Python編程延時攝影與中學生物教學融合實踐研究

鄭麗華

摘? ?要：借助簡單的Python代碼和一個攝像頭， 對中學生物學科中生物生長變化、開花、生物實驗等緩慢變化的過程進行延時攝影。該過程被壓縮到一個較短時間內，呈現出平時用肉眼無法察覺的奇異景象和動態過程。在中學生物學科中可利用這一特點，在教學中直觀展示生物生長、生命活動變化的動態過程。

關鍵字：中學生物；教學；Python編程；延時攝影；融合

1? 研究背景

1.1? 生物學科需求

生物學是研究生命現象和生命活動規律的科學，這一性質決定了離不開觀察法[ 1 ]。觀察生命現象如生物的生長發育、生物捕食等，而這些生命現象是十分緩慢微觀的變化過程，教師在有限課堂時間中無法完整展示的生命現象，例如綠豆種子萌發大約需要3-5 d，斑馬魚的從受精卵發育到胚胎成形過程大約需要經歷24 h。如何將生物生長發育等過程完整地在有限的時間里直觀的呈現呢？為了解決這一問題，提高生物課堂時效性，同時能夠讓學生在較短時間內看到這些動態變化過程。本研究將自制一個Python編程延時攝影裝置，結合到生物教學需求中，拍攝出合適的視頻。

1.2? 開發Python編程延時攝影技術的意義

目前了解到延時攝影技術有用單反相機、三腳架（輔助器材：定時快門線、延時軌道、鏡頭濾鏡）等設備或者用手機功能中延時攝影功能。前者所用的單反相機、三腳架等設備比較專業和復雜，并非每位生物教師或者學生都有這樣的設備。后者手機是生活中必備工具，如果用手機拍攝一個3-5天的延時攝影視頻，手機不能正常使用給人們帶來了不方便。

借助簡單的Python代碼和一個攝像頭進行延時攝影。臺式電腦、教室希沃白板、筆記本電腦等都可以用來寫Python代碼，特別適合中學生物教師和學生利用現有的設備進行延時攝影。這既能解決設備復雜，又能在智能時代背景下利用編程代碼解決問題。能給教師們帶來動態而直觀的視頻資源作為上課素材，特別是在學生興趣小組、綜合實踐活動中培養學生觀察能力，能提升學生編程能力和解決問題的能力。

2? Python編程延時攝影設備

2.1? 設備

硬件設備：筆記本電腦（臺式電腦）、攝像頭、拍攝支架、生物學科中常用觀察工具顯微鏡，結合顯微鏡視野中物象變化拍攝設備如圖1、軟件： Python3.7。

2.2? 拍攝原理

延時攝影就是指攝影技術中的縮時攝影，該技術主要是通過時間壓縮技術，縮短視頻播放時長，這種攝影技術既能提升拍攝效果，又能有效降低視頻播放時間成本[ 2 ]。

延時攝影，也是由一張一張照片組成的，通過控制拍攝每張照片的間隔時間，達到壓縮時間的目的[ 3 ]。視頻時長最小計量單位是幀，1 s播放24幀，這是視頻標準的播放速度。

2.3? 制作方法

（1）官方網站下載安裝包，官網鏈接：www.python.org。

（2）以本機電腦為例，WINDOWS 7，鼠標移動到“Downloads”，選擇Windows，找到3.7版本，這里有多個版本，選擇適用本機的版本。

（3）軟件安裝：雙擊打開python 3.7圖標，進入安裝界面，簡單操作點擊自動安裝。

（4）安裝第三方庫：用win鍵+R快捷打開運行窗口，輸入cmd，點擊“確定”進入。輸入“ pip install numpy ”，按回車進入自動安裝。

（5）安裝第三方軟件：由于python原生的開發環境idle可視化不太友好，推薦使用Jupyter Notebook可以很好看到代碼和結果。輸入“ pip install jupyter”，按回車進入自動安裝，出現下圖即安裝完成。

（6）創建項目：雙擊進入新文件夾內，新建一個txt文件，命名為啟動，并接該.txt文件的擴展名為.bat（封裝DOS命令，方便操作）。鼠標右鍵點開啟動，進入編輯，輸入jupyter? notebook，點擊保存。

（7）啟動項目開發：雙擊點開啟動文件，將自動跳出DOS命令界面和jupyter的操作界面（會在電腦默認的瀏覽器打開）。其中DOS命令界面是環境服務器不可關閉，最小化至后臺管理。

（8）創建子項目：在界面的右側找到NEW的下拉菜單，點擊Python3，彈出一個編輯界面。可將Untitled重命名為項目名稱，在綠色框內可以輸入相應的軟件代碼。

調試攝像頭代碼：

import cv2

cap = cv2.VideoCapture（700） # 調取攝像頭，0是本機攝像頭，1是外接攝像頭，700聯想機。

while True：

ret，img = cap.read（）? # 讀取攝像頭里的圖片

cv2.imshow（'img'，img） # 顯示圖片（監控用）

if cv2.waitKey（50）>1：

break

cv2.destroyAllWindows（）? # 關閉監視窗口

cap.release（）? ? ? ? ? ? # 釋放攝像頭

在界面的右側找到NEW的下拉菜單，點擊Python3，彈出一個編輯界面，再建一個延時拍攝代碼。

延時拍攝代碼：

import cv2

import time

videoName = time.strftime（video/%y%m%d%H%M%S.avi）

cap = cv2.VideoCapture（700） # 調取攝像頭，0本機攝像頭，1是外接攝像頭。

cap.set（3，1920） # 設定分辨率

cap.set（4，1080） # 設定分辨率

fourcc = cv2.VideoWriter_fourcc（*XVID） # 設置視頻格式

video = cv2.VideoWriter（videoName，fourcc，20，（1920，1080）） # 指定視頻存放地址。

while True：

cv2.namedWindow（img， cv2.WINDOW_NORMAL | cv2.WINDOW_KEEPRATIO）

name = time.strftime（imgsave/%y%m%d%H%M%S.jpg）

ret，img = cap.read（? ）? # 讀取攝像頭里的圖片

video.write（img）? ? ? # 將圖片寫入視頻文件4

cv2.imwrite（name，img） # 同步保存圖片

cv2.imshow（'img'，img） # 顯示圖片（監控用）

if cv2.waitKey（50*4680）>1：? # 每1000 ms拍攝一幀，數字可調。

break

cv2.destroyAllWindows（? ）? # 關閉監視窗口

cap.release（? ）? ? ? ? ? ? # 釋放攝像頭

video.release（? ）? ? ? ? ? # 釋放對視頻文件的占用

（9）安裝拍攝支架及攝像頭，并將攝像頭與電腦連接，進行運行程序。

3? 使用方法與步驟

第一步，打開自己創建桌面 “Python編程延時攝影”文件夾。

第二步，雙擊文件目錄如圖2，雙擊“打開.bat”，自動啟動圖3開發環境。

第三步，先檢查攝像頭是否正常并對焦，運行檢查攝像頭代碼。點擊“運行”檢查正常后按任意數字鍵就可以退出這個程序。

第四步，打開第2段程序，設置延時的倍數，點擊運行，攝像頭會每隔一段時間進行拍攝。按任意數字鍵退出。在video中就保存并生成了我們需要的視頻。

4? Python編程延時攝影與生物學科教學融合

人教版2012版和2013版初中生物四本教科書按教材中順序進行整理，結合Python編程延時攝影和生物學的教學需要進行融合實踐。

七年級上冊第二單元第一章第四節“細胞的生活”中，細胞膜控制物質進出細胞這個微觀的知識難點可以通過延時攝影拍攝來突破。以雞蛋的卵黃為實驗材料，一個卵黃可以相當于一個卵細胞，它是肉眼可見最大的細胞。卵黃放置于裝有清水的燒杯中。卵黃中的細胞膜（非卵黃膜）可以控制物質進出，水分可以通過細胞膜進入細胞。這個過程大約需要3-4 h，通過延時攝影裝置拍攝出卵黃吸水變大的過程。這樣的延時攝影作品能直觀的展示卵黃上有一層看不見的細胞膜能控制水分進入卵黃細胞中。通過該實驗幫助學生建構細胞膜能控制物質進出的重要概念，如水分子可以進出細胞。

七年級上冊第三單元第二章第一節“種子的萌發”中，當一粒種子萌發時，首先要吸收水分。種子結構中的胚根、胚軸、胚芽、子葉將分別發育成根、胚軸伸長、發育成芽，子葉最后凋落。這個過程大約需要3-5 d，不同植物種子萌發時間也不同。以綠豆種子萌發為例拍攝延時攝影視頻在課堂中播放，能化抽象為具體，將漫長的生長過程在短時間內展示出來。既節省了教學時間，又能讓每一個學生了解這個過程的變化。這就是將延時攝影技術融合到生物學科中，錄制出高效而實用視頻的意義。

七年級上冊第三單元第二章“植株的生長”這一節有觀察根毛這一實驗，將白菜種子置于放有棉花的試管中，觀察試管中白菜根毛生長。根據需要視頻的時長，計算出每張拍照時長間隔，最后導出根毛生長的視頻。這一視頻直觀顯示出根毛動態生長的過程。

在七年級上冊第三單元第二章第三節“開花和結果”，教師可以拍攝校園常見花開放的延時攝影視頻資源作為本節課的導入，花朵的開放過程美麗而富有動感，這樣的資源導入有利于激發學生的學習興趣。以現有盆栽天竺葵為植物材料進行拍攝天竺葵開花的過程。

七年級上冊第三單元第三章“綠色植物與生物圈的水循環”這一章有觀察水分在莖內的運輸途徑的演示實驗，每次教師只是展示結果而少了過程的變化，利用Python編程延時攝影將西芹吸收水和紅墨水的過程在短時間10 s內展示完。這種效果比直接展示結果來得直觀同時注重生物過程性變化。

八年級上冊第五單元第四章第一節“細菌和真菌分布”這一節探究實驗檢測不同環境中的細菌和真菌可以運用這種設備進行延時攝影。細菌是微小單細胞生物，肉眼看不到，但是菌落可以看到。從一個細菌到菌落這樣一過程用延時攝影，架構起了微觀和宏觀世界。同時還可以在興趣小組或綜合實踐活動、課外實踐中拍攝橘子腐敗過程、面包發霉等過程。

八年級上冊第五單元第四章第三節“真菌”組織學生進行課外調查活動拍攝真菌生長的延時攝影，例如各類食用菌的生長。通過網購鳳尾菇菌種，買回來后進行開袋、澆水拍攝延時攝影作品。

八年級上冊第五單元第四章第四節“細菌和真菌在自然界中的作用”，其中細菌、真菌與食品制作，學習利用酵母菌制作饅頭，發酵過程實踐大約需要2-3 h，經過發酵面粉團變的大，變得蓬松這一過程，增強學生對發酵的理解。

八年級下冊第七單元第一章第二節“昆蟲的生殖和發育”為了讓學生更理解家蠶的發育過程，家蠶發育經歷了卵、幼蟲、蛹、成蟲。可以通過本項目延時攝影拍攝蠶繭形成過程，使學生對蛹的階段印象更深刻。

根據2019人教版高中生物學教科書，整理出適合Python編程延時攝影的教學內容。必修1《分子與細胞》第4章細胞的物質輸入和輸出第一節“被動運輸”中探究植物細胞的吸水和失水。“洋蔥外表皮質壁分離和復原”這個生物實驗中從觀察正常洋蔥外表皮細胞到滴加0.3%蔗糖溶液發生質壁分離，再到加清水直到質壁分離復原。這一過程大約十幾分鐘，學生一般只能看到質壁分離和復原的結果，無法看到過程的動態變化。利用延時攝影技術就可以展示變化的動態過程。

選擇性必修1第5章植物生命活動的調節第1節“植物生長素”植物具有向光性這一概念，可以通過本項目的延時攝影拍攝豌豆苗向光性的視頻，呈現出光的刺激植物出現向光性這一生命現象。

5? 總結和展望

5.1? 拍攝對象的特點

所拍攝物體是有變化的過程，且這個過程是比較緩慢的變化。如果拍攝對象不具有動態與變化，拍攝出來的延時攝影就沒有意義；如果變化過程比較快也無需延時攝影技術。因此在生物學科中很多生命現象的變化過程可以通過Python編程延時攝影技術來實現。

5.2? 列表歸納生物學科與延時攝影相融合實例（表1）

6? 展望與改進

在室外用筆記本電腦比較不方便，而且屬于貴重物品。把筆記本電腦用一種微型電腦“單片機”來代替。例如拍攝春筍的生長、荷花開放、野外蘑菇生長等，也可以拍攝類似野生動物生存情況。該技術方法還可以結合開發板、傳感器，進行生物現象的拍攝。一方面，直觀拍攝緩慢生物現象的發生過程，另一方面記錄對應的時間、溫度和濕度等自然條件信息，有利于分析生物生長發育與環境的關系。

目前是代碼的形式在運行，在不同的電腦環境下可能無法運行。但后期如果將它進一步的改進優化，包裝成一個軟件，就可以在更多電腦上自由運行。

參考文獻：

［1］ 課程教材研究所，生物課程教材研究開發中心.義務教育課程標準實驗教科書 生物學七年級上冊[M].北京：人民教育出版社，2012.

［2］ 馬小淳.攝影技術中延時攝影的應用分析[J].記者觀察·下旬刊，2020（1）.

［3］ 趙嘉.一本攝影書[M].北京：電子工業出版社，2020.