[justify]Aufrechterhaltung optimaler Lebensbedingungen für eine Pflanze in einem Gewächshaus mit programmierbaren digitalen Sensoren und Datenausgaben. Anhand von Informationen über die Umgebung der Pflanze, wie Licht, Temperatur und Feuchtigkeit, werden die Lernenden aufgefordert, einen Mikrocontroller so zu programmieren, dass er die Pflanze mit genügend Wasser, Wärme und Licht versorgt, damit sie wachsen und sich entwickeln kann.[br]Durch die Verwendung von Arduino-Controllern in dieser praktischen und relevanten Aktivität können Lernende Programmierfähigkeiten entwickeln, um eine multidisziplinäre Herausforderung aus dem wirklichen Leben zu lösen.[br][/justify]

[justify][b]Zusammenfassung:[/b] In dieser Aktivität verwenden die Lernenden einen Arduino-Mikrocontroller, um die veränderliche Umgebungen in einem kleinen Gewächshaus zu erfassen und darauf zu reagieren, um optimale Bedingungen für das Gedeihen einer Pflanze im Gewächshaus aufrechtzuerhalten. Der Arduino verbindet sich mit Sensoren für Licht, Temperatur und Bodenfeuchte im Gewächshaus und kann ein Pflanzenlicht einschalten, wenn das Umgebungslicht zu dunkel wird, ein Fenster öffnen, wenn das Gewächshaus zu heiß wird, und die Pflanze gießen, wenn der Boden zu trocken wird. Ziel ist es, dass die Lernenden verstehen, wie sie den Code für optimales Pflanzenwachstum bearbeiten können.[br][br][b]Schlüsselwörter:[/b] Mikrocontroller, Arduino, Ökologie, Sensoren, Lebensbedingungen, Interdisziplinarität, Nachhaltigkeit, Programmierung[br][/justify]Die Ressourcenliste[b]:[br][br][/b][justify][/justify][list=1][*]Ein Gewächshaus mit Sensoren und Ausgängen zur Messung von Licht, Bodenfeuchte und Temperatur und entsprechenden Geräten, um relevanten Änderungen dieser Umweltvariablen entgegenzuwirken – dieses PDF beschreibt, wie ein solches Gewächshaus gebaut wird.[/*][*]Ein Arduino-Mikrocontroller[/*][*]Ein geeigneter Tisch im Klassenzimmer, in der Nähe eines Fensters und einer Steckdose.[/*][*]Ein Laptop zum Anschluss an den Arduino [/*][*]Kostenlose Arduino IDE-Software zum Bearbeiten von Code und Kommunizieren mit dem Arduino.[/*][/list]

[justify][/justify][justify]Programmieren oder eine Art algorithmisches Denken wurde in den letzten Jahren in die meisten nationalen Lehrplänen aufgenommen. Lehrer brauchen konkrete und einfache Möglichkeiten, Lernende herauszufordern, damit sie lernen, wie man das Programmieren für relevante und praktische Herausforderungen einsetzt. Mikrocontroller sind kleine Computer, die häufig im Bildungskontext verwendet werden, da sie billig und leicht zugänglich sein können. Der Arduino ist ein überaus vielseitiger Mikrocontroller im Taschenformat, der in alle möglichen Projekte integriert werden kann und somit für Kinder jeden Alters geeignet ist[br][br]Der Arduino wird mit einer einfachen Arduino IDE-Software geliefert, welche die Überwachung einer Vielzahl von Sensoren und Datenausgaben sowie eine einfache Programmierung ermöglicht, eine reichhaltige und lebhafte Online-Nutzergemeinschaft hat und eine Vielzahl von Code-Stücken und Beispielen aus dem wirklichen Leben kostenlos zum Download bereitstellt.[br][br]Die außergewöhnliche Anzahl von Sensoren und Ausgabegeräten ermöglicht es dem Arduino, seine Umgebung zu erfassen und mit ihr zu interagieren, wodurch er sich sehr gut für kleine Unterrichtsprojekte eignet.[br][br]Sehr oft können einfache Programmieraufgaben im Klassenzimmer den Lernenden als sehr theoretisch und abstrakt erscheinen. Mikrocontroller bieten mit ihrer Fähigkeit, die sie umgebende Realität zu erfassen und mit ihr zu interagieren, hervorragende Möglichkeiten, mit der Programmierung auf einer Art und Weise zu arbeiten, die den Schülern relevant und konkret erscheint. [br]Die Integration von Programmier Projekten mit einer klaren und konkreten Herausforderung im Klassenzimmer kann die Beteiligung und das Engagement der Lernenden erhöhen. Darüber hinaus kann das Projekt dem Lernenden sinnvoller erscheinen, indem es sich um einen lebenden Organismus wie eine Pflanze dreht. [br][br]Außerdem bietet eine solche Projekte Herausforderung dem Lernenden eine multidisziplinäre Herausforderung, da Kenntnisse und Kompetenzen in den Bereichen Programmierung, Grundlagen, Technik, Elektronik und Biologie erforderlich sind, um diese Herausforderung zu lösen. Dies steht im Einklang mit vielen neuen nationalen Lehrplänen, in denen Interdisziplinarität und offene Problemlösungen ein aufstrebender Teil sind.[br][/justify]

[justify][/justify]In diesem Schulungsmodul lernen die Lernenden, wie ein einfacher Mikrocontroller verwendet werden kann, um Informationen über die Umgebung zu erfassen, wie er programmiert werden kann, um diese Informationen auszuwerten, und wie er schließlich dazu gebracht werden kann, eine relevante Datenausgabe bereitzustellen.[br][br]Die Aktivität beinhaltet nicht den Bau des Gewächshauses mit den Sensoren und Arduino-Anschlüssen, sondern geht davon aus, dass der Lehrer/Mitarbeiter diesen Aufbau in etwa nach dem Vorbild des oben erwähnten Gewächshauses gebaut hat.[br][br]Die Schritte 1 bis 3 können am ersten Tag durchgeführt werden, wenn das Gewächshaus und das Projekt an sich der Klasse vorgestellt werden. Schritt 4 und nachfolgende sind langfristige Schritte, die mehrere Wiederholungen haben können.[br][br]Schritt 1: Die Aktivität beginnt damit, dass sich die Lernenden mit dem Gewächshaus, der Pflanze, den Sensoren und den verschiedenen Dateneingaben im Gewächshaus vertraut machen. [br][br]Schritt 2: Anschließen eines Laptops und Anzeigen der Sensor Messwerte und wie der Code diese Messwerte interpretiert. Lassen Sie die Lernenden die Sensoren beeinflussen, um die Datenausgabe zu beobachten. Berühren Sie zum Beispiel den Temperatursensor, damit seine Temperatur steigt, und schauen Sie, ob sich die Lüftungsklappe öffnen. Ziehen Sie alternativ den Bodenfeuchtesensor aus der Pflanzenerde und prüfen Sie, ob das Bewässerungssystem dadurch startet.[br][br]Schritt 3: Erklären Sie den Code und geben Sie an, wie die verschiedenen Schwellenwerte definiert sind. Lassen Sie die Schüler diese spielend manipulieren, um zu entdecken, wie das Gewächshaus mit diesen Veränderungen umgeht. Setzen Sie das Gewächshaus auf seine Anfangseinstellungen zurück.[br]Schritt 4: Verbinden Sie den Arduino in der folgenden Woche täglich mit einem Laptop, um die Werte für Licht, Temperatur und Bodenfeuchte abzulesen und zu besprechen. Diskutieren Sie, ob einige davon angepasst werden sollten, um optimale Bedingungen für die Pflanze zu schaffen.[br][br]Ende des Projekts: Das Projekt hat kein wirkliches Ende und kann im Klassenzimmer weitergeführt werden, solange die Schüler Interesse an dem Projekt haben und solange der Lehrer die Herausforderung aufrechterhalten und erweitern kann (siehe unten).[br][br]Abbildung 1: Ein Beispiel für Sensoren und Dateneingaben, die verfügbar sein sollten, damit diese Aktivität funktioniert: Ein Lichtsensor, der anzeigt, ob das Pflanzenlicht eingeschaltet werden soll oder nicht, ein Bodenfeuchtigkeitssensor, der anzeigt, wann das Wasserventil zum Bewässern geöffnet werden muss, und ein Temperatursensor, der Informationen darüber gibt, ob die Lüftungsklappe zum Kühlen geöffnet werden sollte.

[size=100][size=150]Die Lösung für die Aktivität[/size][/size][br]

[justify]Ziel ist es, die Pflanze im Gewächshaus am Leben zu erhalten, indem Anweisungen verwendet werden, die in den Arduino programmiert wurden. Dazu müssen die Lernenden die Schwellenwerte anpassen und möglicherweise einige Anpassungen am ursprünglichen Code vornehmen.[br][br]Die größte Herausforderung besteht also darin, dass die Lernenden (über einen längeren Zeitraum) beobachten, wie gut es der Pflanze geht, und die drei Dateneingaben so anpassen, dass sie für die Pflanze am besten geeignet sind. [br][br]Das Projekt muss nicht unbedingt ein klares Ende haben, sondern kann so lange dauern, wie es im Unterricht sinnvoll erscheint, von einigen Wochen bis hin zu einem ganzen Schuljahr.[br][/justify]

[justify]Die Herausforderung besteht darin, eine Pflanze im Gewächshaus am Leben zu erhalten, indem der Arduino so programmiert wird, dass die Lebensbedingungen der Pflanze eingehalten werden. [br][br]Es ist ein langfristiges Projekt, das mit neuen Sensoren und Effektoren erweitert werden kann, wenn die Lernenden vertrauter mit dem Aufbau sind und mehr Interesse entwickeln.[br][br]Wie lässt sich dieses Gewächshaus mit weiteren Sensoren ausstatten? Welche anderen Umweltfaktoren beeinflussen das Leben einer Pflanze? Können wir Sensoren hinzufügen, um dies zu überwachen, und Effektoren, um diese zu beeinflussen? Zum Beispiel:[br][/justify][list][justify][/justify][*]Kann das Gewächshaus mit einem Ventilator ausgestattet werden, wenn das Öffnen einer Lüftungsklappe nicht ausreicht, um das Gewächshaus an sonnigen Tagen abzukühlen? [/*][*]Kann ein Sensor hinzugefügt werden, der den Wasserstand im Wassertank misst und dass eine kleine Anzeige aufleuchtet, wenn nachgefüllt werden muss? [/*][*]Kann das System so modifiziert werden, dass es mit einer durch Solarenergie geladenen Batterie betrieben wird?[/*][/list][br][justify]Die Klasse kann in Gruppen mit spezifischen Aufgaben für das Gewächshaus eingeteilt werden: eine Programmierer Gruppe, eine Ingenieurgruppe und eine Biologie Gruppe, mit Verantwortlichkeiten für die Pflege und Weiterentwicklung des Codes für das Gewächshaus, für die Pflege und Erweiterung der mechanischen und elektronischen Aspekte des Gewächshaus und zur Überwachung der Gesundheit und des Wachstums der Pflanze.[/justify]

[justify]Um den Lernprozess zu vereinfachen, ist es möglich, den Lernenden mehr Zeit zu geben und gemeinsam mit dem Lehrer die Schritt-für-Schritt-Anleitungen zu befolgen. Die Lernenden können auch, wie oben bereits erwähnt, mit unterschiedlichen Verantwortlichkeiten und mit stärker festgelegten Tätigkeiten organisiert werden. Das Konzept Programmierung zur Lebenserhaltung bietet eine reichhaltige Umgebung für die Teilnahme und lädt Lernende mit den verschiedensten Interessen und Fähigkeiten ein, einen Bereich im Gesamt Szenario zu finden, in dem sie sich mit Kompetenz und Engagement einbringen können. Einige Lernende können sich auf die Codierung konzentrieren, während andere spezifischer an der Programmierung arbeiten, und eine dritte Gruppe kann sich auf den biologischen Aspekt des Projekts konzentrieren. Dann können sie zusammenarbeiten, wenn das System eingerichtet wurde. Es ist auch möglich, dass der Lehrer den größten Teil der Programmierung mit den micro:bit-Controllern vorbereitet.[/justify]

[justify]Dieses Projekt kann in vielerlei Hinsicht vereinfacht und neu strukturiert werden. Eine sehr einfache alternative Version besteht darin, nur eine Topfpflanze mit einem Bewässerungssystem und einem Bodenfeuchtesensor im Klassenzimmer zu haben und den gesamten Aspekt des Gewächshauses und der anderen Sensoren zu überspringen. Im Wesentlichen wäre jede programmierbare Sensor- und Effektor-Konfiguration, die eine Anlage unterstützt, eine nützliche alternative Aktivität. [/justify]

[justify]Dieser STEAM-Lernaktivitäts-Workshop richtet sich an Grundschullehrer, die einen physischen Workshop mit Hinzufügen eines einfachen Designs, von Mechanik, Elektronik und unter Nutzung von Computerkenntnissen und Programmierung zur Realisierung erschaffen wollen.[/justify]

 [justify]Diese Aktivität kann in fünf Phasen unterteilt werden:[br][/justify][list=1][*][justify]Vorstellung eines funktionierenden Beispiels des Gewächshauses mit allen Sensoren, Dateneingaben und einem installierten Mikrocontroller. Ermöglichen Sie den Teilnehmern, den Aufbau zu erkunden und zu versuchen, diesen in kleinen Gruppen zu verstehen. Die Gruppen erklären sich dann gegenseitig, was dieses Gewächshaus ihrer Meinung nach ist und wie es funktioniert. Der Kursleiter ergänzt die Erklärungen und Verständnisse der Gruppen bei Bedarf, sodass die Teilnehmer am Ende dieser Phase den allgemeinen Aufbau und die Funktion des Gewächshauses verstehen. (~20 Minuten)[/justify][/*][*][justify]Führen Sie die Teilnehmer in diesem Rahmen in die Pflanzenbiologie und die Anforderungen der Pflanze ein (~10 Minuten)[/justify][/*][*][justify]Stellen Sie den Teilnehmern die Sensor-/Ausgang Paare (Lichtsensor und Pflanzenlicht, Bodenfeuchtesensor und Wasserventil, Temperatursensor und Fensteröffner) und ihre Verbindung zum Arduino-Mikrocontroller vor. (~15 Minuten)[/justify][/*][*][justify]Führen Sie die Teilnehmer in den Arduino-Code ein, gehen Sie jedes Segment durch und konzentrieren Sie sich schließlich auf den Teil des Codes, der die einstellbaren Variablen darstellt, welche die Grenzwerte für Reaktionen der Effektoren festlegen. Lassen Sie die Teilnehmer diskutieren und die Werte anpassen, um zu sehen, wie das System auf solche Änderungen reagiert. (~60 Minuten)[/justify][/*][*][justify]Eröffnen Sie eine Diskussion darüber, wie ein solches System in einem Klassenzimmer gewartet und erweitert werden kann. (~30 Minuten)[/justify][/*][/list]

[justify][/justify][list][*]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.[/*][/list]

Frode Skarstein - University of Stavanger