視頻分析軟件與中學(xué)物理教學(xué)整合的探索*
——以Tracker軟件研究單擺運(yùn)動(dòng)為例

洪炎紅 徐曉梅 馮 潔

(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 云南 昆明 650500)

視頻分析軟件與中學(xué)物理教學(xué)整合的探索*
——以Tracker軟件研究單擺運(yùn)動(dòng)為例

洪炎紅 徐曉梅 馮 潔

(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 云南 昆明 650500)

以視頻分析軟件為信息技術(shù)支撐環(huán)境，選取了Tracker軟件作為工具，單擺作為課題，探索了視頻分析軟件與中學(xué)物理教學(xué)的整合原則和整合方式，希望能給物理教師提供信息技術(shù)與中學(xué)物理教學(xué)整合的新思路和新手段，用以解決傳統(tǒng)教學(xué)中用其他教學(xué)手段難以解決的一些教學(xué)困難，促進(jìn)中學(xué)物理教學(xué)的優(yōu)化，提高教學(xué)效率.

視頻分析軟件 中學(xué)物理教學(xué)Tracker軟件 單擺

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》提出，“要加快多媒體課程資源的利用與開發(fā)，將信息技術(shù)與物理課程整合”.在中學(xué)物理教學(xué)中如何結(jié)合課堂教學(xué)實(shí)際合理使用信息技術(shù)，解決傳統(tǒng)教學(xué)中的困難，提高教學(xué)效率，對(duì)中學(xué)物理教師來說是個(gè)棘手的問題.視頻分析軟件是能對(duì)視頻中位置、時(shí)間等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集并分析處理的軟件，目前存在的可應(yīng)用于物理教學(xué)的視頻分析軟件已有10多種，如LoggerPro，MotionVideoAnalysis，Ecolab3.0，Tracker，Coach6等.國外 (美國、新加坡為主) 的物理教師對(duì)視頻分析軟件在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用做了不少研究和實(shí)踐，取得了一定的成果.國內(nèi)也已有一小部分物理教師開始關(guān)注視頻分析軟件在中學(xué)物理教學(xué)的運(yùn)用，但絕大部分的中學(xué)物理教師對(duì)此一無所知，或就算知道此類軟件的存在，但卻并不知道什么時(shí)間、什么場(chǎng)合該用軟件，以及具體如何使用.

本文將以視頻分析軟件為信息技術(shù)支撐環(huán)境，選取視頻分析軟件Tracker作為工具，并以單擺為課題，嘗試探索視頻分析軟件與中學(xué)物理教學(xué)的整合原則和整合方式.希望能給物理教師提供信息技術(shù)與中學(xué)物理教學(xué)整合的新思路、新手段.

1 視頻分析軟件與中學(xué)物理教學(xué)的整合

1.1 整合的原則

將視頻分析軟件應(yīng)用于中學(xué)物理教學(xué)中必須要遵守一些基本原則. 視頻分析軟件與中學(xué)物理教學(xué)的整合(以下簡稱為整合)，是在實(shí)踐層面上從一線中學(xué)物理教師的角度出發(fā)，為有效地促進(jìn)教學(xué)，將視頻分析軟件作為一種工具、媒介和方法，有機(jī)地融入到中學(xué)物理教學(xué)中[1].因此，整合時(shí)需遵守一些原則.

(1)以課程標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo)的原則：整合必須以物理課程標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo)，通過運(yùn)用視頻分析軟件來達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)所要求的教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容，幫助學(xué)生掌握物理知識(shí)和技能.

(2)針對(duì)性原則：并不是所有的教學(xué)內(nèi)容都需要使用視頻分析軟件，要根據(jù)教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容及實(shí)際教學(xué)情況來決定是否采用、何時(shí)采用以及怎么用.

(3)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)原則：辯證地處理好視頻分析軟件與其他教學(xué)手段的關(guān)系，各取所長，互補(bǔ)所短.

(4)有效性原則：整合的最終目的是要為教學(xué)服務(wù)，優(yōu)化教學(xué)，因此有效整合不在于量的多少，而是質(zhì)的高低.

(5)不可替代原則：視頻分析軟件在使用中要達(dá)到不用它時(shí)所不能達(dá)到的效果，發(fā)揮其不可替代的作用，不需要用的絕不用，可用可不用的最好不用.

1.2 一些適宜整合的教學(xué)內(nèi)容

結(jié)合視頻分析軟件特點(diǎn)，整理出了一些適宜整合的中學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容(課題).

(1)一些抽象難理解的物理概念、規(guī)律和模型，因?qū)W生的知識(shí)水平、閱歷有限，無法想象和理解，如單擺模型、拋體運(yùn)動(dòng)、超重和失重現(xiàn)象.

(2)一些物理過程太快，難以看清，運(yùn)動(dòng)規(guī)律不夠直觀，學(xué)生沒有辦法在腦中形成相應(yīng)的物理情景，如平拋運(yùn)動(dòng)、自由落體運(yùn)動(dòng)、彈簧振子的運(yùn)動(dòng).

(3)一些生活中難以見到的物理場(chǎng)景及科學(xué)技術(shù)運(yùn)用于實(shí)際的場(chǎng)景，學(xué)生無法想象，便無法掌握其中的物理知識(shí)，如火箭發(fā)射的速度、同步衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng).

(4)還有一些受學(xué)校設(shè)備、時(shí)間和空間的限制而無法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，或者實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理較復(fù)雜，占用較多課堂時(shí)間的實(shí)驗(yàn)，如探究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律、探究單擺周期與擺長的關(guān)系、研究二維平面碰撞的動(dòng)量守恒.

將視頻分析軟件應(yīng)用于以上內(nèi)容的教學(xué)，能夠較好地解決傳統(tǒng)教學(xué)的困難，可以提高教學(xué)有效性.

2 Tracker軟件與中學(xué)物理教學(xué)的整合案例

接下來筆者將采用Tracker軟件為工具，以“單擺”為課題，來探索視頻分析軟件在中學(xué)物理教學(xué)中的具體應(yīng)用，為中學(xué)物理教師提供可供參考的案例.而在眾多的視頻分析軟件中，選擇Tracker軟件(美國卡布里洛大學(xué)的道格拉斯·布朗教授開發(fā)的開源物理軟件)為工具的原因在于它不僅對(duì)視頻進(jìn)行分析，還能根據(jù)需要建立動(dòng)態(tài)粒子模型[2].

新課程將單擺內(nèi)容安排在選修3-4，在教材編排上，筆者認(rèn)為以研究單擺的回復(fù)力來證明單擺做的是簡諧運(yùn)動(dòng)不夠直觀，用停表測(cè)量多次全振動(dòng)的時(shí)間取平均值求單擺周期的方法占用課堂的時(shí)間較長，且計(jì)時(shí)的起止點(diǎn)在實(shí)際操作中并不好把握.新課程標(biāo)準(zhǔn)又明確提出：“通過實(shí)驗(yàn)，探究單擺的周期與擺長的關(guān)系；知道單擺周期與擺長、重力加速度的關(guān)系.會(huì)用單擺測(cè)定重力加速度.”為了達(dá)到新課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，解決傳統(tǒng)教學(xué)的困難，決定在單擺教學(xué)中使用Tracker軟件，視頻分析軟件的應(yīng)用是以課程標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo)，既有針對(duì)性又不可替代.

2.1 課前準(zhǔn)備

(1)教學(xué)器材：小鋼珠，1m左右的長細(xì)線，支架，量角器，雙面膠，智能手機(jī)，Tracker軟件.

(2)視頻錄制：按圖1所示安裝實(shí)驗(yàn)器材，圖中的量角器是用來控制單擺幅度的(如圖右上角所示).利用支架將手機(jī)豎直放置，打開手機(jī)錄像，將小鋼珠拉開一定角度(小于10°)由靜止釋放，錄制小球的運(yùn)動(dòng)過程.分別錄制4個(gè)視頻：

1)擺球質(zhì)量為0.148 3kg，擺長為55.92cm,擺角為4°.

2)擺球質(zhì)量為0.148 3kg，擺長為55.92cm,擺角為8°.

3)擺球質(zhì)量為0.168 3kg，擺長為55.92cm,擺角為8°.

4)擺球質(zhì)量為0.148 3kg，擺長為48.20cm,擺角為8°.

圖1 單擺實(shí)驗(yàn)裝置

這樣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)依然來自傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置，保證了數(shù)據(jù)的真實(shí)性，而數(shù)據(jù)采集和分析處理手段借助Tracker軟件得到了顯著的改觀，兩者在整合中優(yōu)勢(shì)互補(bǔ).

2.2 課堂教學(xué)(教師要在課前預(yù)做)

在單擺教學(xué)中應(yīng)用Tracker軟件，并不是說整堂課都要使用.視頻分析軟件的應(yīng)用必須有針對(duì)性且又不可替代，對(duì)于單擺課題有以下幾點(diǎn)可應(yīng)用軟件進(jìn)行教學(xué).

(1)證明單擺擺動(dòng)時(shí)擺球做簡諧運(yùn)動(dòng)

視頻分析：將所錄制的視頻1導(dǎo)入Tracker軟件，播放視頻，選取起始和結(jié)束幀，以量角器的直徑(10cm)為“定標(biāo)桿”，取小球靜止時(shí)的球心為坐標(biāo)原點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸，使縱坐標(biāo)與細(xì)線重合，創(chuàng)建“質(zhì)點(diǎn)”，按住shift+ctrl鍵，實(shí)現(xiàn)質(zhì)點(diǎn)的逐幀自動(dòng)追蹤，得到擺球的運(yùn)動(dòng)軌跡(圖中圓形標(biāo)記)，如圖2所示.

圖2 擺球質(zhì)量為0.148 3 kg，擺長為55.92 cm, 擺角為4°的單擺運(yùn)動(dòng)

數(shù)據(jù)分析：從圖2右邊的數(shù)據(jù)學(xué)生不難發(fā)現(xiàn)單擺運(yùn)動(dòng)的曲線是正弦(余弦)曲線，為了進(jìn)一步定量說明擺球的運(yùn)動(dòng)情況，右擊數(shù)據(jù)框“分析”數(shù)據(jù)，選擇“正弦曲線”擬合，先 “自動(dòng)擬合”，再手動(dòng)調(diào)整參數(shù)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)曲線(圖中帶正方形點(diǎn)標(biāo)記的曲線)與擬合曲線(圖中平滑的曲線)能近似重合，如圖3所示，由此說明單擺擺動(dòng)時(shí)擺球做的是簡諧運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方程滿足x=Asin(ωt+φ).

圖3 擺球質(zhì)量為0.148 3 kg，擺長為55.92 cm, 擺角為4°的單擺運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)

(2)探究單擺振幅、質(zhì)量、擺長對(duì)周期的影響

用同樣的方法將視頻2，3，4導(dǎo)入Tracker軟件進(jìn)行視頻分析和數(shù)據(jù)分析，可得視頻2中ω2=4.177 rad/s，則T2≈1.503 s；視頻3中ω3=4.178 rad/s，則T3≈1.503 s；視頻4中ω4=4.514 rad/s，則T4≈1.395 s.

比較視頻1和2的數(shù)據(jù)可得當(dāng)擺球質(zhì)量、擺長相同時(shí)，單擺周期與擺角的大小(較小時(shí))無關(guān)；比較視頻2和3的數(shù)據(jù)可得，當(dāng)擺角、擺長相同時(shí)，單擺周期與擺球的質(zhì)量無關(guān)；比較視頻2和4的數(shù)據(jù)可得，當(dāng)擺球質(zhì)量、擺角相同時(shí)，單擺周期與擺長有關(guān).綜上所述，可得單擺振動(dòng)的周期與擺球質(zhì)量無關(guān)，在振幅較小時(shí)與振幅無關(guān)，但與擺長有關(guān)，且擺長越長，周期也越長.

(3)利用公式求重力加速度

將所得擺長及周期代入單擺周期公式便可得重力加速度，以視頻4為例，視頻4中L=48.20 cm，T=1.395 s，則

查資料可知昆明市重力加速度的參考值g0=9.789 m/s2，則相對(duì)誤差為

可見，實(shí)驗(yàn)誤差較小.

在教學(xué)中還可錄制多組不同擺長的單擺運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)視頻導(dǎo)入軟件重復(fù)以上步驟，將得到的幾組擺長和周期的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel軟件，探究單擺周期與擺長的關(guān)系[3].此方法需要教師在課前花費(fèi)較多的時(shí)間準(zhǔn)備，但是實(shí)驗(yàn)占用課堂的時(shí)間少，誤差較小，且從圖像、方程兩個(gè)途徑來分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，培養(yǎng)學(xué)生用多種方法收集數(shù)據(jù)的意識(shí)及收集、處理數(shù)據(jù)的能力.因視頻分析步驟都一樣，所以教師可在課堂只分析一兩個(gè)視頻，其他的可先在課前分析好，課堂上直接將數(shù)據(jù)展示給學(xué)生.如課堂上有剩余時(shí)間，也可分析擺角大于10°時(shí)擺球做什么運(yùn)動(dòng)，用不同地區(qū)的單擺運(yùn)動(dòng)視頻探究重力加速度對(duì)單擺周期的影響，甚至還可分析單擺在太空中的運(yùn)動(dòng)，增長學(xué)生的見識(shí)，幫助學(xué)生更深地理解單擺運(yùn)動(dòng).在條件允許的情況下可以讓學(xué)生自己動(dòng)手分析，自主探究，培養(yǎng)學(xué)生探究能力和收集、處理信息的能力.

這樣利用Tracker追蹤單擺運(yùn)動(dòng)的軌跡，得到單擺運(yùn)動(dòng)曲線，分析其是否做簡諧運(yùn)動(dòng)，再通過計(jì)算得到單擺運(yùn)動(dòng)周期，并探究單擺振幅、質(zhì)量、擺長對(duì)周期的影響及單擺周期與擺長的關(guān)系，算出重力加速度，達(dá)到新課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)單擺知識(shí)的內(nèi)容要求，提高單擺教學(xué)的效率，說明了視頻分析軟件在單擺教學(xué)中的有效性.在文中只給出Tracker軟件在單擺教學(xué)中的應(yīng)用部分，在進(jìn)行實(shí)際教學(xué)時(shí)，物理教師們要結(jié)合黑板、粉筆、單擺實(shí)驗(yàn)儀器等傳統(tǒng)教學(xué)手段，如在分析視頻時(shí)教師可用擺鐘或擺鐘視頻作為情境引入，體現(xiàn)從生活走進(jìn)物理的理念.總之，視頻分析軟件的應(yīng)用要結(jié)合傳統(tǒng)的教學(xué)手段和其他教學(xué)手段，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ).

3 結(jié)束語

將視頻分析軟件與中學(xué)物理中合適的內(nèi)容，如單擺、自由落體及平拋運(yùn)動(dòng)等內(nèi)容的教學(xué)相整合，把軟件作為一種教學(xué)工具，化抽象為直觀，準(zhǔn)確快速地得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，幫助學(xué)生更好地理解知識(shí)，解決傳統(tǒng)教學(xué)中遇到的困難，提高教學(xué)效率，促進(jìn)中學(xué)物理的教學(xué).但是需要注意，并不是所有的教學(xué)課題都適合用視頻分析軟件，適合用的教學(xué)課題也不是整堂課都要使用，要避免為了使用信息技術(shù)而使用視頻分析軟件.此外，由于教師在課前要先拍視頻，分析視頻與收集數(shù)據(jù)，故此，需要教師花費(fèi)更多的時(shí)間去備課.所以，教師需要根據(jù)實(shí)際情況，如自己的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)、學(xué)生的特點(diǎn)、學(xué)校的設(shè)備等，分析如何將視頻分析軟件與其他的教學(xué)手段相結(jié)合，在課前充分準(zhǔn)備，以優(yōu)化教學(xué)為目的，形成自己的教學(xué)設(shè)計(jì).

1 黃德群.十年來我國信息技術(shù)與課程整合研究的回顧與反思.電化教育研究，2009(8):86～882LooKangWee,CharlesChew,GiamHweeGoh，etal.UsingTrackerasapedagogicaltoolforunderstandingprojectilemotion.PhysicsEducation,2012,47(4):448～455 3 劉婷，彭朝陽.應(yīng)用視頻分析軟件測(cè)單擺周期和重力加速度.物理教學(xué)探討，2016,34(4)：56～57

*國家級(jí)專業(yè)(物理專業(yè))綜合改革試點(diǎn)項(xiàng)目；云南師范大學(xué)研究生教育教學(xué)改革項(xiàng)目“物理教學(xué)論”課程案例教學(xué)建設(shè)項(xiàng)目號(hào)：YJG2015-A08

洪炎紅(1992- )，女，在讀碩士研究生，從事物理教學(xué)論研究.

徐曉梅(1963- )，女，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事大學(xué)物理教學(xué)和物理課程與教學(xué)論研究.

2016-12-01)