《全民科學(xué)素質(zhì)行動(dòng)規(guī)劃綱要(2021—2035年)》指出,要在“十四五”時(shí)期實(shí)施青少年科學(xué)素質(zhì)提升行動(dòng),激發(fā)青少年好奇心和想象力,增強(qiáng)科學(xué)興趣、創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力,培育一大批具備科學(xué)家潛質(zhì)的青少年群體,為加快建設(shè)科技強(qiáng)國(guó)夯實(shí)人才基礎(chǔ)[1]。《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》提出,要?jiǎng)?chuàng)新教學(xué)方式,以真實(shí)問(wèn)題或項(xiàng)目驅(qū)動(dòng),引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷原理運(yùn)用過(guò)程、計(jì)算思維過(guò)程和數(shù)字化工具應(yīng)用過(guò)程,建構(gòu)知識(shí),提升問(wèn)題解決能力[2]。在小學(xué)課程中開(kāi)展主題式的多學(xué)科創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng),可以有效落實(shí)對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng),為學(xué)生全面發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[3]。小學(xué)低段學(xué)生具有好奇心強(qiáng)、喜歡從身邊事物出發(fā)提出問(wèn)題的特點(diǎn)?;诖颂攸c(diǎn),筆者從小學(xué)低段體育課跳高成績(jī)測(cè)量出發(fā),創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境,引導(dǎo)學(xué)生思考如何利用數(shù)學(xué)課、科學(xué)課所學(xué)內(nèi)容解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題,與學(xué)生共同完成基于激光測(cè)距原理的跳高測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。
問(wèn)題的提出
不同于跳遠(yuǎn),原地垂直跳高的高度值是動(dòng)態(tài)變化的,因此難以定點(diǎn)記錄,無(wú)法靜態(tài)通過(guò)米尺測(cè)量。
一種簡(jiǎn)單的方法是將跳高轉(zhuǎn)換為摸高。在學(xué)生手上抹上石灰粉或顏料,起跳時(shí)在墻面上留下手印,通過(guò)計(jì)算起跳摸高的最高點(diǎn)痕跡和自然站立手臂上舉手掌位置的高度差,確定跳高高度。然而,緊貼墻面起跳會(huì)影響成績(jī)發(fā)揮,不易操作。同時(shí),由于該方法需要在墻壁上留下痕跡,影響墻壁整潔美觀,不具備廣泛應(yīng)用的可行性。
另一種方法是以高度標(biāo)尺為背景,通過(guò)高速攝像機(jī)捕捉跳高瞬間畫(huà)面,找到跳高最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的圖像,再運(yùn)用事先標(biāo)定好的圖像與高度標(biāo)尺的對(duì)應(yīng)關(guān)系,讀出跳高高度。然而,高速攝像機(jī)價(jià)格高昂,且高速攝像機(jī)與高度標(biāo)尺系統(tǒng)的標(biāo)定、布置對(duì)專(zhuān)業(yè)技術(shù)水平要求較高,不利于大規(guī)模推廣使用[4]。
因此,小學(xué)校園迫切需要一種原理簡(jiǎn)單、成本低,易于布置和推廣的跳高測(cè)量系統(tǒng)。
研究意義
本文基于激光測(cè)距模組,構(gòu)建了一套簡(jiǎn)易跳高測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工作原理簡(jiǎn)單、成本較低,且與小學(xué)二年級(jí)數(shù)學(xué)課程中長(zhǎng)度測(cè)量知識(shí)緊密結(jié)合,不僅在技術(shù)上具有創(chuàng)新性,還在教育、社會(huì)、科技推廣和健康促進(jìn)等方面具有重要實(shí)踐意義,具體包括以下幾個(gè)方面。
一是將小學(xué)數(shù)學(xué)測(cè)量概念與現(xiàn)實(shí)生活結(jié)合,體現(xiàn)學(xué)科融合特點(diǎn),提高學(xué)生解決問(wèn)題的能力,激發(fā)學(xué)生科學(xué)創(chuàng)新興趣。
本研究從體育課程中的跳高練習(xí)出發(fā),引導(dǎo)學(xué)生提出問(wèn)題。與小學(xué)二年級(jí)正在學(xué)習(xí)的長(zhǎng)度測(cè)量知識(shí)點(diǎn)密切結(jié)合,通過(guò)構(gòu)思、搭建、調(diào)試該系統(tǒng),加深學(xué)生對(duì)長(zhǎng)度測(cè)量知識(shí)點(diǎn)的理解,提高學(xué)生的跨學(xué)科能力和用數(shù)學(xué)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。通過(guò)開(kāi)發(fā)系統(tǒng),學(xué)生不僅學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)、科學(xué)、體育知識(shí),還接觸、理解激光測(cè)量等現(xiàn)代科技,激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)技術(shù)的興趣。
二是準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)學(xué)生運(yùn)動(dòng)狀態(tài),促進(jìn)學(xué)生體質(zhì)提升。
通過(guò)精確的跳高測(cè)量,學(xué)生可以更好地了解自己的運(yùn)動(dòng)水平,有助于他們?cè)隗w育活動(dòng)中設(shè)定合理的目標(biāo),從而更積極地參與體育鍛煉,提高身體素質(zhì)。準(zhǔn)確的測(cè)量還可以幫助教師監(jiān)測(cè)學(xué)生的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),及時(shí)調(diào)整訓(xùn)練計(jì)劃,預(yù)防過(guò)度訓(xùn)練或不當(dāng)訓(xùn)練引發(fā)的運(yùn)動(dòng)損傷。
三是操作便捷、成本低廉,為其市場(chǎng)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ),有助于促進(jìn)教育公平,促進(jìn)全民健身。
該系統(tǒng)利用激光測(cè)距儀的高精度、高效率的特點(diǎn),能夠提供比傳統(tǒng)米尺等工具更準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。同時(shí),該系統(tǒng)調(diào)試簡(jiǎn)單便捷,且物料成本控制在150元以?xún)?nèi),在各級(jí)學(xué)校體育測(cè)試、家庭、社區(qū)中具有廣泛的應(yīng)用潛力,有助于縮小教育資源差距,促進(jìn)教育公平和全民健身。
系統(tǒng)工作原理
1.激光測(cè)距原理
激光具有指向性強(qiáng)、能量密度大的特點(diǎn),非常適合進(jìn)行絕對(duì)距離的測(cè)量。在測(cè)量方法方面,激光測(cè)距包括調(diào)幅、調(diào)頻和直接飛行時(shí)間法等。其中,直接飛行時(shí)間法屬于脈沖測(cè)距,抗陽(yáng)光特性好,不受天氣、場(chǎng)景限制,更具大規(guī)模應(yīng)用潛力。其工作原理是通過(guò)測(cè)量脈沖發(fā)出時(shí)間與被測(cè)物體反射回波的時(shí)間差,乘以光速,計(jì)算被測(cè)距離。具體的公式是[5]
L= c×t ÷2
其中,L是被測(cè)距離,c是光速,t是所測(cè)飛行時(shí)間,除以2是因?yàn)槊}沖一去一回,完成了兩遍被測(cè)距離,如圖1所示。
近年來(lái),隨著激光測(cè)距應(yīng)用場(chǎng)景日趨多元,如智能駕駛信息采集、掃地機(jī)器人測(cè)距建圖、裝修室內(nèi)空間測(cè)量等,激光測(cè)距模組技術(shù)已比較成熟。5米量程、厘米級(jí)精度的激光測(cè)距模組售價(jià)低于100元,具備大規(guī)模集成應(yīng)用的可行性。
2.跳高測(cè)量原理
原地站立跳高測(cè)量的基本原理是測(cè)量自然站立時(shí)被測(cè)頭頂高度,即身高和原地起跳過(guò)程中被測(cè)頭頂最高高度,通過(guò)求差得出原地起跳高度。其難點(diǎn)是如何準(zhǔn)確判斷并測(cè)量被測(cè)頭頂最高點(diǎn)。結(jié)合前文所述激光測(cè)距原理,利用其高速連續(xù)測(cè)量的特性,可以將激光測(cè)距模組懸于被測(cè)頭頂,記錄被測(cè)自然站立時(shí)頭頂高度,同時(shí)可以連續(xù)記錄起跳過(guò)程中頭頂距離激光模組的變化數(shù)據(jù),最后通過(guò)篩選出最小值后求差,得出原地起跳高度數(shù)據(jù)。
如圖2所示,起跳高度H2=L2-L3。L1的測(cè)量可作為系統(tǒng)標(biāo)定,確認(rèn)距離測(cè)量系統(tǒng)是否正常工作??梢钥闯觯撓到y(tǒng)還有一個(gè)附加功能,就是人體身高測(cè)量即H1=L1-L2
圖2的下半部分為激光測(cè)距連續(xù)輸出結(jié)果的圖形化顯示,可以清晰地看出跳高的不同階段;利用其連續(xù)距離原始數(shù)據(jù)的圖形化顯示,可以判斷出波形數(shù)據(jù)的最小值就是跳高的最高值。
系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方案
根據(jù)上述工作原理,本跳高測(cè)量系統(tǒng)有如下部分組成:(1)三腳架L型支架;(2)激光測(cè)距儀(模組);(3)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接板;(4)計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)顯示軟件。鏈接方式如圖3所示。
其中,三腳架L型支架的作用是將激光測(cè)距模組固定于懸空位置。激光測(cè)距儀提供激光測(cè)距功能,工作頻率為100Hz,其輸出接口為T(mén)TL電平串口。由于計(jì)算機(jī)沒(méi)有串口接口,因此需要用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接板實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口功能。計(jì)算機(jī)及程序提供原始數(shù)據(jù)顯示作用。
系統(tǒng)測(cè)試和結(jié)果分析
調(diào)試好系統(tǒng)后,進(jìn)行了初步跳高測(cè)量實(shí)驗(yàn),實(shí)物系統(tǒng)如圖4所示,實(shí)驗(yàn)步驟如下。
第一步,在三腳架L型支架上固定激光測(cè)距儀,鏈接數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接板。需要注意的是,如果使用金屬三腳架,需做好與電路板的絕緣處理,避免短路。
第二步,將三腳架固定在墻面,以實(shí)現(xiàn)垂直向下測(cè)量。
第三步,測(cè)量對(duì)地距離值,同時(shí)用米尺測(cè)量測(cè)距儀與地面的高度差,判斷系統(tǒng)是否工作正常,測(cè)距值是否準(zhǔn)確。
第四步,被測(cè)人站立于跳高測(cè)量系統(tǒng)正下方,測(cè)量L2數(shù)據(jù)。
第五步,被測(cè)人原地起跳,觀察測(cè)距原始波形,判斷L3數(shù)據(jù)的極小值。
第六步,計(jì)算L3-L2,得到跳高值。
重復(fù)第四至六步5次,結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。
經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該系統(tǒng)工作正常,可以有效實(shí)現(xiàn)跳高測(cè)量功能。
效果與評(píng)價(jià)
綜上,本文所述的跳高測(cè)量系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單,易于實(shí)施和推廣,具有測(cè)量準(zhǔn)確、測(cè)量效率高、成本低廉的特點(diǎn)。結(jié)合小學(xué)二年級(jí)同期學(xué)習(xí)的長(zhǎng)度測(cè)量知識(shí),可以使學(xué)生更加深刻地理解長(zhǎng)度測(cè)量原理,有助于提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的意識(shí)和能力。
但從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)到真實(shí)產(chǎn)品,該系統(tǒng)的完成度還有待提高,如測(cè)距頻率目前只有100Hz,測(cè)量精度只有厘米量級(jí),只能進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)量。后續(xù)可以考慮使用測(cè)距頻率更高、精度更高、多點(diǎn)測(cè)量的激光測(cè)距模組實(shí)現(xiàn)更高精度的測(cè)量。在智能化方面,也可以考慮利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù),記錄學(xué)生身高、跳高信息,為學(xué)生體育鍛煉、生長(zhǎng)發(fā)育提供教學(xué)應(yīng)用支持。
參考文獻(xiàn)
國(guó)務(wù)院. 全民科學(xué)素質(zhì)行動(dòng)規(guī)劃綱要(2021—2035年)[R]. 2021-06-25.
中華人民共和國(guó)教育部. 義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)[S].北京:北京師范大學(xué)出版社,2022:4-11.
趙林林. 小學(xué)如何開(kāi)展多學(xué)科創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)[J]. 北京教育(普教版),2018(6): 85.
王建明,鐘建春,于亞光. 采用激光測(cè)距數(shù)據(jù)估計(jì)短跑步態(tài)和參數(shù)的方法[J]. 北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2020,56(4): 514-521.
陳羽. 高精度脈沖激光測(cè)距儀的研究[D]. 西安:西安工業(yè)大學(xué),2014.