攝像頭在物理實驗教學中的應用

【摘要】把攝像頭合理地、恰當地應用到物理實驗中，可以對傳統實驗進行優化，提高實驗的效率和效果，進而提升物理實驗教學的有效性。

【關鍵詞】攝像頭 演示實驗 實驗教學

以實驗為基礎是物理學科的重要特征之一，高中物理新課程極為重視物理實驗。但是由于實驗條件的限制， 實驗的科學性、直觀性等特點在教學中未能真正體現， 使現有的實驗不能完全地發揮其教學作用。現在攝像頭正悄悄地走入中學課堂，使用攝像頭可以克服實驗條件的限制， 能實時進行同步多視角地觀察，進行局部放大，能清晰觀察重要方位產生的物理現象和發生的物理過程，同時也能將快速發生的物理過程緩慢回放，提高物理實驗的可見度，最大限度地發揮物理實驗的作用。

一、攝像頭的特點

攝像頭是一種利用光電技術采集影像的數字視頻輸入設備。它配合個人電腦，可以把外界的動態影像輸入并保存到電腦上，還可以通過投影設備把影像投射到屏幕上。攝像頭的作用類同于人的眼睛，負責接受外界的影像信息進行傳輸。攝像頭具有：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100元以內；⑦取材方便：一般電腦耗材店都有大量現貨，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用成為可能。

二、利用攝像頭優化實驗教學

物理是一門以實驗為基礎的學科，教師在課堂上需要做很多演示實驗。但如果所做實驗的效果不好，現象不明顯， 能見度低，不但起不到應有的作用，還會造成學生的錯覺，分散給教學帶來很大的負面影響。在做物理實驗時，如果把實驗儀器置于講臺上攝像頭所能拍攝到的范圍之內進行實驗，則實驗操作的每一個步驟和相應的實驗現象都能在屏幕上同步、實時得到放大展示，使現象明顯、清晰，而且操作方便， 并能節省課堂教學時間，從而大大提高演示實驗的質量和效率。

1、實驗現象放大效果

利用攝像頭對演示實驗裝置和現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，熱學實驗中的溫度計、力學實驗中對彈簧秤、刻度尺等測量工具的讀數，電學實驗中各種儀表的讀數，可見度小，在演示時采用攝像頭和投影機將實驗直接投影到大屏幕上， 影像清晰、穩定性好、可見度大、效果好。對于一些過程較復雜且可見度不高的， 時間較長的實驗，還可事先將實驗過程利用攝像頭， 結合計算機有關軟件制成錄像，進行必要的技術處理，再投影到大屏幕，學生觀察清楚，印象深刻，且節省了課堂上的實驗操作時間，使教師有更多的時間進行其他重要內容的講解。例如，晶體的熔化和凝固實驗，實驗時間較長，熔化過程液體出現初期可見度小，即可運用此方法予以解決。

2、視角變換效果

利用攝像頭體積小、移動方便，可在任意角度進行立體觀察，來代替學生的眼睛觀察實驗， 改變學生只能沿水平方向觀察的限制， 使學生實現對實驗進行全方位立體式的觀察。例如，在演示光的折射、全反射現象中，只有眼睛在反射光線或折射光線上才能看到相關現象，演示實驗時很難讓全班同學的眼睛在同一方向上看到相關的現象，我們可以把攝像頭放在眼睛觀察的角度，并把圖像投影到大屏幕上，這樣，全班的同學都能看到該實驗現象了。在碗中放一枚棋子，把攝像頭對準碗，調節一定的角度，剛好看不到棋子，慢慢倒入水，慢慢看見棋子，如圖1。讓學生思考：為什么碗里倒入水后，我們能看見棋子了？如圖2，透明瓶子中的棋子慢慢倒入水后為何看不到了呢？通過上面的兩個演示實驗，設置相關的練習，取得良好的教學效果。

3、環境獨立化效果

把代替學生眼睛的攝像頭和實驗裝置，置于特殊的實驗環境之內， 而學生置身于實驗環境之外，從而使實驗環境與實驗觀察者完全分離， 獲得了實驗環境 的獨立性。例如： 光的干涉、衍射實驗和電荷在磁場中運動的實驗等，這些實驗的現象在白天較強光線的環境下都很難獲得足夠的可見度， 需要在黑暗的環境中進行。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（ 為了便于對實驗的操作， 箱體的其中一側可用黑布簾代替紙板或木板 ，并把攝像頭置于箱內的合適位置， 對箱內的實驗現象進行觀察，而此時學生則在光線明亮的教室里觀察著屏幕上的清晰現象。可見， 利用這種獨立的暗室進行實驗，實現了實驗演示與課堂教學的同步。

4.實驗現象回放、慢放效果

有些實驗過程、實驗現象極其短暫，學生還沒反應即已消失。教師可以利用攝像頭當堂拍攝下實驗過程，利用播放器的暫停、回放、慢放按鈕來控制播放的畫面，來使實驗過程一目了然。例如，如圖3演示通電自感現象，燈L2比L1慢亮，學生如果觀察不仔細，發現不了兩者的區別，實驗效果大打折扣，利用攝像頭靠近拍攝下來，進行回放、慢放效果非常明顯。又如，用牛頓管研究自落體運動下落快慢，后排的學生很難觀察出金屬片與羽毛是否同時下落，同樣利用攝像頭靠近拍攝下來，進行慢放效果非常明顯。

隨著科學技術的發展，把攝像頭與實驗相結合， 必將豐富實驗的內涵， 增強實驗的功能， 將最大限度地發揮物理實驗在物理教學中的作用，有效地激發學生學習物理的興趣和動機，使學生參與物理教學意識更強，對物理概念現象的理解更深刻，有效促進物理實驗教學的改革，完善和優化物理實驗教學，提高學生的整體素質。

【參考文獻】

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