巧用攝像頭破解演示實驗的難點

摘要：鑒于攝像頭技術(shù)已經(jīng)成熟和普及，它可以在物理演示實驗中廣泛應(yīng)用。本文提出了應(yīng)用攝像頭的兩種教學(xué)模式：分離式和捆綁式。這兩種模式可以實現(xiàn)以下效果：現(xiàn)象放大（特寫）效果；視角轉(zhuǎn)換效果；環(huán)境獨立化效果；動態(tài)現(xiàn)象靜態(tài)化效果……從而有效破解演示實驗的一些難點。

關(guān)鍵詞：攝像頭；實驗難點；分離式；捆綁式

中圖分類號：G633.7

文獻標識碼：A

文章編號：1003-6148(2007)4(S)-0053-3

演示實驗是物理課堂教學(xué)中的重要內(nèi)容。許多物理實驗工作者為提高演示實驗的教學(xué)效果，作出了不懈努力，但仍然需要有新的進展和突破。為此，筆者對如何應(yīng)用攝像頭突破物理演示實驗的難點進行了探索。

1 攝像頭的功能和特點

攝像頭是一種利用光電技術(shù)采集影像的數(shù)字視頻輸入設(shè)備。它配合個人電腦，可以把外界的動態(tài)影像輸入并保存到電腦上，還可以通過投影設(shè)備把影像投射到屏幕上。攝像頭的作用類同人的眼睛，負責(zé)接受外界的影像信息進行傳輸。

攝像頭具有如下特點：

①體積小：可以達到拇指般大小，甚至更小；

②分辨率高：影像分辨率一般可達48萬，可以拍攝到較清晰的影像；

③動態(tài)好：幀頻最大可達30幀/秒，可完全滿足人的視覺需要；

④焦距短：拍攝距離可以從2cm到無窮遠，并可以手動調(diào)焦；

⑤使用方便：把攝像頭連線插到電腦的USB接口上，配合電腦就可以正常使用；

⑥價格便宜：一般在30～100元之間；

⑦取材方便：一般電腦耗材店都有大量現(xiàn)貨，可隨時購買。

攝像頭所具有的這些功能和特點，使得它在物理演示實驗中進行廣泛應(yīng)用成為可能。

2 物理演示實驗的若干難點

演示實驗“側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生通過觀察思考，了解物理現(xiàn)象、規(guī)律和條件，理解概念和規(guī)律，學(xué)習(xí)規(guī)范化的操作技能和方法”^[1]。所以好的演示實驗應(yīng)該具有：原理簡單明了、現(xiàn)象原始直接、可見度高、操作簡便的特點。其中，可見度高低通常決定著演示實驗的成敗，它直接影響著演示實驗的教學(xué)效果。為此，人們采用了各種方法去提高演示實驗的可見度，并取得了相當效果。但也有些實驗并不盡如人意，主要表現(xiàn)為：實驗現(xiàn)象的可見度雖有提高，但實驗的原理被復(fù)雜化了，同時給學(xué)生展示的實驗現(xiàn)象也不再是原始的物理現(xiàn)象，而是其它更高層次的間接現(xiàn)象^[2][3]。或為獲得高的可見度，把演示實驗放到晚上演示^[4]，使實驗演示與課堂教學(xué)發(fā)生了分離。有兩類實驗特別突出：①動態(tài)性強的實驗，例如：超重和失重現(xiàn)象的演示實驗，相對運動現(xiàn)象的實驗等； ②要求特殊環(huán)境（如暗室）的實驗，例如：光的折射、全反射、帶電粒子在磁場中運動等實驗。

3 攝像頭在演示實驗中的應(yīng)用模式

3.1分離式 這就是讓攝像頭與實驗儀器（器材）分離，攝像頭只作為旁觀者（而不是參與者）出現(xiàn)，負責(zé)把實驗現(xiàn)象進行傳遞。在這種模式下，通過攝像頭可以實現(xiàn)三種效果：現(xiàn)象放大（特寫）效果；視角變換效果；環(huán)境獨立化效果。

現(xiàn)象放大（特寫）效果：就是利用攝像頭對演示實驗裝置和現(xiàn)象進行全局或局部的觀察，并通過電腦把影像投影到屏幕上，從而獲得足夠大的全景影像或局部特寫影像。例如在進行玻璃瓶微小形變演示實驗時， 雖然玻璃管內(nèi)液柱高度變化很顯著，但由于玻璃管很細小，可見度低。此時可用攝像頭對這實驗現(xiàn)象進行近距離的特寫（如圖1），并投影到屏幕上，學(xué)生將能獲得足夠大的可見度。視角變換效果：就是利用體積小、移動方便，可在任意角度進行立體“觀察”的攝像頭，來代替學(xué)生的眼睛觀察實驗，改變學(xué)生只能沿水平方向觀察的限制，使學(xué)生實現(xiàn)對實驗進行全方位立體式的觀察。如在研究通電直導(dǎo)線的磁場時，直導(dǎo)線豎直放置，小磁針只能在同一水平面上均勻置于導(dǎo)線周圍。這個實驗要求我們較近距離地俯視觀察，對于課堂上大多數(shù)學(xué)生是很難直接觀察到的。但如果我們在小磁針的正上方放置一攝像頭（如圖2），把實驗現(xiàn)象投影到屏幕上，困難就迎刃而解了。

環(huán)境獨立化效果：就是把代替學(xué)生眼睛的攝像頭和實驗裝置，置于特殊的實驗環(huán)境（如暗箱）之內(nèi)，而學(xué)生置身于實驗環(huán)境（暗箱）之外，從而使實驗環(huán)境與實驗觀察者完全分離，獲得了實驗環(huán)境（暗箱）的獨立性。例如：光的折射、全反射實驗和電荷在磁場中運動的實驗等，這些實驗的現(xiàn)象在白天較強光線的環(huán)境下都很難獲得足夠的可見度，需要在黑暗的環(huán)境中進行。（許多老師會把實驗稍提前或推后到晚上演示，顯然這使演示實驗與課堂教學(xué)發(fā)生了分離。）為此，可以把整個實驗裝置放入一個足夠大的封閉的硬紙板箱或木箱內(nèi)（為了便于對實驗的操作，箱體的其中一側(cè)可用黑布簾代替紙板或木板），并把攝像頭置于箱內(nèi)的合適位置，對箱內(nèi)的實驗現(xiàn)象進行“觀察”，而此時學(xué)生則在光線明亮的教室里觀察著屏幕上的清晰現(xiàn)象。可見，利用這種獨立的“暗室”進行實驗，實現(xiàn)了實驗演示與課堂教學(xué)的同步。

3.2 捆綁式 這種模式是把攝像頭與某實驗儀器（器材）捆綁在一起，連成一整體進行實驗。在這種模式下，攝像頭既是實驗現(xiàn)象的觀察者，負責(zé)起實驗現(xiàn)象的傳遞，也是實驗的參與者（當然，這種參與是為了觀察而被迫參與的）。通過這種模式，可實現(xiàn)動靜狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，使原來難以觀察的動態(tài)現(xiàn)象變?yōu)殪o態(tài)進行觀察。下面略舉三例：

a.超重、失重現(xiàn)象演示實驗：

用支架把攝像頭固定在彈簧秤的正前方，使它與彈簧秤成為一個較為堅固的整體，如圖3所示。通過手動方式調(diào)好焦，使它能清楚拍到彈簧秤指針和刻度線。然后在彈簧秤下掛上重物，讓彈簧秤拉著重物在豎直方向上做變速運動。在整個過程中，代替人眼睛的攝像頭相對彈簧總是靜止的，所以通過攝像頭輸出的影像，就與觀察者相對彈簧秤靜止時觀察的結(jié)果一樣。通過攝像頭學(xué)生已不再需要直接觀察運動著的彈簧秤及其示數(shù)變化，而是通過攝像頭觀察相對彈簧秤靜止的實驗現(xiàn)象。這就徹底突破了這個實驗不可觀察的傳統(tǒng)禁區(qū)。

b.完全失重現(xiàn)象的觀察：

①完全失重狀態(tài)下物體間相互作用力為0的現(xiàn)象：如圖4所示，把攝像頭固定在彈簧秤正前方合適的位置，使它能清楚拍到彈簧秤指針和刻度線。讓A、B及彈簧秤等一起只在重力作用下運動，物體處于完全失重狀態(tài)，此時學(xué)生通過攝像頭，就可以觀察到完全失重狀態(tài)下物體間相互作用力為0的現(xiàn)象。

②完全失重狀態(tài)下浮力為0的現(xiàn)象：如圖5所示，給透明的大小適合的塑料瓶充滿水，用細繩反拉住浮沉子，攝像頭固定在瓶子的中間位置，使攝像頭能清晰地“看到”瓶的全境。實驗時先松開細繩，讓學(xué)生通過攝像頭，觀察在常態(tài)時浮沉子在浮力作用下上浮的現(xiàn)象。然后再把浮沉子拉回到瓶的底部，松開細繩，同時讓瓶只在重力作用下運動，物體處于完全失重狀態(tài)，此時學(xué)生通過攝像頭，就可以觀察到完全失重狀態(tài)下浮力為0的現(xiàn)象。

③完全失重狀態(tài)下液體壓強為0的現(xiàn)象：如圖6所示，給塑料瓶裝滿深色的水，瓶的背部固定一塊白色的背景板，在瓶子前面適合的距離處固定攝像頭，讓攝像頭全境地“看到”瓶子，再在靠近瓶子底端兩側(cè)各開幾個小孔。實驗時，先讓學(xué)生通過攝像頭觀察靜止狀態(tài)下水從小孔噴出的現(xiàn)象（說明液體內(nèi)部存在壓強），再讓瓶子保持豎直放置的狀態(tài)自由落下，這時學(xué)生通過攝像頭將可清晰地看到水柱消失了，這就是在完全失重狀態(tài)下液體壓強為0的現(xiàn)象。實驗時，為了防止攝像頭等實驗儀器摔壞，要給鏡頭加保護罩并在地面鋪上軟墊。

c.相對運動現(xiàn)象的觀察：

在教師講授相對運動時，一般是通過引導(dǎo)學(xué)生回憶生活中有關(guān)相對運動的感性體驗去進行講解，很少進行困難的演示實驗。現(xiàn)在應(yīng)用攝像頭，可以輕易解決這一難題。實驗裝置如圖7所示（沿導(dǎo)軌方向視圖），兩平板車A、B放在相隔一定距離又相互平行的導(dǎo)軌上，把一攝像頭a固定在其中一平板車（設(shè)為A車）上，使攝像頭能較好地“看到”B車，然后再把另一攝像頭b置于A、B車軌道的正上方，讓攝像頭b能清晰“看到”兩車及其軌道。a、b兩攝像頭的影像同時投影到屏幕上。這樣既可以讓學(xué)生通過攝像頭b觀察到A、B實際的運動情況，又可以通過攝像頭a觀察到A、B的相對運動情況。通過對這兩種運動情況的比較，促進學(xué)生對相對運動的理解。當然，實驗時可以按這樣先后順序進行：①觀察A靜止，B運動時的情況；②觀察B靜止，A運動時的情況；③觀察A、B同向運動，速度不相等時的情況；④觀察A、B同向運動，速度相等時的情況。

4 小結(jié)

作者對攝像頭在物理演示實驗中的應(yīng)用作了些探索，提出了兩種應(yīng)用模式：分離式和捆綁式。顯然這兩種模式，可較有效地解決演示實驗中的動態(tài)觀察問題和特殊環(huán)境要求問題。期望這些能給大家一點啟發(fā)，達到提高物理教學(xué)質(zhì)量的目的。

參考文獻

[1]顧明遠主編.《教育大辭典》.上海教育出版社，1997，2 ，P3926

[2]賈愛英.對超重、失重演示實驗的再改進.教學(xué)儀器與實驗[J]，2006. 3

[3]孫永華.對超重和失重演示實驗的改進.物理實驗[J]，2005.4.

[4]王建英.芻議提高演示實驗可見度的幾類方法.實驗教學(xué)與儀器[J]，2003.10

(欄目編輯 王柏廬)