人體反應(yīng)速度多維探究器

一、項(xiàng)目背景

在人教版初中生物教材《神經(jīng)調(diào)節(jié)的基本方式——反射》一節(jié)，有一個(gè)探究測(cè)定反應(yīng)速度的實(shí)驗(yàn)。教材中提供的方案是采用直尺測(cè)速法，讓學(xué)生2～3人一組，由測(cè)試者手捏著尺子刻度值大的一端，被試者將拇指與食指對(duì)準(zhǔn)尺子下端刻度值為“0”的地方，拇指與食指呈張開(kāi)狀，且保持1厘米左右的距離（如圖1）。測(cè)試時(shí)，被試者要盯著測(cè)試者的手，一旦該學(xué)生松開(kāi)手，被試者就快速用拇指和食指夾住尺子，記錄此刻被試者的手指所夾的位置是多少刻度，根據(jù)夾尺時(shí)的刻度值來(lái)判斷被試者的反應(yīng)速度。

雖然這個(gè)實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單，但實(shí)踐時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)很多不足，如：測(cè)試者與被試者手部可能抖動(dòng)，增大實(shí)驗(yàn)誤差;被試者每次拇指與食指張開(kāi)的寬度不一，對(duì)夾尺的速度有影響;夾尺時(shí)手指與尺的接觸面積較大，無(wú)法精確讀數(shù);在測(cè)試時(shí)被試者容易無(wú)意識(shí)地將手上移抓尺，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果不真實(shí);每次測(cè)出來(lái)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是長(zhǎng)度而不是時(shí)間，學(xué)生不能準(zhǔn)確地了解自己的反應(yīng)速度。

二、改進(jìn)創(chuàng)新

為了準(zhǔn)確地測(cè)出學(xué)生的反應(yīng)速度，使其感受“反射”的過(guò)程，我們開(kāi)展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，研制出人體反應(yīng)速度多維探究器。該探究器采用人工智能技術(shù)，通過(guò)編寫程序代碼，利用Arduino模塊與繼電器模塊做成控制電路（如圖2），實(shí)現(xiàn)不同維度精準(zhǔn)測(cè)試人體的反應(yīng)速度。

1.材料準(zhǔn)備

Arduino模塊1套，繼電器3塊，電池1塊，LED燈1個(gè)（紅燈罩、黃燈罩、綠燈罩各1個(gè)），嗡鳴器1個(gè)，偏心輪1個(gè)，互鎖選擇轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)1個(gè)，觸發(fā)控制開(kāi)關(guān)5個(gè)，控制盒1個(gè)。

裝置結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，實(shí)物如圖4所示。

2.工作機(jī)制

本裝置有萬(wàn)年歷與秒表兩種模式，啟動(dòng)時(shí)為萬(wàn)年歷模式，按下模式開(kāi)關(guān)后由萬(wàn)年歷模式切換成秒表模式。當(dāng)處于秒表模式時(shí)，顯示時(shí)間能精確到0.01秒，控制電路通過(guò)外接觸發(fā)開(kāi)關(guān)控制秒表的啟動(dòng)、停止、復(fù)位。

啟動(dòng)秒表時(shí)，秒表從0開(kāi)始計(jì)時(shí)，同時(shí)由繼電器控制LED燈發(fā)光（紅光、黃光或綠光）、嗡鳴器發(fā)出聲音或偏心輪電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)。當(dāng)被試者看到LED燈亮，或聽(tīng)到嗡鳴器發(fā)出聲音，或感受到偏心輪電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，迅速按下停止開(kāi)關(guān)，此時(shí)，秒表停止計(jì)時(shí)，并顯示停止計(jì)時(shí)時(shí)的時(shí)間，即反應(yīng)的速度。時(shí)間越短，則反應(yīng)越快。

每次測(cè)試前先按下復(fù)位開(kāi)關(guān)進(jìn)行歸零，清除以往的數(shù)據(jù)。控制盒上的開(kāi)關(guān)，可選擇LED燈發(fā)光、嗡鳴器發(fā)出聲音、偏心輪電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)等不同的刺激信號(hào)，從而可以從人體不同的感官等多個(gè)維度來(lái)探究人體的反應(yīng)速度。

三、教學(xué)運(yùn)用

利用人體反應(yīng)速度多維探究器可以探究人體的反應(yīng)快慢與哪些因素有關(guān)。教師通過(guò)創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生大膽推測(cè)，提出以下思考：人體的反應(yīng)快慢與注意力集中程度是否有關(guān)，與身體處于不同狀態(tài)是否有關(guān)，與接受刺激的不同方式是否有關(guān)，與接受刺激的不同部位是否有關(guān)等，并開(kāi)展探究活動(dòng)。

將3名學(xué)生分為一組，一人為測(cè)試者，一人為被試者，一人為記錄員，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在測(cè)試前，測(cè)試者先切換儀器為秒表模式，再按下發(fā)光、聲音、振動(dòng)中的一個(gè)開(kāi)關(guān)，發(fā)出刺激信號(hào)，秒表從0開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)被試者感受到信號(hào)刺激迅速按下停止開(kāi)關(guān)，記錄員記錄此刻秒表顯示的時(shí)間，如圖5所示。3人身份輪流互換，每種刺激信號(hào)測(cè)試5次，分別記錄并算出平均值，將其填入表格（如表1）。

可以看出，本探究器操作簡(jiǎn)單，靈敏度和精確度高，性能穩(wěn)定，可重復(fù)測(cè)試，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

四、創(chuàng)新點(diǎn)

利用人體反應(yīng)速度多維探究器測(cè)試人的反應(yīng)速度與直尺測(cè)速法相比，有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

1.改進(jìn)了之前測(cè)試人體的反應(yīng)速度只能定性、不能定量的缺點(diǎn)，從不同維度探究與人體反應(yīng)速度有關(guān)的因素。

2.提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，改變了其應(yīng)付式的探究態(tài)度，讓科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加嚴(yán)謹(jǐn)。

3.綜合運(yùn)用信息學(xué)、工程學(xué)、電子技術(shù)、生物學(xué)等多學(xué)科知識(shí)，創(chuàng)造性地解決了課堂中出現(xiàn)的具體問(wèn)題，為生物課程開(kāi)展STEAM教育提供了參考。