◎陜西省榆林學(xué)院 陳鑫
長(zhǎng)沙市長(zhǎng)郡芙蓉中學(xué) 陳水章
長(zhǎng)沙市第二十一中學(xué) 羅美玲
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)的刻度值來判斷被試者的反應(yīng)速度。
圖1 直尺測(cè)速法
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。
為了準(zhǔn)確地測(cè)出學(xué)生的反應(yīng)速度,使其感受“反射”的過程,我們開展項(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。
圖2 電路圖
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)換開關(guān)1個(gè),觸發(fā)控制開關(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。
圖3 人體反應(yīng)速度多維探究器結(jié)構(gòu)圖
圖4 人體反應(yīng)速度多維探究器實(shí)物圖
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,控制電路通過外接觸發(fā)開關(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)位開關(guān)進(jìn)行歸零,清除以往的數(shù)據(jù)??刂坪猩系拈_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)維度來探究人體的反應(yīng)速度。
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)開關(guān),發(fā)出刺激信號(hào),秒表從0開始計(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)。
表1 人體反應(yīng)速度多維探究器測(cè)試數(shù)據(jù)表 (單位:秒)
圖5 3人一組進(jìn)行測(cè)試
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)。
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)的具體問題,為生物課程開展STEAM教育提供了參考。