視頻分析方法運用于物理教學活動之簡介與探討

項 華 羅 樂

（1.北京師范大學物理學系，北京 100875；2.成都石室天府中學，四川 成都 610041）

1 視頻分析方法概述

所謂的視頻分析方法就是一種基于數據挖掘理念，利用計算機對視頻進行處理與分析，并在此基礎之上描述科學現象，實施科學實驗，總結和檢驗科學規律的科學方法.所謂的數據挖掘（Data Mining）是指利用計算機對處于離散狀態的數字數據（如數碼照片和數碼錄像）和處于連續狀態的模擬數據（如由膠片相機拍攝的照片）進行處理與分析，發現數據之間的關聯，構建新知識的過程.科學發展到近代，除去嚴密的實驗觀察和邏輯推理之外，基于計算機的虛擬仿真、視頻分析等技術也變成了重要的研究手段.

視頻分析方法主要包括獲取視頻數據、篩選視頻或圖像數據、借助軟件發現數據關聯（知識）以及交流知識價值等4個環節.具體說明如下.

（1）獲取視頻數據的一種途徑是利用數碼設備針對研究問題而拍攝的錄像，另一種途徑是利用搜索引擎在互聯網中獲得錄像.

（2）篩選視頻是根據研究問題、清晰度和誤差大小等情況，選取一段比較理想的視頻或視頻截圖作為研究對象.常用軟件包括Mr.Captor屏幕截屏軟件和QQ影音視頻播放軟件等等.

（3）發現數據關聯（知識）的常用工具包括Excel、ACDSee、幾何畫板、SPSS等數據處理軟件.

（4）交流與共享知識價值是在經歷數據挖掘之后，彼此交流數據挖掘經驗，體驗視頻分析方法的價值.

作為一種觀察與分析科學問題的手段，雖然很早以前就有人將視頻分析方法應用于科學教育之中，但是那時只是簡單運用，隨著數碼技術或者多媒體技術的飛速發展和普及，視頻分析方法的科學教育價值正被重新審視與認識.

視頻在當代社會生活中運用非常廣泛.借助現代數碼技術，特別是借助移動數碼技術，視頻可以記錄更加豐富的圖像信息，既可以記錄大到宇宙天體圖像，也可以記錄小到分子、原子圖像，既可以記錄緩慢的運動（如花朵開放），也可以記錄稍縱即逝的運動（如子彈飛行）.這就大大地拓展了肉眼觀察的范圍.

iPad、iPhone和iPod是備受青睞的高科技數碼產品.這些產品便于攜帶，功能豐富.如Vernier公司的Video Physics軟件可以讓學生探究iPad、iPhone、iPod錄下的物體運動規律.圖1展示了在iPhone中逐幀播放時籃球的位置軌跡，圖2展示了通過Video Physics軟件分析之后，籃球在x軸方向上的s－t圖和v－t圖，同樣還可畫出y軸方向上的s－t圖和v－t圖.這里運用了交互式數字視頻（Interactive Digital Video）技術，即對數字視頻進行數據收集和分析的硬件與軟件集成技術.

圖1

圖2

2 一個視頻分析方法之簡單運用范例

視頻分析方法運用于教學活動之中并不復雜.盡管視頻分析法包含了4個環節，但是實際教學之中并不一定全部經歷這4個環節.下面以“測量樹高”為例簡單說明視頻分析方法的教學應用.

（1）獲取視頻.利用數碼相機拍攝樹與人（或其他可作為標尺長度的物體）的照片，注意使樹與人（1.58m）在照片的同一平面上，拍攝角度應盡量與物體的中部持平，以避免視覺誤差.

（2）選取視頻（篩選信息）.將照片導入計算機中并且打開，根據清晰、視覺誤差小的原則選取其中一張照片作為研究對象，如圖3所示.

（3）分析視頻（獲取數據）.

①選定圖片并按鼠標右鍵“復制”.

② 打開幾何畫板，在其中按鼠標右鍵，并選擇“粘貼圖片”命令，將所選圖片復制到幾何畫板中.

③ 單擊幾何畫板菜單欄中“繪圖”——“定義坐標系”命令，將出現坐標網格，用鼠標左鍵將坐標原點移致樹的底部，如圖4所示.

圖3

圖4

④ 單擊幾何畫板右邊的第4個“線段直尺工具”后，分別點擊樹的頂部（標記為A點）和底部（B點），人的頭頂（C點）和腳底（D點），注意使A和B、C和D分別在同一橫坐標上，如圖5所示.

圖5

⑤ 用鼠標左鍵選中A、B兩點后，點擊幾何畫板菜單欄“度量”——“距離”命令，幾何畫板中會顯示出A、B之間的屏幕距離“AB＝4.82cm”，同樣地，測量出C、D之間的屏幕距離，“CD＝1.51cm”，如圖6所示.

（4）分析和處理數據：以CD為標尺（人的身高1.58m為已知量），利用比例尺法計算出AB的實際距離：＝5.04m，即得到樹的高度約為_______m.

圖6

（5）交流與共享知識價值.測量樹之高度的方法很多，但是這里運用視頻分析法不受觀察條件（如陽光）的限制，簡單而準確.可以很好地實現從生活走向物理的教學理念，提高學習的興趣.

值得一提的是，雖然運用視頻分析方法時需要的軟件或者技術多種多樣，但是其運用的原理卻是相同的.

3 展望與反思

隨著人類進入信息時代，一方面，視頻、音頻、網絡和通訊等技術日新月異，信息的容量、傳播、處理速度以及應用程度均以幾何級數的方式增長，這樣的技術與信息構成了人們賴以生存的數字環境；另一方面，數字環境下社會各方面之運行方式也在發生著變化.基于數碼技術的視頻分析方法在物理科學教育中的運用值得探討，其在物理科學教育中的運用主要包括以下幾個方面.

（1）突破物質時空觀察條件的限制，提供物理現象之視覺經驗.例如涉及高樓、月球環形山等大尺度物理現象觀察；再如涉及布朗運動、帶電粒子運動等小尺度物理現象的觀察；還如涉及危險類物理現象的觀察等等.

（2）實現精細的、量化的、肉眼不易觀察的定量科學研究.比如精細觀察裝滿水的氣球破裂時水與氣球的狀態；再比如記錄水沸騰時氣泡的數量和形態之變化；還比如記錄人在體重秤上起跳時的蹬力隨時間之變化等等.

（3）突破課堂與課外的限制，實現教學個性化需求.數碼相機、交互式數字視頻、物聯網和云計算等技術構成了數字環境的物質基礎，視頻分析方法使得隨時隨地進行科學探究活動成為可能.

總之，科學與科學教育的方法、手段正在發生著深刻的變革，由于視覺經驗在科學學習與科學研究中占有重要的地位，因此探討視頻分析方法在物理科學教育中的運用具有重要而現實的意義.

1 張憲魁.物理科學方法教育.青島：中國海洋大學出版社，2012.25

2 項華，毛澄潔.以物理教育為例談信息時代的數據素養.中小學信息技術教育，2011（04）：49－51

3 沈俊妮.美國信息技術與物理課程整合案例的研究與借鑒（學位論文）.南京師范大學物理科學與技術學院，2005.

4 項華.中學物理教學與信息技術整合導論.北京：北京師范大學出版社，2011.5－6