[justify]Mantener las condiciones de vida óptimas para una planta dentro de un invernadero utilizando para ello sensores y salidas digitales codificables. Utilizando información del entorno de la planta, como el nivel de luminosidad, la temperatura y la humedad, los alumnos tienen que codificar un microcontrolador que proporcione a la planta suficiente agua, calor y luz para que crezca y se desarrolle.[br][br]En esta actividad práctica, los alumnos pueden desarrollar habilidades de codificación para resolver un desafío multidisciplinario de la vida real mediante el uso de controladores Arduino.[/justify]

[justify][b]Resumen:[/b] En esta actividad, los alumnos utilizan un microcontrolador Arduino para detectar y reaccionar ante los entornos que van cambiando en el interior de un pequeño invernadero con el fin de mantener las condiciones óptimas necesarias para que prospere una planta allí situada. Los sensores de luz, temperatura y humedad del suelo instalados en el interior del invernadero se conectan al Arduino. De este modo, el Arduino puede encender la luz de la planta si la luz ambiental es demasiado débil, abrir una ventana si la temperatura del invernadero es demasiado alta y regar la planta si la tierra está muy seca. El objetivo es que los alumnos entiendan cómo pueden editar el código para lograr que las plantas crezcan de manera óptima.[br][br][b]Palabras clave:[/b] Microcontrolador, Arduino, ecología, sensores, condiciones de vida, multidisciplinar, sostenibilidad, programación.[br][/justify][b]Lista de recursos:[/b][br][list=1][*]Un invernadero con sensores y salidas para medir la luminosidad, la humedad y la temperatura del suelo y los dispositivos correspondientes para contrarrestar los cambios que se produzcan en estas variables ambientales. Este documento PDF describe cómo construir un invernadero de este tipo.[/*][*]Un microcontrolador Arduino.[/*][*][justify][/justify]Un espacio adecuado en una mesa en el aula situado cerca de una ventana y de una toma de corriente.[/*][*][justify]Un portátil para conectarlo a Arduino.[/justify][/*][*][justify][/justify]El software Arduino IDE gratuito para manipular el código y comunicarse con él.[/*][/list]

[justify][/justify][justify]En los últimos años, se ha incluido en la mayoría de los planes de estudio nacionales la codificación o ciertos tipos de pensamientos algorítmicos. Los docentes necesitan formas concretas y simples con las que ofrecer a los alumnos retos con los que aprender a usar la codificación para resolver desafíos prácticos y relevantes. Los microcontroladores son pequeños ordenadores que se usan a menudo en entornos educativos, ya que son económicos y de fácil acceso. Arduino es un microcontrolador de bolsillo muy versátil que se puede integrar en todo tipo de proyectos, por lo que es adecuado para niños de cualquier edad.[br][br]Arduino viene con un[i] software[/i] Arduino IDE simple que hace posible que pueda albergar una gran cantidad de sensores y salidas, que resulte fácil programarlo y que tenga una comunidad de usuarios en línea viva y dinámica. Gracias a ello, existe una gran variedad de fragmentos de código y ejemplos aplicables a la vida real disponibles gratuitamente para descargar.[br][br]La extraordinaria cantidad de sensores y dispositivos de salida compatibles hacen posible que Arduino detecte e interactúe con su entorno, lo que lo hace muy adecuado para proyectos de aula a pequeña escala.[br][br]Con frecuencia, las tareas de codificación simples que se desarrollan en clase suelen resultar demasiado teóricas y abstractas para los alumnos. Dada su capacidad para percibir e interactuar con la realidad que los rodea, los microcontroladores son ideales para trabajar la codificación de un modo que les resulte más interesante y tangible a los estudiantes. [br][br]La integración en el aula de proyectos de codificación con un desafío claro y conciso puede aumentar la participación y la implicación de los alumnos. Además, el hecho de que el proyecto gire en torno a un organismo vivo como una planta, puede contribuir a que el proyecto resulte de mayor relevancia para el alumnado. [br][br]Además, un reto y un proyecto de este tipo ofrecen al alumno un desafío multidisciplinar, ya que para resolverlo, se necesitan conocimientos y competencias en codificación, ingeniería básica, electrónica y biología. Esto va en consonancia con los nuevos currículos educativos de muchos países en los que cada vez la formación multidisciplinar y un enfoque en una resolución de los problemas más abierto, están adquiriendo más importancia.[/justify]

[justify]En este módulo de capacitación, los alumnos aprenden cómo se puede usar un microcontrolador simple para detectar información sobre el entorno, cómo se puede programar para evaluar esta información y, finalmente, cómo se pueden generar las respuestas correspondientes.[br][br]La actividad no incluye la construcción del invernadero con los sensores y las conexiones de Arduino, ya que se presupone que, de alguna manera, el docente o alguien del personal ya lo ha construido de acuerdo a las instrucciones mencionadas anteriormente.[br][br]Los pasos del 1 al 3 se pueden llevar a cabo el primer día, cuando se le presenta el invernadero y el proyecto a la clase. El paso 4 y los siguientes son pasos a largo plazo que pueden llevarse a cabo en distintas sesiones.[br][br]Paso 1: La actividad comienza cuando los alumnos se familiarizan con el invernadero, con la planta, con los sensores y con las distintas salidas del invernadero. [br][br]Paso 2: Se conecta una ordenador portátil, se ven las lecturas que realiza el sensor y cómo el código interpreta esas lecturas. Se permite que los alumnos modifiquen los sensores para ver cómo cambia el resultado debido a las modificaciones. Por ejemplo, pueden tocar el sensor de temperatura para que ésta aumente y así comprueben si se abre la escotilla. También pueden extraer el sensor de humedad de la tierra para ver si esto hace que el sistema de riego se active.[br][br]Paso 3: Se explica el código y se indica dónde se definen los diversos valores límite. Se permite que los estudiantes los manipulen para que comprueben cómo el invernadero gestiona estos cambios. Se devuelve el invernadero a su configuración inicial.[br][br]Paso 4: A lo largo de la siguiente semana, se conecta a Arduino diariamente a una ordenador portátil para que lea y analice los valores de luz, temperatura y humedad de la tierra. Se debate sobre si es necesario ajustar alguno de estos valores para conseguir unas condiciones más adecuadas para la planta.[br][br]Fin del proyecto: el proyecto no tiene un final definido y puede seguir ejecutándose en el aula siempre que los alumnos tengan interés por el proyecto y el docente pueda mantener y ampliar el desafío (ver más abajo).[br][br]Figura 1. Algunos ejemplos de sensores y salidas que deberían estar disponibles para que funcione esta actividad son: Un sensor de luz que indique si se debe encender o no la luz de la planta, un sensor de humedad de la tierra que indique cuándo es necesario abrir la válvula de agua para regar la planta y un sensor de temperatura que nos avise si es necesario abrir la trampilla del invernadero para permitir la refrigeración.[br][/justify]

[size=150]Solución de la actividad[/size][br]

[justify]El objetivo es mantener viva la planta del invernadero utilizando para ello instrucciones codificadas en la placa Arduino. Esto requerirá que los alumnos ajusten los valores límite y que quizás realicen también ciertos ajustes en el código inicial.[br][br]Por lo tanto, el principal reto para los alumnos es observar (durante un período de tiempo largo) cómo evoluciona la planta y ajustar las tres salidas para que se adapten mejor a la planta. [br][br]El proyecto no tiene por qué tener un final definido. Puede durar el tiempo que sea necesario, desde unas pocas semanas hasta todo el curso escolar.[/justify]

[justify]El desafío es mantener viva una planta dentro del invernadero codificando el Arduino de tal modo que éste mantenga las condiciones necesarias. [br][br]Es un proyecto a largo plazo que se puede ampliar para incluir nuevos sensores y salidas a medida que los alumnos se familiaricen e interesen por la actividad.[br][br]¿Cómo se puede ampliar este invernadero para incluir otros sensores? ¿Qué otros factores ambientales influyen en la vida de una planta? ¿Podemos agregar sensores para monitorizar estos factores y salidas para influir en ellos? Por ejemplo:[/justify][list][justify][/justify][*]¿Se puede añadir al invernadero un ventilador si la apertura de la trampilla no resulta suficiente para enfriar el invernadero en los días soleados? [/*][*]¿Se puede añadir un sensor para medir el nivel de agua en el depósito para que se encienda una pequeña luz cuando sea necesario rellenarlo? [/*][*]¿Se puede modificar el sistema para que funcione con una batería que se carga con energía solar?[/*][/list][justify][br]La clase se puede dividir en grupos con responsabilidades específicas para el invernadero: un grupo de programación, un grupo de ingeniería y un grupo de biología; cuyas responsabilidades sean respectivamente mantener y desarrollar el código para el invernadero, mantener y expandir los aspectos mecánicos y electrónicos del invernadero y monitorizar la salud y el crecimiento de la planta. [/justify]

[justify]Para simplificar el proceso de aprendizaje, puede darle más tiempo a los alumnos u ofrecerles la posibilidad de que sigan las instrucciones paso a paso con el docente. Como se ha comentado previamente, también se puede organizar a los alumnos de modo que asuman diferentes responsabilidades y que realicen actividades más delimitadas. El concepto Code-to-keep-it-alive ofrece un entorno enriquecedor que favorece la participación e invita a los estudiantes, independientemente de sus intereses y capacidades, a encontrar un área del proyecto en la que puedan aportar sus capacidades y su esfuerzo. Algunos alumnos pueden concentrarse en la codificación, otros pueden trabajar en la programación de manera más específica y un tercer grupo puede concentrarse en el aspecto biológico del proyecto. Después, una vez se ha consolidado el proyecto, pueden trabajar juntos. Otra posibilidad es que el docente realice previamente la mayor parte de la codificación de los microcontroladores.[br][/justify]

[justify]Este proyecto se puede simplificar y reorganizar de muchas maneras. Una versión alternativa muy sencilla consiste en tener en el aula únicamente una planta en una maceta que cuente con un sistema de riego y con un sensor de humedad en la tierra, omitiendo así todo lo relativo al invernadero y a los otros sensores. Básicamente, cualquier configuración codificable con un sensor y con una salida que brinde apoyo a una planta puede tener como resultado una buena actividad alternativa.[/justify]

[justify]Este taller de actividades de aprendizaje STEAM está dirigido a docentes de escuelas de educación primaria que deseen crear un taller físico utilizando diseños simples, elementos mecánicos, electrónicos y habilidades informáticas y de codificación.[/justify]

 [justify][/justify][justify]Esta actividad puede dividirse en cinco fases:[br][/justify][list=1][*][justify]Se presenta un ejemplo funcional de invernadero, con todos los sensores, salidas y un microcontrolador instalado. Se deja que los participantes exploren la configuración y traten de darle sentido en grupos pequeños. Posteriormente, se deja que cada grupo exponga lo que ellos creen qué es el invernadero y cómo funciona. Cuando sea necesario, el instructor puede completar las explicaciones e interpretaciones de los distintos grupos, de modo que al final de esta fase los participantes comprendan el diseño general y el funcionamiento del invernadero (~20 minutos).[/justify][br][/*][*][justify]Se presenta a los participantes las características biológicas de la planta y las necesidades de la misma en este entorno en concreto (~10 minutos).[/justify][br][/*][*][justify]Se presenta a los participantes los distintos pares de sensores/salidas (sensor de luz y luz de la planta, sensor de humedad de la tierra y válvula de agua, sensor de temperatura y dispositivo que abre las ventanas) y cómo están conectados al microcontrolador Arduino (~15 minutos).[/justify][br][/*][*][justify]Se presenta a los participantes el código Arduino, revisando cada segmento para, finalmente, centrarse en la parte del código que describe las variables ajustables que deciden los valores límite para las respuestas. Se permite que los participantes discutan y ajusten los valores para que puedan ver cómo responde el sistema ante esos cambios (~60 minutos).[/justify][br][/*][*][justify]Se empieza un debate sobre cómo mantener y expandir el sistema dentro del aula (~30 minutos).[/justify][br][/*][/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