15 Nov Fröhliche Pflanzen – Automatisches Bewässerungssystem mit micro:bit
Fröhliche Pflanzen – Automatisches Bewässerungssystem mit micro:bit
Pflanzen sind für unser Ökosystem unverzichtbar. Wir recherchieren zur Rolle von Pflanzen im Ökosystem und programmieren mit dem Mikrocontroller mirco:bit eine automatische Bewässerungsanlage mit Feuchtigkeitsmesser und Wasserpumpe.
Dieses Projekt bezieht sich auf das globale Nachhaltigkeitsziel 13 (Maßnahmen zum Klimaschutz).
Für die Umsetzung des Projektes werden keine Vorkenntnisse benötigt.
Klasse: 5–8
Niveau: Fortgeschritten
Fach: Biologie
Dauer: 4 x 45 Minuten
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Kompetenzen
Die Schüler:innen können:
- die Bedeutsamkeit von Pflanzen für die Umwelt erläutern.
- eine Lösungsidee mit Hilfe eines digitalen Werkzeuges entwickeln.
- einfache Probleme mit dem micro:bit lösen.
- Schritte für ein Programm festlegen.
- eine Bewässerungsanlage mit der visuellen Programmiersprache MakeCode und dem Mikrocontroller micro:bit kreieren.
Material
- Tablet oder Computer
- Internetzugang
- Beamer/ interaktives Whiteboard
- Mikrocontroller micro:bit
- Bonsai buckaroo (Erweiterung für den mirco:bit)
- Wasserpumpe
- Wasserbehältnis
- Schlauch (recycelt oder aus dem Baumarkt)
- 2 große Schrauben oder Nägel (zur Messung der Feuchtigkeit in der Erde)
- 5 kleine Schrauben (zum Fixieren der Platinen)
- Schraubendreher
- 2 Krokodilklemmen
- kleine Zimmerpflanzen im Topf
- Arbeitsblatt: Pflanzenpass (PDF)
- Informationsblatt: Pflanzen und Ökosysteme (PDF)
- Lernkarten: Fröhliche Pflanzen (PDF)
Ablauf
1. Pflanzen, Ökosysteme und Klimawandel
- Dauer: 45 Minuten
- Ziel: Beantwortung der Fragen: Warum sind Pflanzen wichtig? Was würde sich ändern, wenn es keine Pflanzen mehr gäbe?
2. Pflanzenpass
- Dauer: 45 Minuten
- Ziel: Erstellung eines Pflanzenpasses
3. Automatische Bewässerungsanlage programmieren
- Dauer: 90 Minuten
- Ziel: Programmierung des Feuchtigkeitsmessers und der Wasserpumpe
1. Pflanzen, Ökosysteme und Klimawandel
Vorbereitung (pro 2er Team)
- Computer, Tablet mit Internetzugang
- Informationsblatt (PDF) ausdrucken
Um Papier zu sparen, kann das Informationsblatt auch online aufgerufen werden. Erstelle hierfür am besten einen QR-Code.
Ablauf
Einführung (ca. 10 Minuten)
- Kurzüberblick über das ganze Projekt: Erster Teil – Pflanzen und Ökosysteme. Zweiter Teil – Programmierung einer automatischen Bewässerungsanlage mit Hilfe des Mikrocontroller mirco:bit, der Erweiterung Bonsai Buckaroo und einer Wasserpumpe.
Für den Kurzüberblick eignet sich das Projektvideo oder ein selbstgebauter Prototyp. Bei der Live-Vorführung achte darauf, dass die Erde der Pflanze trocken genug ist.
Arbeitsphase (ca. 60 Minuten)
- Vorstellung des Ziel der heutigen Stunde: Beantwortung der Fragen: Warum sind Pflanzen wichtig? Was würde sich ändern, wenn es keine Pflanzen mehr gäbe?
- Teile die Klasse in 4er Gruppen ein und nutze die Placemat-Methode, um das Vorwissen der Schüler:innen zu aktivieren. In der Mitte des Placements, kannst du die Frage “Warum sind Pflanzen so wichtig?” schreiben. Gib den Schüler:innen folgende Aufgabe:
Findet euch in 4er Gruppen zusammen und nehmt euch eins der vorbereiteten Plakate. Notiert zunächst in Einzelarbeit eure Gedanken zu der Frage in einer Ecke. Tauscht euch anschließend dazu aus. Hierfür habt ihr 15 Minuten Zeit.
Alternativ kannst du auch im Klassenverband brainstormen. Hierfür kannst du z.B. das kollaborative Brainstormingtool coogle.it verwernden.
Arbeitsphase (ca. 35 Minuten)
- Die Schüler:innen arbeiten in 4er Gruppen an der Aufgabenstellung.
- Sammle die Ergebnisse aus der Gruppenarbeit im Klassenverband.
- Erkläre den Schüler:innen die Bedeutung von Pflanzen für das Ökosystem. Gute Informationen dazu findest du z.B. auf der Webseite Pflanzenforschung vom Bundesministerium für Bildung und Forschung.
Bei genügend Zeit, kannst du die Schülerinnen oder Schüler auch selbständig eine Recherche zum Thema Pflanzen im Ökosystem durchführen lassen.
Präsentation (ca. 5 Minuten)
- Gib einen Ausblick auf die nächste Einheit, in der sich die Schüler:innen näher mit den Eigenschaften von Pflanzen befassen. Verteile außerdem die Hausaufgabe.
Hausaufgabe
- Für die nächste Unterrichtsstunde sollen die Schüler:innen eine Zimmerpflanze (pro 2er Team) mitbringen.
2. Pflanzenpass
Vorbereitung (pro 2er Team)
- Computer oder Tablet mit Internetzugang
- ggf. App Flora Incognita (iOS/Android)
- Zimmerpflanze im Topf
- Arbeitsblatt – Pflanzenpass (PDF) ausdrucken
Ablauf
Einführung (ca. 10 Minuten)
- Vorstellung des Ziel der heutigen Stunde: Erstellung eines Pflanzenpasses.
- Verteile das Arbeitsblatt – Pflanzenpass und gebe den Schüler:innen folgende Aufgabe
Bestimmt in 2er Teams eure Pflanze und beantwortet die Fragen auf dem Arbeitsblatt, indem ihr die Informationen recheriert. Ihr habt 30 Minuten Zeit.
Flora Incognita ist eine kostenfreie App, die vom Bundesumweltministerium mitentwickelt wurde und Pflanzen erkennt sowie viele Informationen zu diesen liefert. Falls du die App nicht installiert hast, kannst du auch Webseiten, wie z.B. planzenbestimmung.info verwenden.
Arbeitsphase (ca. 30 Minuten)
- Die Schüler:innen setzten sich in 2er Teams selbstständig mit ihrer Pflanze auseinander und füllen das Arbeitsblatt aus.
Abschluss / Rückfragen (ca. 5 Minuten)
- Gib einen Ausblick auf die nächste Einheit, in der der Mirkocontroller mirco:bit programmiert wird.
3. Automatische Bewässerungsanlage programmieren
Vorbereitung (pro 2er Team)
- Computer, Tablet oder Smartphone mit Internetzugang
- mirco:bit
- Bonsai buckaroo
- 2 Schrauben
- 2 Krokodilklemmen
- Wasserpumpe
- 5 kleine Schrauben
- Schraubendreher
- Schlauch (recycelt oder aus dem Baumarkt)
- Wasserbehältnis
- Zimmerpflanze
- Lernkarten – Fröhliche Pflanzen
Um Papier zu sparen, können die Lernkarten auch online aufgerufen werden oder per Beamer an die Wand geworfen werden.
Ablauf
Einführung I (ca. 20 Minuten)
- Vorstellung des Ziel der heutigen Stunde: Programmierung eines Feuchtigkeitsmessers und einer Wasserpumpe für eine automatische Bewässerungsanlage.
- Erkläre den Schüler:innen wie die Kombination von Wasser und Nährstoffen dem Boden eine gewisse Leitfähigkeit verleiht.
Der Boden selbst hat einen gewissen elektrischen Widerstand, der von der Menge an Wasser und Nährstoffen abhängt. Er wirkt wie ein variabler Widerstand in einer elektronischen Schaltung. Je mehr Wasser in Kombination mit den Nährstoffen vorhanden ist, desto geringer ist der elektrische Widerstand des Bodens.
- Zeige den Schüler:innen folgende neue Befehle und Funktionen:
- Variablen definieren und nutzen
- Auslesen der Messergebnisse
- Anschluss Krokodilklemme 1 (Pin 1)
- Anschluss Krokodilklemme 2 (Pin 3V)
Die Messergebnisse von Pin 1 liegen zwischen 0 (sehr trocken) und 1023 (sehr feucht).
- Verteile die Lernkarten – Fröhliche Pflanzen und gib den Schüler:innen folgende Aufgabe:
1. Programmiert mit Hilfe der Lernkarten in 2er Teams den Feuchtigkeitsmesser, testet diesen und lasst euch die Ergebnisse als Balken (Säulen) anzeigen auf dem LED-Display anzeigen.
2. Steckt in jeden Blumentopf zwei Schrauben und verbindet diese mit jeweils einer Krokodilklemme. Verbindet eine Krokodilklemme mit Pin 1 (mirco:bit) und die andere Krokodilklemme mit Pin 3V (mirco:bit). Zeigt das Display vom mirco:bit etwas an?
Im trockenen Topf sollten die LED’s aus sein, da trockene Erde nicht leitet. Im feuchten Topf sollten die LED’s an sein, da der Stromkreis geschlossen ist.
Arbeitsphase I (ca. 30 Minuten)
- Die Schüler:innen arbeiten in 2er Teams selbstständig die Lernkarten durch und programmieren den Feuchtigkeitsmesser.
Einführung II (ca. 10 Minuten)
- Zeige den Schüler:innen folgende neue Befehle und Funktionen:
- Logik: Wenn-Dann-Bedingung
- Logik: Vergleich (A < B)
- Anschluss Bonsai Buckaroo
Erklärung Bonsai Buckaroo:
Der Bonsai Buckaroo ist eine Erweiterung des micro:bits, um den Motor der Wasserpumpe zu steuern. Er wird an Pin “3V” (mirco:bit) mit 5 kleinen Schrauben befestigt.
- Gib den Schüler:innen folgende Aufgabe:
Programmiert mit Hilfe der Lernkarten in 2er Teams die Wasserpumpe so, dass sie bei einem Messwert unter 500 anspringt. Schließt anschließend den Bonsai Buckaroo an und teste mit einem Wassergefäß eure Bewässerungsanlage. Hierfür habt ihr 30 Minuten Zeit.
Erklärung Bewässerung:
Falls der Wert unter 500 liegt, es also zu trocken ist, wird der Wert von Pin 2 auf 1 (on) gesetzt. Dadurch wird die Pumpe eingeschaltet. Kurz darauf ändert sich der Wert von Pin 2 auf 0 (off). Die Pumpe wird wieder ausgeschaltet. Die Bodenfeuchtigkeit ändert sich sehr langsam, sodass sie nicht ständig gemessen werden muss. Damit dieser Vorgang nicht hundert bis tausend Mal pro Sekunde durchgeführt wird, kann der Vorgang durch ein Pausieren verzögert werden.
Stecke für deine Schüler:innen die Wasserpumpe und den Schlauch mit dem Bonsai Buckaroo bereits vor der Unterrichtseinheit zusammen, da der Verbindungsstecker am Bonsai Buckaroo sehr fragil ist und leicht kaputt gehen kann. Das ist zwar nicht schlimm, da durch löten die Verbindung wieder hergestellt werden kann, aber spart etwas Zeit in der Unterrichtseinheit.
Arbeitsphase II (ca. 20 Minuten)
- Die Schüler:innen arbeiten in 2er Teams selbstständig die Lernkarten durch, bauen die Bewässerungsanlage und testen diese.
Abschluss / Rückfragen (ca. 10 Minuten)
- Ermögliche den Schüler:innen Feedback zum gesamten Projekt zu geben.
Hinweis
- Vorsicht mit Wasser und Computer, nach der Programmierung am besten den micro:bit mit dem Batteriehalter verbinden und den Computer etwas weiter weg stellen von dem Versuchsaufbau.