Vídeo |
Nivell educatiu1r ESO, 4t ESO CentreInstitut Salvador Vilaseca – Reus Docent responsableAgustí Escuredo Prada Altres docents implicatsMontserrat Magrané Cots |
Competències bàsiques
Competència científica
Emocionar-se amb la ciència, amb la seva metodologia per generar explicacions sobre els objectes i fenòmens del món, amb la bellesa d’aquestes explicacions i amb les seves aplicacions quan s’utilitza de manera responsable.
Competència comunicativa lingüística i audiovisual
Les ciències de la naturalesa contribueixen a aquesta competència aportant el coneixement del llenguatge de la ciència, que és indissociable al del propi coneixement científic. Aquest llenguatge es concreta en maneres específiques de descriure els fets i fenòmens, d’explicar-los i exposar-los, de justificar-los i argumentar-los, i de definir-los. Així mateix, la complexitat dels fets i fenòmens objecte d’estudi requereix la col·laboració d’altres llenguatges comunicatius com per exemple el multimèdia. L’aprenentatge es construeix a partir de la interacció entre aquests diferents llenguatges.
Competència en el coneixement i la interacció amb el món físic
Les ciències de la natura representen una disciplina integrada en el medi físic. L’alumne ha de saber trobar el nexe d’unió entre el món físic que el rodeja i la naturalesa, expressada en la biocenosi i fenòmens naturals que configuren el planeta Terra.
Competència artística i cultural
La ciència, vista com a conjunt de models i teories, de processos i de valors construïts per homes i dones al llarg dels segles, és una forma de cultura bàsica en el context actual. Més enllà de les seves aplicacions, l’aprenentatge de la ciència possibilita accedir a formes d’explicar, de raonar, de valorar i d’actuar sovint diferents de les del sentit comú. L’apropiació d’aquest tipus de cultura necessita del desenvolupament de la imaginació i de la creativitat, aspectes que es comparteixen amb la competència artística, i constitueix una font de plaer que és important que els nois i les noies descobreixin.
Competència d’aprendre a aprendre
Les persones generen en el context quotidià idees per interpretar el món, idees que cal aprendre a canviar per apropiar-se de la cultura científica. Per aprendre ciències, a l’escola i al llarg de tota la vida, cal ser capaç de reconèixer les limitacions de les pròpies idees i de fer-les evolucionar a partir d’observar el món amb nous ulls i de contrastar-les amb les dels altres. Això comporta ser capaç de fer-se preguntes sobre el que succeeix en el seu entorn, d’imaginar respostes, d’autoregular-les, de treballar en equip, de no desanimar-se davant de les dificultats, de reconèixer les pròpies potencialitats i carències i, molt especialment, de reconèixer el plaer d’aprendre i de compartir el saber amb els altres.
Competència d’autonomia, iniciativa personal i emprenedoria
Tant la ciència com el seu aprenentatge són el resultat d’un procés d’evolució constant. La competència científica comporta ser capaç de plantejar-se proble- mes rellevants i de donar-hi respostes sovint provisionals i sotmeses a l’autocrítica. Necessita posar en pràctica un pensament divergent i creatiu, assumir que l’error forma part de l’aprenentatge i mantenir l’autoestima davant de les dificultats. Al mateix temps, es posa en acció en el marc de projectes de treball sovint col·lectius que comporten tenir iniciatives, organitzar-se de manera efectiva, negociar i prendre decisions, etc. Tots aquests aspectes, junt amb d’altres, contribueixen al desenvolupament de l’autonomia de l’alumnat
Àmbits, dimensions i continguts
Àmbit | Nivell | Dimensió | Continguts |
CC Naturals | 1r ESO | La Terra i els seus embolcalls |
|
Tecnologia | 4t d’ESO | Electrònica |
|
Control i automatització |
|
||
Visual i Plàstica | 4t d’ESO | Explorar i percebre |
|
Interpretar i crear |
|
||
Social i cultural |
|
Descripció de l’experiència
Fases del cicle de l’aigua a desenvolupar en el pòster
- SOL (Astre Sol)
- Radiació solar incident ( energia , fletxes grogues amb seqüència ràpida)
- Albedo, radiació reflectida ( energia en color vermell, fletxa vermella en seqüència ràpida)
- Evaporació líquid-gas ( fletxa grossa blava seqüència ascendent amb canvi de color progressiu de blau cap a blanc)
- Evapotranspiració líquid-gas (fletxa grossa verda seqüència ascendent)
- Condensació , gas ( són núvols, punts blancs intermitents)
- Precipitació gas- líquid / gas-sòlid ( pluja i neu, punts blancs (neu) i punts blaus (pluja) amb sensació de moviment de caiguda)
- Escolament superficial: rius , rieres, barrancs (fletxes roses amb seqüència ràpida)
- Infiltració i percolació: formen aigües subterrànies (fletxes de llum verda intermitent)
- Aqüífer : aigües subterrànies captives ( llums soltes amb pampallugues lentes color blau clar)
- Oceà. llumetes pampallugues color blau fosc baixa intensitat
- Transport. (fletxa grossa blanca seqüència progressiva de dreta a esquerra)
- Límit aigua dolça/ aigua marina ( línia de llum tenue de color verd clar)
Efectes de la llum:
Jugarem amb els següent efectes:
- Intensitat de llum
- Velocitat de pampallugueix
- Intensitat de color
- Seqüència d’encesa i apagada dels leds per donar sensació de moviment
- Color
Visual i plàstica
Descripció de la tècnica emprada
El mural ha estat realitzat amb pintura acrílica sobre tela.
La pintura acrílica és una de les més recomanades per iniciar-se al món de la pintura per diverses raons: el seu ús és molt senzill, és soluble en aigua i per tant, s’evita l’ús de dissolvents.
Els acrílics contenen un material plastificat (polímer acrílic, derivat del làtex) que ho converteix en un pintura d’assecat molt ràpid. En assecar es modifica lleugerament el to, més que en la pintura a l’oli.
La tècnica emprada
- Esbós previ.
- Abocar pintura sobre la paleta de mescles (de superfície plàstica no porosa per poder netejar-ho amb facilitat). La pintura acrílica es barreja molt bé amb altres colors per crear nous tons. Les combinacions s’han realitzat en la paleta i no sobre el suport (com en altres tècniques).
- Al tenir la tonalitat volguda, s’ha pintat directament per zones. Per pintar, s’ha humitejat lleugerament el pinzell en aigua i s’ha escampat directament la pintura realitzant una primera capa.
- Per acabats definitius, s’ha utilitzat pintura sense modificar, tal com ve en el tub o pot.
- L’acrílic accepta diverses capes, per tant, ha calgut fer alguna correcció aplicant veladures sobre superfície ja pintada, per això ha calgut deixar-ho assecar i pintar damunt.
- En els treballs amb la tècnica de l’acrílic no és imprescindible fixador de cap tipus, encara que és recomanable aplicar un vernís de protecció, la qual cosa hem fet mitjançant làtex aclarit, per garantir una major durada de l’obra al llarg del temps.
Elaboració de l’esbós i primeres traces
Alumnes creant l’obra
Electrònica: part descriptiva
El currículum de l’optativa de tecnologia de 4t d’ESO inclou la robòtica. Els alumnes d’aquesta optativa treballen aquest tema mitjançant el microcontrolador Arduino. Aquest projecte els permet portar a la pràctica una aplicació real d’aquest microcontrolador. A més de la pròpia programació del microcontrolador, els alumnes es troben amb els problemes reals de disseny de tot el sistema electrònic així com el muntatge dels elements de control (interruptors i polsadors). Una bona part del temps s’ha hagut de dedicar també a la construcció del pòster amb feines de fusteria, soldadura i electricitat.
Un cop decidit com havia de ser el resultat final del projecte va començar la feina. El procés de disseny i construcció de la part tecnològica és el següent:
Robotització
- Anàlisi i disseny del circuit electrònic i els seus components.
- Disseny i construcció de la consola de comandament.
- Generació del programa de l’Arduino
- Elaboració dels diferents elements lluminosos (fletxes) amb les seves soldadures
Estructura final del pòster
- Muntatge de la pintura sobre un suport rígid
- Ensamblatge dels leds amb el pòster i connexionat
- Interconnexió entre el pòster i la consola
- Proves del funcionament global
- Muntatge de l’estructura i acabats
Circuit electrònic
El disseny de la part electrònica s’ha fet amb tires de led. Inicialment vam pensar en fer-ho amb leds individuals però, després de muntar un prototip, vam constatar que seria pràcticament impossible realitzar el muntatge de les fletxes a sobre del pòster per la quantitat enorme de cables que comportava. Les tires de led tenen només 3 cables per cada tira, la qual cosa facilita moltíssim la construcció del disseny electrònic. Totes aquestes tires de led estan controlades per un microcontrolador, l’Arduino Mega, que permet assignar els colors i les seqüències d’encesa i apagada de cadascun dels leds. S’ha triat el model Mega d’Arduino per la necessitat de tenir moltes sortides digitals (podem disposar de 54 sortides digitals amb l’Arduino Mega mentre que l’Arduino Uno només en té 13).
Les tires de led que hem escollit són del model RGB WS2812B. Aquest tipus de tira de leds (així com els WS2811 i WS2812) disposen de lògica integrada, la qual cosa permet variar el color de cada led de forma individual a diferència de les tires de led RGB convencionals en les que tots els leds canvien de color de forma simultània. Estan basats en leds 5050, que tenen un consum baix i una elevada brillantor i que incorpora en un únic encapsulat els tres colors RGB (red-green-blue). El model WS2812B incorpora un integrat dins de cada led que permet accedir a cada píxel de forma individual (individual addressable).
El cartell té diverses tires de leds que han d’anar funcionant de forma ininterrompuda però també té unes altres tires de leds que s’encenen quan es prem el polsador corresponent de la consola. Hi ha 10 polsadors diferents. Cada polsador va connectat a una entrada diferent de l’Arduino. El programa va llegint l’estat de les entrades i si detecta que s’ha premut algun polsador, executa la part de programa que fa activar la seqüència d’encesa dels leds que conformen la fletxa, leds o indicador corresponent.
Consola de comandament
S’ha construït una consola des d’on es pot engegar o parar el funcionament dels leds i també on s’han situat 10 polsadors mitjançant els quals es poden activar les fletxes o leds que porten associats.
Fases associades al Pòster del Cicle i que apareixeran a la consola:
- Evaporació
- Evapo-transpiració
- Condensació
- Transport
- Precipitació
- Corrents superficials
- Infiltració i percolació
- Corrents subterranis
- Aqüífer
- Oceà
A l’interior de la consola és on hi ha la placa del microcontrolador i totes les connexions amb els polsadors i amb els fils de dades que van a cada tira de leds enganxada al cartell. Hi ha 40 fils de dades que venen del cartell a través de cables de xarxa. Es va triar aquest tipus de cable de connexió perquè ens permet endollar i desendollar la consola sempre que calgui. A la part posterior de la consola és on s’han situat 5 connectors femella dels cables de xarxa. Cada cable de xarxa està format per 8 fils.
La consola també té els cables d’alimentació: 5V i massa.
El programa Arduino
El programa s’escriu mitjançant l’ordinador i, un cop acabat, es compila i s’envia a la placa Arduino a través d’un cable USB.
Per controlar les tires de leds s’ha fet servir la llibreria FastLED.
A grans trets, el programa va executant de forma continua les instruccions que fan encendre unes tires de leds concretes (Sol, radiació solar, albedo, fletxes del cicle global, límit entre aigua dolça i aigua salada i entrada-sortida d’aigua dolça i salada). A la vegada, el programa va llegint les entrades connectades als polsadors per poder detectar si se n’ha premut algun. En el moment que es prem un polsador, el programa executa les instruccions que fan activar la fletxa, leds o indicador corresponent.
Elaboració de les fletxes
Hi ha 4 tipus d’indicadors: fletxes gruixudes, fletxes simples, línies i leds individuals.
Les fletxes gruixudes s’han fet tallant trossos de tira de leds per donar la forma d’aquestes. Cada tros de tira de leds té 3 connexions, per tant, 3 soldadures que equivalen a 5V, massa i dades. Des de programa es van encenent tots els trossos de tires de led de forma que es dona la sensació de continuïtat com si fos una sola tira.
Les fletxes simples estan formades per una tira llarga de leds i dues tires curtes que conformen la punta de la fletxa. Cada fletxa simple, doncs, està feta de tres trossos de tira de leds. Per programa es fan encendre els leds d’aquestes tres tires per separat però donant la sensació de que es tracta d’una mateixa unitat.
Les línies són una sola tira de leds, més o menys llarga, que s’activa o desactiva per programa. De la mateixa forma que s’ha fet amb les fletxes anteriors, per programa s’han fet seqüències d’encesa i apagada diferents i variades per a cadascuna de les fletxes (seqüències més o menys ràpides, variacions d’intensitat, canvis de color, intermitències, etc).
Els leds individuals són trossos de tira d’un sol led. Cada led individual té tres soldadures o connexions: 5V, massa i dades. S’han anat interconnectant els leds individuals entre ells per donar sensació d’un grup de leds homogeni (neu, pluja, condensació, aqüífer, oceà). Cada grup de leds va connectat a una entrada de l’Arduino i és des de programa que s’encenen d’una forma determinada segons convé.
Es van tallar les tires de leds a les mides adequades i es van fer totes les soldadures amb els cables que havien de permetre la seva connexió.
Muntatge de la pintura sobre un suport rígid
La pintura s’ha realitzat sobre una tela. Ha calgut enganxar la tela sobre un tauler de contraxapat de 7mm per donar-li rigidesa.
Ensamblatge dels leds amb el pòster i connexionat
Com que cada tros de tira de leds porta tres fils de connexió, calia fer els forats al pòster per poder passar els fils cap a la part posterior. Per saber exactament on s’havien de fer els forats, vam elaborar totes les fletxes amb cartró fent unes plantilles a escala 1:1. Es van posicionar totes aquestes plantilles sobre el pòster i es van fer tots els forats amb una broca de 4mm.
Amb els forats ja fets vam enganxar tots els trossos de tira de leds i vam passar tots els fils elèctrics cap a la part posterior del contraxapat.
El següent pas va ser connectar tots els fils. Tots els fils d’alimentació (5V) es van interconnectar entre ells. Tots els fils de massa es van interconnectar entre elles. Els fils de dades es van soldar un a un als cables de xarxa. Es van necessitar 5 cables de xarxa. Cada cable de xarxa està format per 8 fils diferents.
Interconexió entre el pòster i la consola
Un cop acabat el pòster amb els seus cables de connexió mascle es va fer la connexió amb els connectors femella de la consola.
Les connexions de l’alimentació van tant al pòster com a la consola i el més important és que cal connectar totes les masses juntes.
Proves del funcionament global
A partir d’aquest moment ja es podien fer les proves de funcionament.
Els problemes que ens vam trobar van ser bàsicament de males connexions i soldadures dolentes. Val la pena esmentar que en qualsevol circuit d’aquestes característiques cal connectar TOTS els cables i no deixar cap fil a l’aire. Un fil no connectat fa d’antena i capta interferències que provoquen funcionaments estranys i no desitjats.
Un cop solucionats aquests tipus de problemes (que realment ens van portar molt de temps), vam retocar el programa perquè cada part del pòster funcionés de la forma desitjada.
Muntatge de l’estructura i acabats
Amb el pòster funcionant tal i com s’havia dissenyat i previst calia acabar l’estructura i realitzar els acabats necessaris per que fos cartell que es pogués moure i transportar amb la seguretat que no es desmuntaria res. Es van enganxar bé els fils i cables de la part posterior per tenir el gruix mínim possible. Es van collar unes peces de fusta petites que fan de separador entre el contraxapat i la planxa metàl·lica que fa de suport i es va grapar la tela dels laterals al contraxapat.
Vam fer un peu de fusta per poder aguantar la planxa metàl·lica en posició gairebé vertical, amb un braç que recolza la planxa sobre el peu.
EXPOSICIÓ ORAL A LA IV FIRA TASTET DE CIÈNCIA DEL CICLE HIDROLÒGIC GLOBAL
Fases asociades al Pòster del Cicle i que apareixeran a la consola i que l’alumne/a ha de exposar
1.- SOL (Astre Sol). No associat a botó. Llueix sempre.
2.- Radiació solar incident (representa energia , fletxes grogues amb seqüència ràpida). No associat a botó
3.- Albedo, radiació reflectida (representa energia, fletxa vermella amb seqüència ràpida). No associat a botó.
4.- Evaporació líquid-gas (representa direcció, fletxa grossa blava seqüència ascendent amb canvi de color progressiu de blau cap a blanc). Associat a un polsador.
5.- Evapotranspiració líquid-gas (representa direcció, fletxa grossa verda seqüència ascendent). Associat a un polsador.
6.- Condensació , gas (són nuvols, punts blancs intermitents). Associat a un polsador.
7.- Precipitació gas- líquid / gas-sólid (pluja i neu,punts blancs (neu) i punts blaus (pluja) amb sensació de moviment de caiguda). Associat a un polsador.
8.- Escolament superficial: rius , rieres, barrancs (fletxes roses amb seqüència ràpida). Associat a un polsador.
9.- Infiltració i percolació: formen aigües subterrànies (fletxes de llum verda intermitent). Associat a un polsador.
10.-Aqüífer : aigües subterrànies captives (llums soltes amb pampallugues lentes color blau clar). Associat a un polsador.
11.- Oceà. (Llumetes pampallugues color blau fosc baixa intensitat). Associat a un polsador.
12.- Transport horitzontal de núvols (fletxa grossa blanca seqüència progressiva de dreta a esquerra). Associat a un polsador.
13.- Límit aigua dolça/ aigua marina (línia de llum tènue de color verd clar). Connexió continua no associada a botó.
EXPOSICIÓ ORAL
Contingut de l’explicació que l’alumne/a ha d’exposar en públic oralment:
El SOL actua com a motor del cicle de l’aigua. Part de la radiació global incident damunt la superfície terrestre és reflectida i retornada a l’espai exterior (ALBEDO) donant lloc a un escalfament de la superfície de la Terra i provocant l’EVAPORACIÓ de l’aigua de mars i oceans de manera que aquesta aigua canvia d’estat líquid a gas (vapor d’aigua).
El vapor d’aigua ascendeix cap a les parts altes de la troposfera, on la temperatura és més baixa, i es produeix la CONDENSACIÓ creant microgotes d’aigua que formen els núvols.
Una part d’aquesta aigua evaporada prové de l’EVAPOTRANSPIRACIÓ, aigua provinent tant de l’evaporació de l’aigua continguda en el subsòl com de la transpiració de les plantes (aquestes a l’obrir els estomes per agafar diòxid de carboni (CO2) i alliberar oxigen (O2) també perden aigua en forma de vapor).
Quan els núvols porten suficient càrrega d’aigua (condicions adequades d’humitat i temperatura) PRECIPITEN en forma de pluja, neu, boira,…
La major part de la precipitació cau damunt dels mars i oceans i una petita part cau sobre els continents.
De l’aigua continental, una part circula per la superfície en forma de glaceres, rius, llacs i torrents, s’anomena escorrentia o CORRENTS SUPERFICIALS.
La resta s’INFILTRA o PERCOLA, és a dir, l’aigua de precipitació, d’un curs fluvial, etc. penetra cap al subsòl formant les aigües subterrànies o CORRENTS SUBTERRANIS.
La percolació és un mecanisme de filtració que implica un moviment laminar, descendent i lent de l’aigua que s’escola per un sòl o una roca porosa amb transport de substàncies dissoltes o en suspensió.
L’aigua provinent dels corrents superficials i subterranis acaba retornant al mar o OCEÀ on torna a començar el seu cicle.
L’aigua subterrània emmagatzemada als AQÜÍFERS retorna al mar o als oceans gràcies a la permeabilitat del terreny. En funció de la pressió de la columna d’aigua de l’aqüífer es pot donar entrada d’aigua salada a l’aqüífer (salinització d’aqüífers) i ocasionar un problema ambiental de contaminació d’aigua de boca, aigua de reg…
Material complementari
Cicle de l’energia global provinent del Sol
Evapotranspiració
Un fenomen important associat als núvols i al gel és l’EFECTE ALBEDO, és a dir, la quantitat de llum del sol retornada per una superfície respecte de la radiació solar incident.
Aquest efecte és major com més clar és el color. Així doncs, les superfícies blanques com els núvols o la neu reflecteixen gran part de la llum rebuda i, per tant, s’escalfen molt menys que les superfícies fosques.
Energia absorbida i reflectida en llocs sense neu i gel (Esquerra) o amb gel i neu (dreta).
Sense aquest efecte dels núvols i el gel, la temperatura del planeta seria uns quants graus major.
Recursos
Aquest projecte ha suposat la participació de molts alumnes de 4t de les optatives de Biologia, Dibuix artístic i tecnologia i dels seus respectius professors.
Els materials emprats s’han anat descrivint a l’apartat anterior: tela, pintures, pinzells, tauler de contraxapat, tires de leds RGB WS2812B, cables, estany i soldador, regletes de connexió, cola termofusible, cable de xarxa, connectors de xarxa, una placa Arduino Mega, una placa protoboard, cables mascle de connexió per a Arduino, resistències, polsadors, interruptor, fusta per fer la consola, ordinador, IDE Processing, cable USB d’interconnexió entre l’ordinador i l’Arduino, planxa metàli·lica de suport per al pòster, peu de fusta dissenyat i construït a mida, cargols, eines en general.
Materials
- Esbòs del pòster: Recopilació de gràfics i esquemes sobre el cicle hidrològic global, d’acord amb les fases que volem expressar i exposar. Aprovat l’esquema per part de l’equip del projecte s’elabora l’esbós artístic.
- Realització plànols del projecte amb les mides totals del pòster.
- Xapa doblegada de 190 X 143 cm del xasis.
- suport rígid de tauler contraxapat de 7 mm de gruix per la tela.
- Construcció de la consola en tauler contraxapat de 7 mm. amb forats per rebre els botons.
3. A partir de l’esbós artístic realitzar la pintura acrílica en tela de dimensions de 190 X 143 cm
4. Passar paper de vidre per les vores del tauler
5. Fixar amb cola blanca la tela al suport rígid de tauler contraxapat.
6. Efecte premsa sobre la tela perque s’enganxi correctament al tauler, utilitzar serjants.
7. Enganxar amb cola les vores de la tela.
8. Fases del Cicle. definir cadascuna de fases per definir els botons de la consola.
9. Elaboració de fletxes en cartró per simular emplaçament definitiu.
10. Elaboració de fletxes de leds amb connexions.
11. Realització de connexions i soldadures amb estany.
12.Emplaçar i ordenar el cablejat creat a la part posterior del pòster.
13. Connexió del cablejat del pòster amb la consola.
14. Programació amb ARDUINO
15. Comprovació del funcionament segons els projecte.
16.Ensamblatge del tauler amb la xapa doblegada del xasis deixant un espai virtual pel cablejat.
17/ Redacció, explicació als alumnes de 4t ESO amb argument amb l’objectiu que puguin realitzar l’exposició seguint el pòster.
Recursos humans i espaials
Les feines descrites han estat realitzades pels alumnes, degudament tutoritzats per professors del projecte. L’espai on s’ha realitzat ha estat el Taller de Tecnologia , l’Aula de Visual i Plàstica i el Laboratori de CC. Naturals de l’institut.
Valoració
Ha estat realment una experiència molt gratificant poder fer un projecte que ha involucrat tres departaments didàctics i un gran nombre d’alumnes provinents d’optatives diferents. Tots els alumnes s’han sentit el projecte com a propi i a la vegada compartit entre tots. S’ha hagut de treballar per fases en les que han intervingut alumnes diferents treballant de forma cooperativa. Tots ells han entès que el treball de cadascú ha estat igual d’important per tal d’assolir l’èxit comú.