsettet noenlunde i tråd med det ovennevnte drivhuset. Trinn 1 til 3 kan gjennomføres på dag 1 når drivhuset og prosjektet introduseres for klassen. Trinn 4 og utover er langsiktige trinn som kan ha flere iterasjoner. Trinn 1: Aktiviteten starter med at elevene gjør seg kjent med drivhuset, planten, sensorene, og de ulike utgangene i drivhuset.  Trinn 2: Koble til en bærbar datamaskin og se sensoravlesningene og hvordan koden tolker disse avlesningene. La elevene påvirke sensorene for å se resultatet. For eksempel kan man berøre temperatursensoren slik at temperaturen øker og se om luken åpnet seg. Alternativt kan du trekke sensoren for jordfuktighet ut av jorden til planten og se om dette får vanningssystemet til å starte. Trinn 3: Forklar koden og angi hvor de ulike terskelverdiene er definert. La elevene leke med å manipulere disse for å oppleve hvordan drivhuset håndterer disse endringene. Sett drivhuset tilbake til de opprinnelige innstillingene. Trinn 4: I løpet av den neste uken; koble Arduino til en bærbar PC daglig for å lese og diskutere verdiene for lys, temperatur og jordfuktighet. Diskuter om noen av disse bør justeres for å gi mer optimale forhold for planten. Slutten av prosjektet: prosjektet har ingen reell slutt og kan kjøres i klasserommet så lenge elevene har interesse for prosjektet og så lenge læreren kan opprettholde og utvide (se nedenfor) utfordringen. Figur 1: Et eksempel på sensorer og utganger som bør være tilgjengelige for at denne aktiviteten skal fungere: En sensor for lys som kan indikere om plantelyset skal slås på eller ikke, en sensor for jordfuktighet som indikerer når vannventilen skal åpnes for vanning, og en sensor for temperatur for å gi informasjon om luken skal åpnes for at kjøling skal skje.

Målet er å holde planten i live i drivhuset ved å bruke instruksjoner kodet inn i Arduino. Dette vil kreve at elevene justerer terskelverdiene og kanskje gjør noen justeringer av den opprinnelige koden. Hovedutfordringen er da for elevene å observere (over lengre tid) hvor godt anlegget gjør det og justere de tre utgangene slik at anlegget trives best.  Prosjektet har ikke nødvendigvis en klar slutt, men kan vare så lenge det ser ut til å være nyttig i klasserommet, alt fra noen uker til hele skoleåret.

Utfordringen er å holde en plante i live inne i drivhuset ved å kode Arduino-en på en slik måte at plantens livsbetingelser opprettholdes.   Det er et langsiktig prosjekt som kan utvides til å inkludere nye sensorer og utganger ettersom elevene utvikler kjennskap til og interesse for oppsettet. Hvordan kan dette drivhuset utvides til å inkludere andre sensorer? Hvilke andre miljøfaktorer påvirker levetiden til en plante? Kan vi legge til sensorer for å overvåke dette, og utganger for å påvirke disse? For eksempel:

• kan en vifte legges til drivhuset hvis det ikke er nok å åpne en luke for å kjøle ned drivhuset på solfylte dager? 
• kan det legges til en sensor for å måle vannstanden i reservoaret og tenne en liten indikator når det må etterfylles?
• kan systemet modifiseres til å driftes av et batteri ladet av solceller?

Klassen kan deles inn i grupper med spesifikke ansvarsområder for drivhuset: en kodegruppe, en ingeniørgruppe og en biologigruppe med ansvar for henholdsvis å vedlikeholde og utvikle koden for drivhuset, for å vedlikeholde og utvide de mekaniske og elektroniske aspektene ved drivhus, og for å overvåke plantens helse og vekst.

For å forenkle læringsprosessen er det mulig å gi elevene mer tid og følge trinn-for-trinn-retningslinjene sammen med læreren. Elevene kan også organiseres med ulike ansvarsområder og mer begrensede oppgaver enn nevnt ovenfor. Code-to-keep-it-alive-konseptet tilbyr et rikt miljø for deltakelse og inviterer elever med enhver interesse og evne til å finne et område i oppsettet hvor de kan bidra med kompetanse og innsats. Noen elever kan fokusere på kodingen, mens andre jobber mer spesifikt med programmeringen, og en tredje gruppe kan fokusere på det biologiske aspektet av prosjektet. Deretter kan de jobbe sammen når systemet er etablert. Det er også mulig for læreren å gjøre det meste av kodingen med micro:bit-kontrollerne på forhånd.

Dette prosjektet kan forenkles og omorganiseres på mange måter. En veldig enkel alternativ versjon er å bare ha en potteplante i klasserommet med et system for vanning og sensor for jordfuktighet, og hoppe over hele aspektet med drivhuset og de andre sensorene. I hovedsak vil ethvert programmerbart oppsett for sensor og utgang som gir støtte for et anlegg være en nyttig alternativ aktivitet.

Denne STEAM-workshopen for læring gjennom aktivitet henvender seg til grunnskolelærere som ønsker å lage en fysisk workshop og legge til enkelt design, mekanikk, elektronikk og data og kodeferdigheter.

Denne aktiviteten kan utformes i fem faser:

1. Vi introduserer et fungerende eksempel på drivhuset med alle sensorer, utganger og en mikrokontroller installert. La deltakerne utforske oppsettet og prøve å forstå det i små grupper. Grupper presenterer så for hverandre hva de tror dette drivhuset er og hvordan det fungerer. Instruktøren supplerer gruppenes forklaringer og forståelser ved behov, slik at deltakerne på slutten av denne fasen forstår drivhusets generelle utforming og funksjon. (~20 minutter)
2. Introduser deltakerne til plantebiologi og plantens krav i denne situasjonen (~10 minutter)
3. Introduser deltakerne for parene med sensorer/utganger (sensor for lys & lyset til planten, sensor for jordfuktighet & vannventil, sensor for temperatur & åpner for vindu) og hvordan de er koblet til Arduino-mikrokontrolleren. (~15 minutter)
4. Introduser deltakerne for Arduino-koden, gå gjennom hvert segment, og fokuser til slutt på den delen av koden som beskriver de justerbare variablene som bestemmer grenseverdiene for respons. La deltakerne diskutere og justere verdiene for å se hvordan systemet reagerer på slike endringer. (~60 minutter)
5. Åpne opp for en diskusjon rundt hvordan man kan vedlikeholde og utvide et slikt system i et  klasserom. (~30 minutter)

• 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.