提出課題

高抬腿運動是體育課中常見的訓(xùn)練項目，很多時候同學們做不到位，而老師難以顧及每位同學。我想，能不能設(shè)計一種設(shè)備幫助同學們進行高抬腿運動訓(xùn)練，如果動作標準到位，就會給出提示，激發(fā)同學們鍛煉的興趣。

我上網(wǎng)查詢，僅發(fā)現(xiàn)原地高抬腿動作訓(xùn)練器這種產(chǎn)品，但該產(chǎn)品受場地限制較大，不利于推廣。我決定研究一款不受場地限制、攜帶方便且適用性強的高抬腿運動訓(xùn)練器。

研究計劃

我了解到高抬腿運動的主要作用是訓(xùn)練腿部爆發(fā)力，提高下肌肉群的蹬撐能力和持續(xù)的無氧運動能力。它主要分為原地高抬腿運動和行進間高抬腿運動兩種。

高抬腿運動要想達到良好的效果，得在保持上身挺直的情況下，大腿向前上抬至水平位置。但是在體育課上，通常同學們將大腿抬高幅度小，沒有抬至水平位置。

我研究的高抬腿運動訓(xùn)練器不僅要適用于原地高抬腿運動，還要適用于行進間高抬腿運動，幫助訓(xùn)練人自我監(jiān)測高抬腿運動時大腿是否抬至水平位置，給出提示與反饋，提高高抬腿運動質(zhì)量與訓(xùn)練興趣。

方案設(shè)計

方案一

固定一根立桿，立桿上固定光電傳感器和計數(shù)器。根據(jù)訓(xùn)練人身高，通過調(diào)節(jié)立桿高度來調(diào)節(jié)光電傳感器的高度。

訓(xùn)練人站在立桿前，原地進行左右交替高抬腿，大腿抬高至水平位置，遮擋光電傳感器。光電傳感器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號傳至計數(shù)器，計數(shù)器計數(shù)，從而實現(xiàn)檢測、計數(shù)功能。

不足：

只適用于原地高抬腿運動。

方案二

當水平儀處于水平狀態(tài)時，氣泡會停留在條形玻璃管的中間位置。當水平儀傾斜時，氣泡會偏離中間，向高的一側(cè)移動。運用這個原理，將水平儀綁在大腿一側(cè)，站立時，氣泡偏移至上端；當大腿抬高至水平及以上位置時，氣泡向中間移動。

將水平儀固定在光耦槽型光電開關(guān)傳感器中間，光電開關(guān)傳感器只要感應(yīng)到氣泡，就會產(chǎn)生電信號，計數(shù)器接收電信號，實現(xiàn)計數(shù)。

存在的問題：

我在制作過程中遇到了困難，難以繼續(xù)。同時，我發(fā)現(xiàn)：當大腿抬高至水平及以上位置時，氣泡可能會經(jīng)過中間位置移至另一側(cè)；當大腿放下，水平儀恢復(fù)垂直狀態(tài)時，氣泡再次經(jīng)過中間位置，回到這一側(cè)，這時光電開關(guān)傳感器又產(chǎn)生電信號，即一次高抬腿動作產(chǎn)生兩次電信號。

方案三

為了監(jiān)測左右腿交替抬高至水平位置，在腰部固定一個“L”形裝置。這種裝置由兩塊柔性連接的平板構(gòu)成，豎板綁于腰部，與之相連的橫板正常狀態(tài)為120°左右朝下、向外伸出，在豎板與橫板結(jié)合處的中間安裝一個感應(yīng)開關(guān)。

當大腿抬高至水平位置時，大腿帶動橫板向上旋轉(zhuǎn)，觸發(fā)開關(guān)閉合，發(fā)出電信號，計數(shù)器接收到電信號后，進行一次標準高抬腿動作計數(shù)。如果大腿未抬高至水平位置，則橫板不會向上旋轉(zhuǎn)至開關(guān)觸發(fā)位置，則沒有電信號發(fā)出，計數(shù)器不會計數(shù)。

其工作原理是通過感應(yīng)傳感器實現(xiàn)檢測，首先將測量的變化（高抬腿至水平位置）轉(zhuǎn)換為信號的變化，然后通過感應(yīng)轉(zhuǎn)換元件變換成電信號，再由設(shè)備接收裝置進行接收，從而實現(xiàn)檢測、計數(shù)等功能。

這種方案同時適用于原地高抬腿運動和行進間高抬腿運動，故選擇這種方案。

制作與使用

我將豎板與橫板柔性連接成“L”形。選擇干簧管接近開關(guān)作為傳感器。將主控模塊、語音模塊集成在電路板上，與干簧管模塊、數(shù)碼管、喇叭、電源集中安裝在一個盒子內(nèi)，這個盒子即訓(xùn)練器的控制盒。把干簧管的感應(yīng)頭固定在控制盒的下端，將控制盒固定在豎板的中央，再將圓形小磁鐵片固定在橫板的適當位置。當橫板向上轉(zhuǎn)動時，圓形小磁鐵片與干簧管感應(yīng)頭正對應(yīng)。

將訓(xùn)練器綁于腰部，按下開始鍵，進行高抬腿運動。1分鐘后，訓(xùn)練器顯示和播報已完成標準高抬腿動作的次數(shù)。休息1分鐘后，再進行高抬腿運動1分鐘，訓(xùn)練器顯示和播報已完成標準高抬腿動作的次數(shù)，訓(xùn)練人可將兩次的次數(shù)進行比較。

自己、家人和同學進行試驗，結(jié)果表明該訓(xùn)練器可以準確靈敏地對高抬腿標準動作進行計數(shù)。大家提出了一些建議，我覺得很有幫助，將進一步完善。

創(chuàng)新點

便攜式高抬腿運動訓(xùn)練器結(jié)構(gòu)簡單、便于攜帶，無需其他配套裝置，無電源要求，無特殊場地要求，不僅適用于原地高抬腿運動，還適用于行進間高抬腿運動，實用性強，便于推廣。

不僅有助于學生等訓(xùn)練人群自我提高高抬腿動作質(zhì)量，這種訓(xùn)練器還能幫助老師或教練同時監(jiān)督多個學生進行高抬腿運動，并客觀評價運動效果。

完善設(shè)想

1.高抬腿運動要求訓(xùn)練人上身挺直，考慮增加感應(yīng)上身是否挺直的功能。訓(xùn)練人上身挺直，訓(xùn)練器正常計數(shù)；如果訓(xùn)練人上身彎曲超過一定弧度，訓(xùn)練器不予計數(shù)并發(fā)出警報，提醒訓(xùn)練人糾正動作。當訓(xùn)練人重新挺直上身后，訓(xùn)練器恢復(fù)正常計數(shù)。

2.采用輕質(zhì)材料制作豎板、橫板，在柔性連接處安裝彈簧鋼片，避免橫板因為慣性上下晃動。

3.在保證功能的前提下，進一步集成控制部分的各功能模塊。改用輕質(zhì)塑料制作控制盒，減小盒子體積，減輕質(zhì)量。進一步優(yōu)化橫板尺寸，使訓(xùn)練器更加緊湊、輕巧、美觀。（指導(dǎo)老師：曾雅莙" " 付慧慧）

專家點評

徐奧祥同學的便攜式高抬腿運動訓(xùn)練器，是一件富有原創(chuàng)性的發(fā)明作品。高抬腿是一種常見而簡單的有氧運動，這種運動可以在合適的地方隨時進行，是有助于全民健身活動開展的好項目。徐奧祥同學從體育課堂分析獲得這樣的課題，并通過查找資料等方式確定其項目的發(fā)展方向，不僅為青少年體育課程學習提供了一款新穎的設(shè)備，也為全民健身活動的有效開展提供了新的技術(shù)支撐。

這件作品產(chǎn)生的過程，主要體現(xiàn)徐奧祥同學：其一，對科技創(chuàng)新活動具有濃厚的興趣，對本人研究的成果具有強烈的分享意愿，具有一定的科學素養(yǎng)和嚴謹?shù)目茖W態(tài)度。其二，具備開展科技創(chuàng)新實踐的基本素質(zhì)和能力，能夠理解作品相關(guān)的基本科學原理和概念，掌握了涉及項目內(nèi)容的研究方法和關(guān)鍵技術(shù)。其三，對自己作品下一步的發(fā)展有較為理性的認識。總之，作為初中生，我們就是要通過這種項目式學習方式，使自己的科研潛質(zhì)得以培養(yǎng)。