人体反应速度多维探究器

◎陕西省榆林学院 陈鑫

长沙市长郡芙蓉中学 陈水章

长沙市第二十一中学 罗美玲

一、项目背景

在人教版初中生物教材《神经调节的基本方式——反射》一节，有一个探究测定反应速度的实验。教材中提供的方案是采用直尺测速法，让学生2～3人一组，由测试者手捏着尺子刻度值大的一端，被试者将拇指与食指对准尺子下端刻度值为“0”的地方，拇指与食指呈张开状，且保持1厘米左右的距离（如图1）。测试时，被试者要盯着测试者的手，一旦该学生松开手，被试者就快速用拇指和食指夹住尺子，记录此刻被试者的手指所夹的位置是多少刻度，根据夹尺时的刻度值来判断被试者的反应速度。

图1 直尺测速法

虽然这个实验简单，但实践时，我们发现很多不足，如：测试者与被试者手部可能抖动，增大实验误差；被试者每次拇指与食指张开的宽度不一，对夹尺的速度有影响；夹尺时手指与尺的接触面积较大，无法精确读数；在测试时被试者容易无意识地将手上移抓尺，使得实验结果不真实；每次测出来的实验结果是长度而不是时间，学生不能准确地了解自己的反应速度。

二、改进创新

为了准确地测出学生的反应速度，使其感受“反射”的过程，我们开展项目式学习，研制出人体反应速度多维探究器。该探究器采用人工智能技术，通过编写程序代码，利用Arduino模块与继电器模块做成控制电路（如图2），实现不同维度精准测试人体的反应速度。

图2 电路图

1.材料准备

Arduino模块1套，继电器3块，电池1块，LED灯1个（红灯罩、黄灯罩、绿灯罩各1个），嗡鸣器1个，偏心轮1个，互锁选择转换开关1个，触发控制开关5个，控制盒1个。

装置结构图如图3所示，实物如图4所示。

图3 人体反应速度多维探究器结构图

图4 人体反应速度多维探究器实物图

2.工作机制

本装置有万年历与秒表两种模式，启动时为万年历模式，按下模式开关后由万年历模式切换成秒表模式。当处于秒表模式时，显示时间能精确到0.01秒，控制电路通过外接触发开关控制秒表的启动、停止、复位。

启动秒表时，秒表从0开始计时，同时由继电器控制LED灯发光（红光、黄光或绿光）、嗡鸣器发出声音或偏心轮电机产生振动。当被试者看到LED灯亮，或听到嗡鸣器发出声音，或感受到偏心轮电机产生振动时，迅速按下停止开关，此时，秒表停止计时，并显示停止计时时的时间，即反应的速度。时间越短，则反应越快。

每次测试前先按下复位开关进行归零，清除以往的数据。控制盒上的开关，可选择LED灯发光、嗡鸣器发出声音、偏心轮电机产生振动等不同的刺激信号，从而可以从人体不同的感官等多个维度来探究人体的反应速度。

三、教学运用

利用人体反应速度多维探究器可以探究人体的反应快慢与哪些因素有关。教师通过创设情境，引导学生大胆推测，提出以下思考：人体的反应快慢与注意力集中程度是否有关，与身体处于不同状态是否有关，与接受刺激的不同方式是否有关，与接受刺激的不同部位是否有关等，并开展探究活动。

将3名学生分为一组，一人为测试者，一人为被试者，一人为记录员，记录实验数据。在测试前，测试者先切换仪器为秒表模式，再按下发光、声音、振动中的一个开关，发出刺激信号，秒表从0开始计时，当被试者感受到信号刺激迅速按下停止开关，记录员记录此刻秒表显示的时间，如图5所示。3人身份轮流互换，每种刺激信号测试5次，分别记录并算出平均值，将其填入表格（如表1）。

表1 人体反应速度多维探究器测试数据表 （单位：秒）

图5 3人一组进行测试

可以看出，本探究器操作简单，灵敏度和精确度高，性能稳定，可重复测试，达到了预期的设计目标。

四、创新点

利用人体反应速度多维探究器测试人的反应速度与直尺测速法相比，有以下创新点：

1.改进了之前测试人体的反应速度只能定性、不能定量的缺点，从不同维度探究与人体反应速度有关的因素。

2.提高了学生的学习积极性，改变了其应付式的探究态度，让科学实验教学更加严谨。

3.综合运用信息学、工程学、电子技术、生物学等多学科知识，创造性地解决了课堂中出现的具体问题，为生物课程开展STEAM教育提供了参考。