信息化教學模式下視頻在高中物理實驗中的深度應用

【摘 要】新技術的發展，為教學改革提供了新的支撐，信息技術在教學中的深度融合成為教育改革的趨勢，如何實現真正的信息化教學成為了教育的研究熱點。視頻分析在實驗教學中的應用，將實驗情景過程數字化再現，能夠激發學生學習的興趣，彌補了教學中的不足，解決了用傳統教學手段難以解決的教學困難。本文以視頻在簡諧運動實驗中的深度應用為例，剖析信息技術與高中物理教學的深度融合問題，基于新的信息技術創新物理教學模式，以期為信息技術與學科教學深度融合提供新的途徑。

【關鍵詞】視頻；高中物理；實驗；深度融合

【中圖分類號】G434" "【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2023）010-077-04

新課程改革背景下，十分強調和肯定信息技術與學科教學的深度整合。隨著科學技術的迅猛發展，多媒體視頻資源在學科教學中的應用越來越多，以微視頻資源為基礎的新型教學形式不斷出現。同時，手機、攝像機、相機等數字化設備進入了千家萬戶，這些精良的數碼設備也可以引入課堂，為信息化教學提供新的途徑，也使得教學資源朝著多元化的方向發展。視頻教學資源圖文并茂、聲像俱佳、動靜皆宜，可以使得課堂更加生動；視頻的特寫、放大鏡頭可以形象直觀地將課堂引入新的境界，深受廣大師生的喜愛。短小精悍的視頻資源輔助教學，方便快捷的演示，能夠加快教學進程，提高學科教學的效率。隨著人工智能、影像捕捉技術的發展，專業的視頻分析軟件不斷涌現，對視頻中的物體運動進行專業化的分析計算，可以充分融合在實際課堂教學中[1]。教師要善于利用傳統視頻資源使用特點，借助先進的教學媒體和環境，發揮視頻資源的最大優勢，促進教學過程的最優化，提高教學質量和效率，為學科教學服務。

視頻分析方法的出現

在學科教學之中，視頻使用有很多的應用場景，可以將抽象的學科知識更加具體化，以形象化的音視頻呈現在學生面前，降低難度并營造良好的課堂氛圍，提升課堂效率。隨著科學技術的不斷發展，利用信息技術手段可以對視頻進行進一步的深加工。基于視頻的分析方法，就是利用計算機人工智能分析和處理視頻影像，捕捉物體的運動軌跡，科學描述實驗現象，并進行歸納總結規律的科學分析方法[2]。本文使用幾個小軟件，利用視頻逐幀圖像快速生成簡諧運動的振動圖像；并利用分析軟件Tracker快速追蹤技術，使得視頻不但可以播放還可以科學地進行數據計算分析；在課堂中即時快速地使用，大大提高了課堂的效率。信息技術與學科課程融合又有了一個新的突破口，使得視頻、實驗、教學、信息技術有機結合在一起，完美呈現了物理學科的教學特點。

基于視頻深度分析的原理

視頻最重要的原理是“視覺暫留”。實驗證明，某個影像在人眼消失后，仍可在視網膜上停留0.1～0.4秒左右。視頻以每秒25幀的畫面勻速轉動，多幀的靜態畫面就會因視覺暫留作用而造成一種連續的動態視覺印象，進而使人們感覺產生逼真的動感。也就是說，視頻記錄了物理運動學中重要的兩個參量：時間和位置。視頻靜幀的時間由幀頻決定，一般視頻錄制為25FPS，也就是說1秒拍攝了25幅靜態畫面，視頻畫面每隔1/25s記錄一次物體的運動位置。如果在視頻每幀的畫面上建立坐標系并定義空間比例，就可以根據視頻分析出物體的運動坐標，把所有的物體位置坐標標記到一張畫面上，就直接顯示了整體的物體運動軌跡。

數碼攝影設備的分辨率越高，畫面越清晰，越容易捕捉到更多的信息，幀率越高越能精準地記錄物體的運動過程。現在數碼設備的發展非常迅速，手機配置也越來越高。以小米K40手機為例，手機錄像可達1080P、60FPS，而且慢動作錄像有1080P的240 FPS和960FPS的設置。也就是說，現在的手機已經可以看作高配置的高速攝像機了。

視頻深度應用案例——以簡諧振動圖像為例

1.視頻序列幀直接生成簡諧振動圖像

（1）將一個掛有小球的彈簧豎直掛在鐵架臺上，制作一個豎直方向上的彈簧振子。將貼有坐標紙的木板豎直放置在彈簧振子后面。

（2）在光線較強的環境中，用手機正對彈簧振子拍攝一段小球上下簡諧運動的1080P、25FPS的視頻。拍攝過程保持手機靜止，最好采用固定三腳架拍攝（圖1）。

（3）將這段視頻導入到計算機中。啟動格式工廠程序（一款免費的格式轉化軟件，在www.pcgeshi.com網站可以下載）。選擇“視頻-導出幀”，選擇本段視頻，在選項設置中依次做如下設置：①剪輯，選取彈簧振子豎直方向上運動較穩定的一段大約5s的視頻。②裁剪，對視頻畫面進行裁剪，畫面寬度為振子小球的寬度即可。③輸出幀，設置時間間隔為0.04s。導出1s拍攝25張照片視頻的序列幀。

（4）啟動光影魔術手軟件。菜單中選擇“拼圖-圖片-拼接橫排”，圖片自動進入畫布。將序列幀照片橫向排列在一張圖片中，即形成了彈簧振子的振動圖像。

（5）進一步將合成的圖片進行裁剪處理。選取兩個完整振動周期的圖像，根據坐標紙，用畫圖軟件畫出坐標軸并標注刻度，即得到小球的“位置—時間”圖像就是彈簧振子的振動圖像。

（6）驗證。根據圖像得到彈簧振子的周期約為0.76s，振幅為5cm左右。根據周期公式計算得到彈簧的勁度系數為K=15.83N/m，與探究彈簧的彈力與伸長量的關系實驗得到的K=15.97N/m，基本一致。

2.視頻分析方法研究簡諧振動

（1）錄制彈簧振子簡諧運動的實驗視頻。實驗視頻的錄制完全可以采用手機完成，亦可采用已錄制好的視頻直接使用。錄制視頻時，需要注意以下幾點：①錄制視頻時盡量選取高幀率和大分辨率影像拍攝，一般情況下，幀率越高記錄物體的運動過程更精準；②使用與被研究對象（振子）顏色反差較大的背景，如在前面錄制的視頻中將小球染成紅色，與背景的坐標紙形成了鮮明的顏色對比；③實驗場景中，要用坐標紙或者刻度尺標記空間的尺寸，且要與實驗對象保持平行；④實驗視頻拍攝過程中，手機鏡頭盡量與實驗裝置平面保持垂直，避免使用廣角鏡頭，減小影像的視覺空間誤差。

（2）選取視頻片段，繼續以小米K40手機錄制的1080P、25FPS視頻進行分析。將視頻導入到Tracker軟件中，軟件內置的播放器可以實現精確定位到每一幀，選擇合適的視頻起點和終點。使用菜單中的“視頻—濾鏡—添加—Rotate—旋轉—90度”，將視頻旋轉為正常畫面。在視頻畫面中，右鍵通過“影片剪輯設定（Clip Settings）”設定起始幀和結束幀的位置。本案例視頻選取7～146幀，第7幀為起始時間，設定為0，影片的幀率為25幀，即影片記錄的是每間隔0.04s的彈簧振子的運動情況（圖2）。

（3）選定標度。定量分析，需要依據實際的場景進行數據分析。依據彈簧振子背景上的坐標紙，標定視頻畫面的的長度數量。在軟件中，選擇定標桿，在視頻畫面中依據坐標紙的實際長度定出標度，從而使軟件能夠計算出視頻中研究對象在運動過程中的實際位移。

（4）選取坐標原點并建立坐標系。要想了解彈簧振子運動的特點，就要知道它的位置隨時間變化的關系。我們以小球的平衡位置為坐標原點O， 沿著它的振動方向建立坐標軸。縱軸與球重心上下運動的方向一致，規定豎直向上為正方向。小球在平衡位置的上邊時它的位置y坐標為正，在下邊時位置y坐標為負，這樣描述小球的位置既方便，又突出了小球位置變化的特點。將軟件的坐標軸開啟顯示，用鼠標將坐標原點移動到第一幀小球的中心位置處，并拖動鼠標適當旋轉。

（5）選定研究對象——彈簧振子。選擇菜單中的“軌跡—新建—質點”，新建一個質量A。在質量A下拉菜單中選擇自動追蹤，按住“Shift+Ctrl”，點擊視頻中的第一幀小球球心處，即在第一幀插入了關鍵幀。將鼠標懸停在控件上方時可以看到關于設置和調整的提示信息。設置模板演化進度為70%，點擊搜索，開始自動追蹤小球的運動軌跡。研究對象的顏色與背景反差明顯時，更容易精確地自動追蹤到小球的運動情況。當自動追蹤時會出現一些干擾點，如小球與背景色相似，程序會判斷出現偏差，程序會暫停，人工可以手動選定小球的位置，以便保證數據追蹤的合理性。與此同時，軟件右側顯示了小球的運動數據表格，并可以以圖形的形式顯現（圖3）。根據研究需要，選擇y坐標數據。

（6）數據分析。使用Tracker軟件的主要目的就是基于真實實驗數據分析，快速揭示物理規律。彈簧振子只是豎直方向的運動，從追蹤數據得到的“位移y-時間t”圖像中，可以看出小球的位移與時間的關系似乎可以用正弦函數表示。在Tracker軟件的右側數據表格中，點擊右鍵選擇分析進入數據分析頁面進行擬合函數，Tracker軟件提供了常見函數的擬合功能。選擇三角函數擬合，調節三角函數的參量使得函數圖像與數據點圖像緊密貼合，即此彈簧振子的振動圖像的表達式可以表示為y=0.04955sin（8.304t-0.02983）-0.01037，從而有力地證明了彈簧振子的簡諧運動的“位移-時間”關系是正弦函數關系。由ω=2π/T計算得到周期T=0.7562s，與前面由圖像讀取得到的基本一致。

（7）運動模型的模擬。Tracker軟件可以在給定的物理條件下，構造運動學和動力學模型，與實際運動對象做對比。在菜單“軌跡—新建—粒子運動學模型”中輸入擬合函數的表達式，軟件可以在視頻上疊加標準的運動模型。這樣可以清楚地呈現出彈簧振子的真實運動情況，與簡諧振動圖像做對比（圖4）。

3.小結

在視頻序列幀直接生成簡諧振動的圖像中，將所拍攝的視頻按照所拍攝的時間順序，一幀一幀水平向右平鋪開，坐標軸的橫軸（時間軸）自左向右形成，直觀形象。在圖中可以讀出不同時刻彈簧振子偏離平衡位置的位移大小，逐幀生成的平面振動圖像與彈簧振子的實際上下往復振動形成了對比，使得學生更易于理解振子運動過程中空間、時間關系，更明確振動圖像是怎樣描述彈簧振子隨時間變化的運動情況的。

在實驗視頻分析簡諧振動中，基于真實的實驗視頻進行追蹤的方式得到不同時間物體的位置坐標，讀取數據更加快捷。通過函數的擬合過程，讓學生體會數學中的三角函數與物理知識的融合，讓學生定量分析實驗，探索實驗背后的物理本質。

視頻深度分析和使用在教學中的研究意義

1.促進信息技術在學科教學中的深度融合

視頻深度分析和使用在實驗中的研究，符合了當下教育改革的需求，加快了學科教育信息化進程，促進了信息技術在學科教學中的深度融合。視頻素材的深加工，小工具、小軟件的使用，降低了信息技術的應用門檻。視頻分析又將視頻教學優勢和實驗教學的特點進行整合，真實的現實場景和實驗數據對應結合起來，視頻建模方法又豐富了教學方法論，更能客觀地反映現象背后的物理本質規律，呈現豐滿的思維過程和方法，加深學生對知識規律的深層次理解[3]。

2.促進教學內容呈現方式，加速教學手段和教學方法的變革

很多實驗現象瞬間發生，用眼睛很難觀察到，更是很難直接測量的。教師可以借助攝影設備的高速攝像功能，利用視頻分析技術讓學生仔細反復觀察，甚至可以一幀一幀地播放視頻，把一些現象和規律帶入到學生的視野中。視頻對實驗進行精確詳細的記錄，而實驗的數據更直觀地反映了實驗本質和物理規律，將抽象的思維方法和思維過程用一種生動形象而清晰的方式展現，聚焦實驗本質，使教學更為方便和直觀。教師將視頻分析技術應用到課堂中，可以有效地彌補現有教學手段的不足，并能給學生帶來新的學習途徑，使教學方法更多樣化。

3.激發學生的學習興趣，充分發揮學生學習的主體作用

許多傳統運動學實驗器材往往游離于學生真實世界之外，學生居家找不到合適的設備，難以獨立進行實驗。教師利用智能手機或平板電腦、數碼相機等移動設備進行現實世界拍攝，通過視頻分析快速精準地分析和歸納隱藏在真實世界現象背后的物理規律，使得知識更簡單化、形象化。回歸真實性的科學探究，增加了學生學習的趣味性，激發了學生的探索欲望，注重了實驗的科學本質。通過手機視頻記錄、跟蹤數據采集方式等，使學生能夠充分體驗感悟科學研究方法，樹立科學價值觀[4]。培養學生利用信息技術解決問題，學生可以自主參與設計更多的實驗，在課堂之外進行更多主題多樣化的自主實驗探究。

4.實驗教學不再受制于實驗設備

視頻深度分析和使用，使得學校不再為昂貴的實驗器材無法采購而發愁，緩和了學校實驗儀器不足的境況，特別是為偏遠山區經濟條件差的學校提供了更多的實驗思路，可以避免“畫實驗”“講實驗”的狀況，給學生提供了較為逼真的學習認知環境。視頻的深度分析應用對學科教學起到了良好的輔助效果，實現了豐富視頻資源下的高效科學探究，將其融入到學科實驗教學中是非常有意義的嘗試。視頻分析的實驗設備簡單，利用普通手機或相機即能隨時拍攝身邊的物理現象用以分析，有利于培養學生實踐能力與創新能力，且完全可替代打點計時器、頻閃照相機、數字傳感器等設備，開展更多的實驗研究，引導學生用心觀察世界、記錄世界、分析研究，自覺地踏上科學探索的道路。

總之，視頻拍攝場景廣泛，在視頻播放、暫停、放大特寫中獲取和分析處理實驗數據，彌補了傳統教學的不足。而且它能在學科教學過程中潛移默化地作用于學生，在數據學習分析方法和建模意識等方面培養他們發現和解決問題的能力。同時，視頻深度分析和應用為教師在教學中使用信息技術提供了一種新的思路與方法。可見，將視頻分析技術應用于學科教學中，不僅利于教師教，而且利于學生學，可促進教學過程的優化，提高課堂效率，以更好地培養學生學科素養[5]。

參考文獻

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編" "輯：徐靖程