人體反應速度多維探究器

◎陜西省榆林學院 陳鑫

長沙市長郡芙蓉中學 陳水章

長沙市第二十一中學 羅美玲

一、項目背景

在人教版初中生物教材《神經調節的基本方式——反射》一節，有一個探究測定反應速度的實驗。教材中提供的方案是采用直尺測速法，讓學生2～3人一組，由測試者手捏著尺子刻度值大的一端，被試者將拇指與食指對準尺子下端刻度值為“0”的地方，拇指與食指呈張開狀，且保持1厘米左右的距離（如圖1）。測試時，被試者要盯著測試者的手，一旦該學生松開手，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，根據夾尺時的刻度值來判斷被試者的反應速度。

圖1 直尺測速法

雖然這個實驗簡單，但實踐時，我們發現很多不足，如：測試者與被試者手部可能抖動，增大實驗誤差；被試者每次拇指與食指張開的寬度不一，對夾尺的速度有影響；夾尺時手指與尺的接觸面積較大，無法精確讀數；在測試時被試者容易無意識地將手上移抓尺，使得實驗結果不真實；每次測出來的實驗結果是長度而不是時間，學生不能準確地了解自己的反應速度。

二、改進創新

為了準確地測出學生的反應速度，使其感受“反射”的過程，我們開展項目式學習，研制出人體反應速度多維探究器。該探究器采用人工智能技術，通過編寫程序代碼，利用Arduino模塊與繼電器模塊做成控制電路（如圖2），實現不同維度精準測試人體的反應速度。

圖2 電路圖

1.材料準備

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

裝置結構圖如圖3所示，實物如圖4所示。

圖3 人體反應速度多維探究器結構圖

圖4 人體反應速度多維探究器實物圖

2.工作機制

本裝置有萬年歷與秒表兩種模式，啟動時為萬年歷模式，按下模式開關后由萬年歷模式切換成秒表模式。當處于秒表模式時，顯示時間能精確到0.01秒，控制電路通過外接觸發開關控制秒表的啟動、停止、復位。

啟動秒表時，秒表從0開始計時，同時由繼電器控制LED燈發光（紅光、黃光或綠光）、嗡鳴器發出聲音或偏心輪電機產生振動。當被試者看到LED燈亮，或聽到嗡鳴器發出聲音，或感受到偏心輪電機產生振動時，迅速按下停止開關，此時，秒表停止計時，并顯示停止計時時的時間，即反應的速度。時間越短，則反應越快。

每次測試前先按下復位開關進行歸零，清除以往的數據。控制盒上的開關，可選擇LED燈發光、嗡鳴器發出聲音、偏心輪電機產生振動等不同的刺激信號，從而可以從人體不同的感官等多個維度來探究人體的反應速度。

三、教學運用

利用人體反應速度多維探究器可以探究人體的反應快慢與哪些因素有關。教師通過創設情境，引導學生大膽推測，提出以下思考：人體的反應快慢與注意力集中程度是否有關，與身體處于不同狀態是否有關，與接受刺激的不同方式是否有關，與接受刺激的不同部位是否有關等，并開展探究活動。

將3名學生分為一組，一人為測試者，一人為被試者，一人為記錄員，記錄實驗數據。在測試前，測試者先切換儀器為秒表模式，再按下發光、聲音、振動中的一個開關，發出刺激信號，秒表從0開始計時，當被試者感受到信號刺激迅速按下停止開關，記錄員記錄此刻秒表顯示的時間，如圖5所示。3人身份輪流互換，每種刺激信號測試5次，分別記錄并算出平均值，將其填入表格（如表1）。

表1 人體反應速度多維探究器測試數據表 （單位：秒）

圖5 3人一組進行測試

可以看出，本探究器操作簡單，靈敏度和精確度高，性能穩定，可重復測試，達到了預期的設計目標。

四、創新點

利用人體反應速度多維探究器測試人的反應速度與直尺測速法相比，有以下創新點：

1.改進了之前測試人體的反應速度只能定性、不能定量的缺點，從不同維度探究與人體反應速度有關的因素。

2.提高了學生的學習積極性，改變了其應付式的探究態度，讓科學實驗教學更加嚴謹。

3.綜合運用信息學、工程學、電子技術、生物學等多學科知識，創造性地解決了課堂中出現的具體問題，為生物課程開展STEAM教育提供了參考。