XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2022
Автоматизированный парник на базе конструктора LEGO WeDo 2.0
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Мир меняется, и образование на разных уровнях меняется вместе с ним. Хорошо это заметно на примере среднеобразовательных школ, которые сегодня имеют множество новых программ, учебников и вариантов ведения уроков. Особой популярностью стало пользоваться дистанционное образование, которое позволяет получать необходимые знания не выходя из дома.
Однако, не смотря на новые возможности, которые подарил интернет современной системе образования, вызвать интерес к учебе у детей стало труднее.
Проблема заключается в том, что новые возможности переносят систему образования в формат картинок, презентаций, лекций, из-за чего теряется связь полученной информации и ее применения в реальной жизни.
Особенно страдают предметы естественно-научного цикла, так как теряется возможность изучать различные процессы и явления на практике.
Данная проблема является актуальной, так как изучение природных явлений-богатый источник вдохновения для множества изобретателей и ученых. Благодаря исследованиям различных процессов появилось множество новых технологий, например буровая тонеллепроходческая машина является, по сути, огромной копией червя, а светодиоды появились в наших домах благодаря светлячкам. А в современном образовании больший акцент делается на передаче теоретических знаний.
Мы хотим видеть, как работают механизмы в жизни, как происходят различные природные явления и учиться их изучать, модернизировать и создавать что-то новое.
Нашу команду заинтересовал процесс фотосинтеза, в связи с чем, мы решили создать проект, позволяющий в домашних условиях наблюдать изменения в растениях, при этом сделать уход за ними максимально автоматизированным.
Цель нашего проекта- исследование эффективности применения современных технологий, для создания связи между информацией, получаемой в процессе обучения и ее практическим применением.
Для реализации цели, мы поставили перед собой следующие задачи:
-изучить существующие современные устройства, предназначенные для ухода за домашними растениями;
-рассмотреть понятие «фотосинтез»;
-создать модель автоматизированного парника на базе конструктора LEGO WeDo 2.0;
-продемонстрировать возможности автоматизированного парника на базе конструктора LEGO WeDo 2.0 на примере его недельного использования в качестве научного пособия для школьников;
-проанализировать эффективность использования современных технологий, доступных детям, для эффективного изучения природных процессов и явлений.
При подготовке данного проекта мы пользовались следующими источниками:
- Lego удивительные творения;
-LEGO Гаджеты. Полный гид по строительству необычных механизмов;
-Курс «Машины и механизмы», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн»;
-интернет журнал (https://www.novochag.ru);
-интернет журнал (https://infourok.ru);
-цифровой учебник (https://rosuchebnik.ru);
-научно-популярный онлайн журнал (https://www.poznavayka.org).
Глава 1.Теоретическое обоснование создания автоматизированного парника.
1.1 Современные устройства, предназначенные для ухода за домашними растениями.
В современных квартирах все чаще можно увидеть не только живые цветы в горшках, но и свежую зелень, небольшие балконные горшки с овощами и ягодами. Ни для кого ни секрет, что для хорошего урожая растениям необходимы вода, свет, тепло и почва обогащённая необходимыми питательными веществами. В связи с возрастающей популярностью домашних огородов можно увидеть новые гаджеты, позволяющие сделать уход за растениями более простым. Наша команда рассмотрела некоторые из них.
Например, нас заинтересовал самоочищающийся аквариум (Приложение, Рисунок 1.1.1)
Данный гаджет-мини экосистема, где рыбка, плавающая в аквариуме, находящемся под цветочным горшком, кормит его своими отходами, а растения в горшке очищают аквариум. От человека требуется только кормить рыбку.[4]
Так же, интересным показался домашний огород, не требующий почвы. (Приложение, Рисунок 1.1.2) Корни растений находятся в специальных резервуарах, наполненных водой, которая насыщена питательными веществами. В зависимости от вида растения человеку необходимо выбрать режим ухода, за которым будет следить микроконтроллер, определяющий циркуляцию воды и питательных веществ, а так же определит подходящую продолжительность светового дня для растения. [7]
По похожему принципу работают и домашний сад, или aerogarden, (Приложение, Рисунок 1.1.3) а так же прибор под названием «Click and grow» (Приложение, Рисунок 1.1.4) и «Fashion grower» (Приложение, Рисунок 1.1.5)
В приборы встроены микроконтроллеры, которые отвечают за расход питательных веществ, освещение, влажность. Такие приборы экономят воду и так же не требуют почвы, так как корни питаются от воды.[7]
Более крупным прибором является светодиодный огород. (Приложение, Рисунок 1.1.6)
Это стеллаж на котором оборудовано несколько грядок, где в крыше каждой полочки оборудованы светильники, обеспечивающие свет растениям, максимально приближенный к естественному дневному освещению. Однако, при использовании данного устройства уход за растениями все равно лежит на плечах человека, их нужно сажать, поливать. Прибор лишь продляет световой день. [4]
Так же самые простые, но упрощающие уход за растениями приборы-горшки обеспечивающие растения водой продолжительное время. Такие как «Eva solo» и «Rosti Mepal».
Оба горшка разделены на две части, внизу находится вода, и в первом случае она поступает к растениям благодаря полиамидным нитям, которые вытягивают воду из резервуара с водой в корням растений. Приложение, Рисунок 1.1.7) а во втором случае, вместо полиамидных нитей используется хлопок. Приложение, Рисунок 1.1.8)
Оба горшка позволяют напитывать водой растения на срок до двух-трех недель. [4]
Не смотря на то, что многие из этих приборов позволяют облегчить уход за растениями, они не обеспечивают возможности наблюдения за природными процессами и явлениями и оставляют мало возможностей для проведения экспериментов. Что делает создание автоматизированного парника новаторским.
1.2 Понятие «фотосинтез»
Фотосинтез-биологический процесс, благодаря которому происходит образование органических веществ из углекислого газа и воды под действием света. В процессе фотосинтеза растения выделяют кислород, необходимый для жизни на нашей планете. [5]
В процессе фотосинтеза солнечная энергия преобразуется в химическую. Этот процесс можно изобразить в виде словесного уравнения : - углекислый газ + вода + солнце => глюкоза + кислород + вода.[5]
Растения используют световую энергию солнца и преобразуют ее в химическую энергию, для получения глюкозы, избыток которой хранится в виде крахмала в листьях, корнях, стеблях и семенах растения. Эти запасы нужны не только для жизненных процессов растения, но и питают животных, которые эти растения едят. (Приложение, Рисунок 1.2.1)
Листья растений имеют особые зеленые клетки - хлоропласты, которые содержат хлорофилл. Хлорофилл -пигмент растений, который придает листьям зеленый цвет и отвечает за поглощение энергии солнечного света. (Приложение, Рисунок 1.2.2)[6]
Процесс фотосинтеза происходит именно в листьях растения, чем шире лист, тем больше он сможет уловить солнечного света и тем больше поглотит углекислого газа и тем больше выделит кислорода.
Фотосинтез включает в себя две фазы-темновую и световую. (Приложение, Рисунок 1.2.3)
Протекают они одновременно, но в разных частях хлоропласта. Световая фаза происходит только при участии частиц света, а темновой фазе наличие света не требуется.
Световая фаза проходит так:
- Свет попадает на молекулу хлорофилла, поглощается зеленым пигментом, чем приводит его в возбужденное состояние. Электрон, который входит в эту молекулу переходит на более высокий уровень и берет участие в процессе синтеза.[5]
-Идет расщепление воды, во время которого протоны, под действием электронов преобразуются в атомы водорода, которые впоследствии расходуются на синтез углеводов.[5]
-На последнем этапе световой фазы фотосинтеза происходит синтез АТФ (Аденозинтрифосфат). АТФ представляет собой органическое вещество, играющее роль своего рода аккумулятора энергии в биологических процессах.[5]
При фотосинтезе энергия запасается в АТФ не для нужд клетки, а в основном для потребностей темновой фазы фотосинтеза.
При темновой фазе энергия солнца уже не нужна, так как эта фаза происходит в стромах хлоропластов. Именно в ее ходе происходит синтез глюкозы, а главное- выделение кислорода.[6]
Например, 1 гектар леса способен выделять до 200 кг кислорода и потреблять до 280 кг углекислого газа за один солнечный день.
Однако, растения, так как они живые не только выделяют кислород, поглащая углекислый газ, но и как любое живое существо дышать. При дыхании растеия так же поглощают кислород и выделяют углекислый газ. (Приложение, Рисунок 1.2.4). Оба процесса можно назвать газообменом.[6]
Освещенность достаточно сильно влияет на процесс газообмена у растений. При ярком свете растения выделяют больше кислорода, чем потребляют, благодаря чему избытки попадают в атмосферу, а неиспользованные углеводы запасаются растением впрок. Углекислый газ при этом потребляется больше, чем выделяется при дыхании растения. При тусклом свете газообмен с окружающей средой не происходит, поскольку весь кислород, который растение выработало, потребляется им самим. В темноте происходят только процессы дыхания. Углекислый газ выделяется, а кислород потребляется.[6]
Именно эти свойства заинтересовали нашу команду.
Основываясь на изученной информации мы собрали конструкцию автоматизированного парника, позволяющего проследить изменения в растениях, при этом создав условия для минимального ухода за ними.
Глава 2. Модель автоматизированного парника на базе конструктора LEGO WeDo 2.0.
2.1 Конструкция и функции модели автоматизированного парника на базе конструктора LEGO WeDo 2.0.
Автоматизированный парник, сконструированный нашей командой условно можно разделить на три части:
-резервуар для воды;
-платформа с боксами для растений, с механическими элементами;
-электронные компоненты набора WeDo 2.0.
Конструкция сделана таким образом, что бы вода и электрические приборы между собой не контактировали.
Автоматизированный парник на базе конструктора LEGO WeDo 2.0 включает в себя 2 мотора и два СмартХаба. (Приложение, Рисунок 2.1.1) Так же в конструкции используется датчик наклона, для управления механизмом парника. (Приложение, Рисунок 2.1.2)[1]
СмартХабы расположены на задней части модели, каждый из них отвечает за работу подключенного к нему мотора.
«Мотор1» и «СмартХаб1» проведеы к красному боксу, в котором растения находятся в полной темноте. Бокс открывается и закрывается при помощи червячной передачи. Управляется эта часть конструкции только с использованием программного обеспечения WeDo 2.0. (Приложение, Рисунок 2.1.3)
«Мотор 2» и «СмартХаб2» работают совместно с датчиком наклона, благодаря которому, зеленый бокс можно открывать и закрывать, без изменения программы. Открывается и закрывается крышка бокса так же при помощи червячной передачи, которая была выбрана за способность стабильно зафиксировать конструкцию в необходимом положении. (Приложение, Рисунок 2.1.4)[2]
Боксы разделены по цветам, для более удобного наблюдения за изменениями в растениях. [2]В зеленом боксе находится парник, свет поступает туда через прозрачные детали, однако его проникновение немного ограничено светонепроницаемыми деталями, второй бокс-красный. Он предназначен для помещения растения в полную темноту, и третий бокс-синий, в нем располагается растение, которое не подвергается искусственному изменению светового дня. (Приложение, Рисунок 2.1.5)
2.2 Управление автоматизированным парником при помощи программного обеспечения WeDo 2.0.
Программа каждого СмартХаба и мотора составлена таким образом, что бы каждым боксом можно было управлять по отдельности. (Приложение, Рисунок 2.2.1)
Работа «Мотор 2» начинается с нажатия клавиши «1», затем мотор меняет направление в зависимости от положения датчика наклона. (Приложение, Рисунок 2.2.2)
Работа «Мотор 1» начинается с блока «Начало». Данная программа предназначена для того, что бы растение в красном боксе нельзя было открыть самостоятельно. Положение крышки бокса и направление движения мотора зависит от времени, указанного в программе. (Приложение, Рисунок 2.2.3)
Данную программу можно редактировать благодаря блокам работы с экраном. (Приложение, Рисунок 2.2.4) Время, когда бокс будет открыт или закрыт можно регулировать клавишами «Вверх» и «Вниз». [3]
Между собой СмартХабы информацию не передают и работают автономно.
2.3 Демонстрация возможностей автоматизированного парника на базе конструктора LEGO WeDo 2.0 на примере его недельного использования в качестве научного пособия для школьников.
Для демонстрации возможностей автоматизированного парника наша команда высадила три луковицы одного сорта до появления в ней первых зеленых листочков. Луковица была выбрана за то, что она быстро растет и неприхотлива.
Затем каждая луковица была помещена в боксы: синий, зеленый и красный. К каждому боксу были протянуты жгуты, сделанные из бинтов, от резервуара с водой. Они должны равномерно проводить воду к почве, не подвергая электрические приборы в конструкции опасности. (Приложение, Рисунок 2.3.1)
Луковица в синем боксе после пересадки не подвергалась никаким искусственно созданным воздействиям. (Приложение, Рисунок 2.3.2)
Луковица в красном боксе была лишена света. Открываться она могла только по ночам. (Приложение, Рисунок 2.3.3)
Луковица в зеленом боксе была помещена в условия с ограниченным светом. (Приложение, Рисунок 2.3.4)
Наша команда зарисовала три этапа эксперимента:
1 этап-луковицы до посадки.
2 этап-луковицы с пророщенной зеленью.
3 этап- луковицы находящиеся на протяжении двух недель в условиях созданных парником. (Приложение, Рисунок 2.3.5)
Воды в автоматизированном парнике хватает на неделю. Еженедельно члены команды меняли воду, что бы луковицы получали достаточно влаги, других действий по уходу за растениями никто не совершал.
По итогам эксперимента, наша команда заметила, что стрелки лука, находящегося без света-побелели, так как в нем не происходил процесс фотосинтеза. У стрелок не было возможности получать достаточно солнечной энергии. Лук, выращенный в зеленом боксе по цвету не отличался от лука, выращенного в синем. Однако лук в зеленом боксе был немного длиннее.
Эти данные говорят о том, что эксперимент, проводящийся при помощи автоматизированого парника дает видимые результаты при минимальных затратах времени для тех, кто его проводит.
Данная модель была представлена перед преподавателями и учениками школы интеллектуального развития «Мистер Брейн». (Приложение, Рисунок 2.3.6)
Заключение
На сегодняшний день из-за большой популярности дистанционного образования дети теряют возможности и интерес к применению получаемых знаний на практике. Это чревато тем, что создать что-то новое, понять суть предмета, процесса или явления им будет труднее.
Наша команда решила возобновить связь теории и практики и создать модель, позволяющую ставить эксперименты и изучать природный процесс-фотосинтез используя современные технологии.
На сегодняшний день, в мире существует множество приспособлений и гаджетов, упрощающих уход за домашними растениями, однако они не предназначены для проведения экспериментов.
Процесс фотосинтеза-один из важнейших и интереснейших в нашем мире. Благодаря растениям и фотосинтезу у нас есть кислород, которым мы дышим и пища. Так же в процессе фотосинтеза есть множество интересных нюансов, которые эффективнее изучать на практике, чем по фото или видео.
Мы создали модель позволяющую проследить работу хлоропластов и влияние света на фотосинтез растений и убедились в эффективности и простоте ее использования.
После создания модели и написания программы, членам команды, ставящим эксперимент над растениями, необходимо было лишь раз в неделю обновлять воду, попадающую в почву и зарисовывать результаты. Это сделало уход за растениями минимальным, однако за результатами нам удалось успешно проследить и убедиться в необходимости солнечной энергии для фотосинтеза.
Данная модель может быть представлена и использована на уроках природоведения, биологии, робототехники и информатики.
Список использованной литературы:
1. Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn;
2. «LEGOудивительные творения»; Сара Дис [пер. с англ. М. Карманова].- Эксмодетство, 2020 г.
3. «LEGO Гаджеты. Полный гид по строительству необычных механизмов»; [пер. с англ. Позина И. В., ред. Волченко Ю. С.].- Эксмодетство, 2019 г.
Интернет-источники:
4. https://www.novochag.ru;
5. https://rosuchebnik.ru;
6. https://www.poznavayka.org;
7. https://infourok.ru
Приложение
|
Рисунок 1.1.1 |
Рисунок 1.1.2 |
|
Рисунок 1.1.3 |
Рисунок 1.1.4 |
|
Рисунок 1.1.5 |
Рисунок 1.1.6 |
|
Рисунок 1.1.7 |
Рисунок 1.1.8 |
|
Рисунок 1.2.1 |
Рисунок 1.2.2 |
|
Рисунок 1.2.3 |
Рисунок 1.2.4 |
|
Рисунок 2.1.1 |
Рисунок 2.1.2 |
|
Рисунок 2.1.3 |
Рисунок 2.1.4 |
|
Рисунок 2.1.5 |
Рисунок 2.2.1 |
|
Рисунок 2.2.2 |
Рисунок 2.2.3 |
|
Рисунок 2.2.4 |
Рисунок 2.3.1 |
|
Рисунок 2.3.2 |
Рисунок 2.3.3 |
|
Рисунок 2.3.4 |
Рисунок 2.3.5 |
|
Рисунок 2.3.6 |
|