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挑战三:“骷髅小哥”之反射弧
安卓机器人 2019-03-26 11:47:15
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简单
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        纵观人教版《生物学》七下第六章《人体生命活动的调节》全章内容:不难发现第二、三节涉及名词众多!部分如下:

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        不仅名词概念众多,内容涉及到了神经调节的内在机理,学生普遍感到抽象、深奥。其中最不易理解的是“反射弧”相关内容。钻研教材结合参考《教师教学用书(七下生物学)》,其中也反复强调“借助多种直观教具(动画、图片、模型等),结合实例分析”。其中第三节《神经调节的基本方式(第1课时)》的教学目标、重难点如下:

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       处理教学中的重难点~化抽象为形象,化无形为有形,我们作为创客老师的优势会显露无疑!

下面是教案中教学流程的截图:

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        2016年利用ArduinoUNO制作了一个简易反射弧教具;一直想改进它能够表现“神经冲动”的动态显示。终于WS2812B灯带在Mind+中简单易懂地出现了。

       表现“神经冲动”加上系统时间的计时功能都可以用上,两个Micro:bit之间的无线通信功能也为收集时间数据定量测定反射活动提供了可能!

材料清单 材料清单
2x
micro:bit 编程入门开发板
2x
Micro:Mate—最小的micro:bit多功能I/O扩展板
3x
炫彩 WS2812 RGB LED可剪裁白色灯带
1x
DMS-MG90 金属9g舵机 (1.8Kg)
1x
Flame sensor火焰传感器
1x
数字触摸开关Touch
1x
数字食人鱼蓝色LED发光模块
2x
5毫米 柔光LED包 50只(多色)
1x
安泰信防静电无铅恒温电焊台
1x
学校生物保管室“骷髅”模型或瓦楞纸板
1x
打火机/杜邦线等

人体神经系统如下图所示:

        两个神经中枢分别是脑和脊髓,及由它们向身体各处发出的神经。micro:BitA模拟的神经中枢是“脑”,micro:BitB模拟的神经中枢是“脊髓”。三条WS2812LED灯带模拟“神经冲动”的路径,作为传入神经又是传出神经。开始准备了瓦楞纸板,准备在上面画上下图人形。

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        由于没有绘画基础,再者想到立体结构可能效果更佳吧。于是就在生物保管室里找到了浑身是灰的“骷髅小哥”,立即替代了瓦楞纸。提了一桶水,乘着暖阳,用旧牙刷把“小哥”全身洗个遍。瞧瞧,正在晒太阳呢!

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       已砍掉的功能:在学生进行火灼反射活动中,第2个舵机控制“骷髅小哥”张口及闭合,同时数字型喇叭发出类似疼痛的叫声。

       主要问题:数字型喇叭在第1次打火机触发火焰传感器时可以发声,再次进行多数情况会不正常。

下图是焊接2个暖黄LED灯(脚上套上热缩管防止短接),充当“骷髅小哥”的眼睛。

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       舵机加上连接杆模拟大腿部肌肉,当用打火机触发火焰传感器时,“骷髅小哥”的右小腿部会迅速“弹跳一次”。

脑(BitA)端接线图:

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脊髓(BitB)端接线图:

(注:为与程序保持一致,下图应改为P1接火焰传感器;P2接触摸传感器)

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       脑(BitA)端与脊髓(BitB)端是上下两个独立单元,通过无线电相互传递信息。

        在“骷髅小哥”上安装两个单元比较简单,只需要皮筋、胶带等就可以快速固定,也容易取下。

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脊髓(BitB)端代码 :

(由于从“骷髅小哥”下肢触发,所以这里先解读)

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      上图是针对触摸传感器触发后引起的7LED灯带的逆向(灯带末端向BitB接线端)显示“神经冲动”沿着传入神经向上传递的效果。

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       上图是针对火焰传感器触发后引起的13LED灯带的逆向(灯带末端向BitB接线端)显示“神经冲动”沿着传入神经向上传递的效果。两个参数分别是灯带灯个数及显示“神经冲动”的每个LED灯移动的动态效果的时间间隔。

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       上图是针对火焰传感器触发后引起的13LED灯带的顺向(BitB接线端向灯带末端)显示“神经冲动”沿着传出神经向下传递的效果。两个参数同上。

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       上图是针对BitB端显示正在处理传入的信号或准备传出的信号动态效果:逆时针转动,最后显示对勾表示完成。(这里我的BitB是倒放的,故代码中最后一条是我加的“对勾”图案)

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       上图主程序在实时监听两个外界刺激(触摸或火焰)。如:打火机触发了火焰传感器>程序立即存入此刻系统时间->LED灯带动态显示“神经冲动”向上传入BitB>到达BitB>BitB显示正在处理的动态效果(逆时针转动)->处理完毕显示“对勾”->无线发送信息“Burn”给BitA>计算存储传入“神经冲动”的时间>发送给BitA(BitA识别标签是b)>传出“神经冲动”显示动态效果>大腿处舵机迅速启动。

脑(BitA)端代码 :

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        上图完全类似BitB的传入“神经冲动”显示效果。

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         strProcess函数是解析来自BitB的信息。

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         BitA根据无线接收的信息解读辨析出是“触摸”信号还是“火灼”信号决定亮灭双眼LED灯还是亮灭头顶蓝色LED灯;并根据接收信号标签判断是“触摸”信号还是“火灼”信号来决定显示在串口的定量测定的“神经冲动”时间数据。以展示给学生们从数据角度仿真了解到“有的反射为何大脑之后才知道外界刺激”。

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    (前前后后省略50+次测试)

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        明确目标、重难点。

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步骤1 步骤1
自主学习
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步骤2 步骤2
活动一:打手游戏
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        活跃气氛,为导入主题”热身“准备。

     学生根据亲身体验完成简单问题。

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步骤3 步骤3
活动二:实验——膝跳反射

  实验前教师提示实验要点。

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    根据实验引导讨论。

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       配以教学参考配套光盘:动画演示“缩手反射”过程分析反射及反射弧结构。

步骤4 步骤4
活动三:【模拟实验】“骷髅小哥”之反射弧
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   PPT展示“骷髅小哥”GIF,实物模型展示在讲台上。

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       围绕“骷髅小哥”简要回顾上一节中与本节相关内容,并指导如何观察及正确操作。

1、触摸反射

     鼓励学生说出“触摸反射”过程,直观感受脊髓先收到信号,然后再传给大脑。

2、火灼反射

    进一步认识反射过程。

3、定量测定

    从量的角度仿真模拟人体两大神经中枢(脑和脊髓)分别收到信号的时间。

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步骤5 步骤5
课堂小结
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步骤6 步骤6
课后反馈
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      夜间下课后,学生们排着队,都来亲自试一试!其它年级学生也好奇地围观。

      看来这个直观模型教具似乎并没吓着谁。最后热心的学生还来帮忙整理复位,问这问那.....

步骤7 步骤7
课外拓展

        分析讨论与神经系统有关的疾病,判断可能发生的位置,并借助“骷髅小哥”检验自己的判断。如:一位双眼没有任何问题的妇女却失明了。根据分析可能情况一一列出,再“骷髅小哥”脑部逐一检查排除;又如:一个运动员受伤后,腿部分没有任何损伤,但却没有了知觉......

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        七年级学生年龄特点决定了他们还未过渡到较高的抽象思维水平,因此最直观的仿真模型似乎是最佳教具;也就是说模型胜于动画,动画胜于图片,图片胜于文字。模型的视觉冲击力也是最强的,再加上优秀软硬件支持,教学效果应该不错。

        整个比赛过程中,越来越感觉到各个学科都能够充分运用开源软件开展教学,我们的创客老师们是时候一展身手了!

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大脑端代码、脊髓端代码、教案、学案(含答案)、PPT

https://gitee.com/vividxpx/reflex_arc.git

Makelog作者原创文章,未经授权禁止转载。
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