XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Демонстрационное пособие по биологии «Автоматизированный полив растений» на базе конструктора Mindstorms EV3

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Черногривов И.Д. 1Саламатов А.И. 1Двинский А.А. 1Уляков М.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Будрёнкина А.В. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Работа в формате PDF

1.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В современном мире все чаще можно увидеть роботов, выполняющих работу за человека: робот-пылесос, робот-мойщик окон, робот-курьер, роботизированный полив цветов, робот-дозатор и многие другие. Такие устройства упрощают быт, экономят время и делают жизнь человека гораздо проще.

Мы, как учащиеся класса робототехники, считаем изучение роботов и роботизированных систем актуальным, так как в недолгом будущем сложная техника будет использоваться повсеместно.

Мы увидели проблему в том, что технологии прочно вошли в нашу жизнь, однако их потенциал не используется для повышения эффективности школьного образования. Роботизированные системы можно интегрировать в различные школьные предметы, для облегчения понимания физических и природных явлений и более близкого знакомства детей с современной техникой.

В связи с этим мы поставили перед собой цель-создание гаджета позволяющего интегрировать робототехнику в школьный предмет, для достижения большей эффективности его изучения.

Для этого мы решили продемонстрировать упрощенно принцип действия популярного сегодня роботизированного гаджета. Наш выбор пал на автоматизированный полив для растений, так как он демонстрирует синергию робототехники и биологии-машина ухаживает за растением.

Благодаря этому мы определили основные задачи:

-изучить существующие виды автоматизированных поливов для растений;

-рассмотреть возможности применения роботизированных демонстрационных пособий в рамках межпредметной интеграции в общеобразовательной школе;

-создать демонстрационное пособие по биологии «Автоматизированный полив растений» на базе конструктора Mindstorms EV3;

-презентовать возможности демонстрационного пособия по биологии «Автоматизированный полив растений» на базе конструктора Mindstorms EV3 на примере одного запуска;

-проанализировать эффективность использования демонстрационного пособия по биологии «Автоматизированный полив растений» на базе конструктора Mindstorms EV3 при помощи опроса учащихся класса робототехники.

При подготовке данного проекта мы пользовались следующими источниками:

- Йошохито Йocoгава, Книга идей LEGO MINDSTORMS EV3;

-Курс «Машины и механизмы», ШИР«Мистер Брейни»;

- Lego удивительные творения;

-интернет-журнал ЯRobot; https://ya-r.ru/;

-интернет журнал «Строй подсказка»; https://stroy-podskazka.ru/;

-международный педагогический портал «Соленчный свет». https://solncesvet.ru/

Глава 1.Теоретическое обоснование создания демонстрационного пособия по биологии «Автоматизированный полив растений» на базе конструктора Mindstorms EV3

1. 1. Современные виды автоматизированных поливов для растений

Современные системы автоматизированных поливов для растений позволяют на расстоянии поддерживать необходимый уровень влажности почвы у домашних растений. Так же эти гаджеты позволяют экономно расходовать воду и грамотно планировать объем и время полива, для того что бы растение не пересыхало и не получало чрезмерное количество воды.

Одной из популярных сегодня систем является кашпо с автополивом. Оно представляет собой особый контейнер оснащенный автоматической системой подачи воды и состоит из нескольких элементов: корпус горшка, сосуд для воды, блок поставки воды, сенсор влажности почвы, микроконтроллер определяющий необходимость полива, настраиваемый таймер, источник питания, насос.

Когда уровень влажности почвы опускается ниже заданного порога, который измеряет сенсор влажности, активируется насос и капельно доставляет воду к корням растения в необходимом количестве. (Приложение, Рисунок 1.1.1) [5]

Резервуар для воды обычно находится в нижней части кашпо и в зависимости от модели и растения, которое планируется в него посадить резервуар, или сосуд для воды может иметь различный объем. (Приложение, Рисунок 1.1.2)

В случаях когда растений в доме много, то часто используются микрокапельные устройства, они представляют собой небольшой насос с таймером и несколькими трубками по которым вода доставляется в горшки с растениями. Вода к таким устройствам может подаваться напрямую из водопровода или из резервуара с водой. (Приложение, Рисунок 1.1.3) [4]

Часто встречающимся гаджетом для автоматизированного полива является EasyGrow. Данная система является чем-то средним междукапельным микрополивом и автоматизированным керамическим конусом. Данный прибор рассчитан на работу с 4 и более растениями, и представляет из себя резервуара в виде бутылки любого объема, откуда вода откачивается при помощи насоса на батарейках, без подключения в розетку. Микросхема делает процедуру полностью автоматизированной, выставляя точное время орошения.(приложение, Рисунок 1.1.4) [4]

Все перечисленные системы могут, продолжительное время, заботится о растениях, контролировать уровень влаги при помощи таймера или сенсоров и обеспечивают необходимый доступ растений к воде.

1. 2. Возможности применения роботизированных демонстрационных пособий в рамках межпредметной интеграции в общеобразовательной школе

В современных школах часто можно встретить различную технику, которая облегчает образовательный процесс.

Одним из популярных видов техники в современной школе является интерактивная доска. (Приложение, Рисунок 1.2.1)

Интерактивные доски способны демонстрировать видео, слайд-шоу. Очень полезны они на уроках химии, так как благодаря им можно демонстрировать видео с опасными экспериментами, на уроках географии можно выводить изображение карты имея возможность приблизить картинку, что очень облегчает жизнь ученикам со слабым зрением. В рамках одного предмета данный прибор очень полезен. [4]

Почти в каждом классе сегодня можно встретить компьютерную технику: моноблоки, планшеты, ноутбуки. (Приложение, Рисунок 1.2.2) [4]

Данная техника позволяет учителям комфортнее вести документацию, позволяет сделать уроки более наглядными, так как учитель может создать презентацию, музыкальное сопровождение или слайд-шоу для лучшего усвоения материала учениками. Так же компьютерная техника позволяет давать детям дополнительные задания, быстро и удобно рассылать задания при помощи мессенджеров или электронной почты. Однако, этот вид техники в основном нужен для облегчения учительского труда.

Наглядные пособия, по которым учатся школьники: карты, таблицы, схемы все еще можно увидеть в распечатанном виде в классах. Однако и печатные издания и современная техника рассчитаны в основном на изучение определенного предмета.

Интеграция-это связь между отдельными школьными предметами, которая позволяет их систематизировать и получать более полную информацию о предметах или явлениях. [6] Особенностью такого урока является то, что он строится на базе какого-то одного предмета а другие его дополняют, позволяя шире изучить рассматриваемые связи, явления, предметы, процессы. Это позволяет ученикам видеть окружающий мир более целостным. [6]

Так как мы видим, что последние годы школы все чаще стали прибегать к современным технологиям, то считаем использование роботизированных систем, роботов и умных гаджетов на уроках лишь вопрос времени. Зная множество возможностей робототехники, считаем, что с ее помощью можно дополнить любой школьный предмет.

Интеграция робототехники в школьные предметы позволит учащимся не пассивно овладевать знаниями, а в рамках познавательной самостоятельной деятельности каждого учащегося, так как каждый будет имеет возможность проявить себя в той области, которая ему ближе и каждый сможет применить на практике полученные знания. [6]

Для того что бы узнать о возможностях применения роботизированных систем в школах в качестве демонстрационного пособия по биологии мы провели опрос среди преподавателей биологии и робототехники, по результатам которого, сделали вывод, что данные предметы могут друг друга дополнять. Опрос вы можете увидеть ниже.

Всего опрос прошло 8 педагогов.

Интерпретировали ответы мы следующим образом:

Да-1 балл.

Нет-0 баллов.

Если опрашиваемый набирал 4-5 баллов, то значит межпредметная интеграция и использование роботизированных систем на роках биологии может быть использовано и будет полезно.

0-3 значит что существующих досок, учебников и распечаток достаточно для донесения полной информации учащимся о изучаемых предметах и явлениях, современные технологии будут лишними.

Все опрашиваемые набрали в среднем 4-5 баллов, что позволяет нам сделать вывод о том, что использование роботизированных систем на уроках биологии будет полезно.

Глава 2. Модель демонстрационного пособия по биологии «Автоматизированный полив растений» на базе конструктора Mindstorms EV3

2.1 Конструкция модели демонстрационного пособия по биологии «Автоматизированный полив растений» на базе конструктора Mindstorms EV3

В нашей модели мы решили продемонстрировать, как можно объединить биологию и робототехнику. Для этого мы выбрали тему «питание растений».

С помощью нашей модели мы продемонстрируем, как питаются автотрофные растения.

Мы взяли за основу комплект LEGO MINDSTORMS EV3. Этот набор очень прост в использование и легко программируется.

Конструкция модели включает в себя модуль EV3, два больших мотора, ультразвуковой датчик и датчик цвета. (Приложение, Рисунок 2.1.1)

Большой мотор 1 отвечает за движение оси вращения у модели цветка. Цветок имеет два цвета, желтый-цветок в нормальном состоянии, коричневый-цветку недостаточно питательных веществ. Датчик цвета, расположенный над растением работает в режиме измерения цвета и сигнализирует об изменении состояния растения. (Приложение, Рисунок 2.1.2) [2]

Большой мотор 2 отвечает за изображение движения воды, находящейся в сосуде, которое происходит благодаря лебедке и закрепленному шкиву. (Приложение, Рисунок 2.1.3)

Ультразвуковой датчик работает в режиме сравнение, расстояние в сантиметрах и сигнализирует при изменении количества воды. (Приложение, Рисунок 2.1.4) [1]

2.2 Управление демонстрационным пособием по биологии «Автоматизированный полив растений» на базе конструктора Mindstorms EV3

Для нашей модели мы использовали программное обеспечение LEGO Mindstorms Education EV3. Программа предназначена для последовательной взаимосвязи моторов и используемых датчиков.

Основа программы-переключатель, помещенный в циклический блок. Входной параметр переключателя-цвет. Мы рассматриваем два варианта цвета-желтый и коричневый, вариант по умолчанию –«нет цвета». В зависимости от сигналов датчиков мы задаем движение моторам и звуковые и световые сигналы сообщающие операторам о состоянии механического растения. (Приложение, Рисунок 2.2.1)

2.3 Презентация возможностей демонстрационного пособия по биологии «Автоматизированный полив растений» на базе конструктора Mindstorms EV3 на примере одного запуска

При запуске модели демонстрационного пособия по биологии «Автоматизированный полив растений» на базе конструктора Mindstorms EV3 начинает вращаться цветок, до тех пор, пока датчик цвета не отреагирует на изменения в цветке. Цветок разделён пополам, одна полвина-желтая демонстрирующая здоровое растение, вторая половина-коричневая, она показывает увядающий цветок.

Так как мы говорим о питании автотрофных растений, которые получают питательные вещества всасывая воду с растворенными минералами из почвы с помощью тонких корневых волосков, то внешние изменения говорят о недостатке почвенного питания.

Датчик цвета подает сигнал второму мотору, который изображает подачу воды к цветку. Ультразвуковой датчик следит за количеством воды в сосуде, и подает сигнал владельцу растения, говорящий о том, что сосуд необходимо пополнить. (Приложение, Рисунок 2.3.1)

Заключение

В современном мире все чаще можно увидеть роботов, выполняющих работу за человека с целью упростить быт и сэкономить время. Однако мы увидели проблему в том, что технологии прочно вошедшие в нашу жизнь хоть и делают ее проще и удобнее, не используются для повышения эффективности школьного образования. Роботизированные системы можно интегрировать в различные школьные предметы, для облегчения понимания физических и природных явлений и более близкого знакомства детей с современной техникой.

В связи с этим мы решили создать собственный гаджет, позволяющий интегрировать робототехнику в биологию, для достижения большей эффективности ее изучения. За основу мы взяли автоматизированный полив для растений, так как он демонстрирует синергию робототехники и биологии-машина ухаживает за растением, а так же позволяет изучить питание растений автотрофов.

В ходе исследования мы рассмотрели существующие сегодня гаджеты для полива растений и принцип их работы. Так же мы изучили современную технику, которой обеспечены многие школы сегодня, провели опрос и определили, что использование роботизированных систем на уроках биологии, а именно создание демонстрационного пособия по биологии «Автоматизированный полив растений» на базе конструктора Mindstorms EV3 имеет несколько преимуществ.

Во-первых использование роботизированной системы делает обучение более наглядным, во-вторых дети познакомятся не только с процессом питания растений, но и увидят как сегодня применяются системы полива, что даст более полную информацию об уходе за растениями автотрофами, а так же дети поймут принцип работы роботизированных систем позволяющих обеспечивать благополучные условия для растений.

Исходя из вышеперечисленного мы можем сделать вывод, что демонстрационное пособие по биологии «Автоматизированный полив растений» на базе конструктора Mindstorms EV3 может быть эффективным современным гаджетом используемым для создания большей наглядности на уроках биологии.

Данная модель может быть использована на уроках информатики и робототехники, а так же может совершенствоваться за счет использования дополнительных механизмов.

Список литературы

1. Йошохито Йocoгава, Книга идей LEGO MINDSTORMS EV3: 181 удивительный механизм и устройство; [пер. с англ. О.В.Обручева]. – Москва, Издательство «Э», 2017. - 232 с

2. Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn;

3.«LEGOудивительные творения»; Сара Дис [пер. с англ. М. Карманова].- Эксмодетство, 2020 г.

Интернет источники:

4. https://ya-r.ru/;

5. https://stroy-podskazka.ru/;

6. https://solncesvet.ru/

Приложение