Dự án STEM: Mô hình Nhà kính thông minh tự động tưới tiêu IoT (KHTN 7 - Công nghệ 7)

1. Giới thiệu dự án và bối cảnh sư phạm

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu và chuyển đổi số nông nghiệp, mô hình Nông nghiệp công nghệ cao và Nhà kính thông minh (Smart Greenhouse) đang trở thành xu hướng tất yếu. Dự án STEM "Mô hình Nhà kính thông minh tự động tưới tiêu IoT" được thiết kế dành riêng cho học sinh lớp 7, tích hợp kiến thức liên môn giữa:

• Khoa học tự nhiên 7 (Sinh học): Trao đổi nước và chất dinh dưỡng ở thực vật; nhu cầu nước và độ ẩm đất của cây trồng trong từng giai đoạn sinh trưởng.
• Công nghệ 7 (Trồng trọt): Ứng dụng công nghệ tưới nước tự động, tưới nhỏ giọt tiết kiệm nước trong sản xuất nông nghiệp sạch.
• Tin học 7: Thu thập, xử lý dữ liệu từ cảm biến số và lập trình điều khiển thiết bị thông minh bằng khối lệnh trực quan.

Dự án thuộc danh mục thiết bị khung theo Thông tư 86/2026/TT-BGDĐT (nhóm thiết bị Lập trình, vi điều khiển và IoT mã thcs-13 và thcs-18).

2. Mục tiêu dạy học theo Chương trình GDPT 2018

2.1. Phẩm chất và năng lực chung

• Năng lực giải quyết vấn đề và sáng tạo: Tự thiết kế giải pháp tự động hóa quá trình chăm sóc cây trồng dựa trên dữ liệu thực nghiệm.
• Năng lực giao tiếp và hợp tác: Phân công vai trò kỹ sư cơ khí, kỹ sư phần cứng và lập trình viên trong nhóm học tập 4–6 học sinh.
• Trách nhiệm bảo vệ môi trường: Nhận thức rõ ý thức sử dụng nước ngọt tiết kiệm và phát triển nông nghiệp bền vững.

2.2. Năng lực đặc thù môn học

• Trình bày được ảnh hưởng của độ ẩm đất đến sự thoát hơi nước và quang hợp của cây xanh.
• Đọc hiểu sơ đồ nguyên lý mạch điện tử cơ bản dùng nguồn hạ áp an toàn (5V DC).
• Xây dựng được lưu đồ thuật toán điều kiện: Nếu (Độ ẩm < Ngưỡng cài đặt) thì (Bật bơm tưới) – Ngược lại thì (Tắt bơm).

3. Danh mục vật tư và thiết bị thực hành

Một bộ kit thực hành cho nhóm 4–5 học sinh bao gồm:

4. Tiến trình tổ chức hoạt động dạy học (Thời lượng: 90 phút – 2 tiết)

Hoạt động 1: Xác định vấn đề và đặt bài toán thực tiễn (15 phút)

• Giáo viên chiếu video thực tế về hạn hán và việc nông dân canh tác tại các vùng đất khô hạn.
• Đặt câu hỏi khởi động: "Làm thế nào để cây trong nhà kính luôn được cấp đủ nước ngay cả khi người chăm sóc vắng nhà dài ngày mà vẫn không gây ngập úng lãng phí?"
• Học sinh thảo luận nhóm, xác định thông số quan trọng nhất cần đo là: Độ ẩm của đất.

Hoạt động 2: Nghiên cứu kiến thức nền và giải pháp kỹ thuật (20 phút)

• Kiến thức KHTN 7: Nhắc lại ngưỡng độ ẩm đất phù hợp cho đa số cây trồng cạn (khoảng 60% – 75%). Dưới 40% đất bắt đầu nứt nẻ, trên 85% đất bão hòa nước gây thối rễ.
• Kiến thức Công nghệ & Tin học: Giáo viên giới thiệu cách cảm biến đo độ dẫn điện của đất:
• Đất khô: Giá trị trả về thấp (dưới ngưỡng).
• Đất ướt: Giá trị trả về cao.
• Giáo viên hướng dẫn các khối lệnh lập trình logic điều kiện cơ bản.

Hoạt động 3: Lắp ráp phần cứng và kết nối mạch điện (25 phút)

1. Lắp ghép bộ khung nhà kính mini bằng các khớp nối chốt cài.
2. Đặt chậu cây và cắm que cảm biến độ ẩm sâu 3–5 cm vào lòng đất.
3. Đấu nối dây tín hiệu theo hướng dẫn an toàn:

• Cảm biến độ ẩm đất: Chân VCC nối 3.3V/5V, GND nối GND, chân A0 nối cổng Analog In trên mạch.
• Module Rơ-le: Chân điều khiển nối cổng Digital Pin P1.
• Máy bơm chìm 5V: Nối nguồn cấp qua tiếp điểm thường mở (NO) của rơ-le, đầu ống tưới nhỏ giọt cố định vào gốc cây.

Hoạt động 4: Lập trình và nạp code thuật toán (15 phút)

Học sinh thực hiện lập trình kéo thả trực quan trên máy tính hoặc máy tính bảng:

• Bước 1: Khởi tạo giá trị ban đầu và đọc liên tục giá trị cảm biến mỗi 2 giây.
• Bước 2: Hiển thị độ ẩm hiện tại lên màn hình LED của bo mạch vi điều khiển.
• Bước 3: So sánh điều kiện:
• Nếu (Độ ẩm đất < 50%): Bật chân điều khiển Rơ-le HIGH trong 3 giây để bơm nước, sau đó tạm dừng đọc 5 giây để nước ngấm.
• Nếu (Độ ẩm đất >= 65%): Tắt Rơ-le LOW (ngắt bơm).
• Bước 4: Nạp code vào bo mạch và kiểm tra hoạt động.

Hoạt động 5: Thử nghiệm thực tế và báo cáo sản phẩm (15 phút)

• Từng nhóm tiến hành kích hoạt chế độ tự động: Dùng máy sấy làm khô đất mẫu hoặc rút cảm biến ra khỏi đất để kiểm tra bơm có tự kích hoạt không. Khi cắm vào đất ẩm, máy bơm phải tự ngắt chính xác.
• Đại diện nhóm thuyết minh về quy trình thiết kế, chia sẻ những lỗi kỹ thuật đã khắc phục (rò rỉ nước, đấu nhầm cực điện) và đề xuất nâng cấp tính năng: đo thêm nhiệt độ không khí, gửi thông báo cảnh báo qua Wi-Fi lên điện thoại (IoT).

5. Đánh giá và Mở rộng dự án

Tiêu chí đánh giá sản phẩm:

• Tiêu chí 1 - Tính thẩm mỹ và kết cấu: Mô hình nhà kính vững chắc, đường dây gọn gàng, cách ly nguồn điện an toàn với nước (30 điểm).
• Tiêu chí 2 - Độ chính xác thuật toán: Cảm biến đo nhạy, máy bơm đóng ngắt chính xác theo ngưỡng cài đặt (40 điểm).
• Tiêu chí 3 - Kỹ năng báo cáo: Trình bày tự tin, giải thích rõ nguyên lý sinh học và kỹ thuật điều khiển (30 điểm).

Hướng mở rộng nghiên cứu:

• Bổ sung quạt hút thông gió mini tự động bật khi nhiệt độ nhà kính vượt quá 32°C.
• Gắn đèn LED quang hợp chuyên dụng cho cây sinh trưởng trong nhà không có ánh nắng tự nhiên.