高慧麗 熊建文

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

在科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，多媒體技術(shù)在物理教學(xué)中的應(yīng)用越來越多；它以圖文并茂、聲像俱佳、動(dòng)靜皆宜的表現(xiàn)形式將課堂教學(xué)帶入全新的境界．多媒體技術(shù)可以使傳統(tǒng)的課堂更加生動(dòng)，把抽象的東西形象化，受到廣大師生的喜愛．

視頻分析軟件Tracker填補(bǔ)了以前視頻工具只能播放不能分析的空白，可以為物理教學(xué)所用．視頻分析技術(shù)進(jìn)入中學(xué)課堂，不僅成為信息技術(shù)與物理課程整合、教育手段現(xiàn)代化的一個(gè)新的突破口,突出物理學(xué)科重視實(shí)際應(yīng)用的特點(diǎn)．而且激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)科技的興趣,培養(yǎng)學(xué)生情感態(tài)度與價(jià)值觀．所以筆者嘗試將Tracker軟件應(yīng)用于物理教學(xué)中，挖掘它對(duì)物理教學(xué)的輔助作用．

1 探究自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律

1.1 選取合適的運(yùn)動(dòng)視頻

要研究的運(yùn)動(dòng)視頻可以是自己拍攝的，也可以是從網(wǎng)站上截取自己需要的視頻片段．在這里筆者選取小鋼珠的自由落體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究(圖1)．

圖1

1.2 研究方法分析

研究物體的運(yùn)動(dòng)主要回答兩個(gè)問題:物體在t時(shí)刻處于什么位置；物體在t時(shí)刻處于什么運(yùn)動(dòng)狀態(tài)．在中學(xué)范圍內(nèi),實(shí)際上就是找出位移與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系s=f(t),速度與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系v=g(t)．找出這些函數(shù)關(guān)系，就可以知道物體運(yùn)動(dòng)遵循什么樣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律．

1.3 由一般到特殊的演繹探究

在探究自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律之前，人教版教材已經(jīng)安排學(xué)習(xí)了勻變速直線運(yùn)動(dòng)，學(xué)生已經(jīng)了解了勻變速直線運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)：

(1)加速度a不變；

(2)位移時(shí)間s-t圖像是拋物線；

(3)速度時(shí)間v-t圖像是一條直線．

只要能證明自由落體運(yùn)動(dòng)符合其中一個(gè)特點(diǎn)，就能說明自由落體運(yùn)動(dòng)是勻變速直線運(yùn)動(dòng)．

圖2

如圖1所示，對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行視頻跟蹤后，對(duì)y-t函數(shù)曲線進(jìn)行擬合，擬合公式為

y=at2+bt+c

結(jié)果證明其圖像符合二次函數(shù)曲線(圖2)；或者選擇v-t圖像，對(duì)v-t函數(shù)曲線進(jìn)行擬合

vt=at+b

圖像符合一次函數(shù)數(shù)曲線(圖3)．兩個(gè)結(jié)果都說明自由落體運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出勻變速直線運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，則充分證明自由落體運(yùn)動(dòng)就是勻變速直線運(yùn)動(dòng)，而且是初速度為零的勻變速直線運(yùn)動(dòng)．

圖3

自由落體運(yùn)動(dòng)是初速度為零的勻變速直線運(yùn)動(dòng)，則遵循規(guī)律

根據(jù)圖2擬合的參數(shù)可以知道加速度a=9.78 m/s2；也可以根據(jù)圖3擬合的參數(shù)求出加速度a=9.87 m/s2．在誤差范圍允許內(nèi)，這兩個(gè)加速度可以認(rèn)為是相同的，跟標(biāo)準(zhǔn)值a=9.8 m/s2很接近．從而完成了對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的探究：自由落體運(yùn)動(dòng)是初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，其物理規(guī)律為

1.4 由特殊到一般的歸納探究

粵教版教材安排學(xué)生先學(xué)習(xí)自由落體運(yùn)動(dòng)，再學(xué)習(xí)勻變速直線運(yùn)動(dòng)．對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的探究只能依賴于數(shù)學(xué)工具，看它運(yùn)動(dòng)的s-t圖像和v-t圖像分別是什么函數(shù)，那它就符合該圖像對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，也就是運(yùn)動(dòng)所遵循的規(guī)律了．

前文已經(jīng)描述，如圖1，對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行視頻跟蹤后，選擇需要的函數(shù)圖像進(jìn)行分析．對(duì)函數(shù)圖像擬合分析知，鋼球做自由落體運(yùn)動(dòng)的s-t關(guān)系曲線符合二次函數(shù)的圖像(圖2)，根據(jù)擬合參數(shù)，其函數(shù)關(guān)系為

s=4.89t2+2t-0.5

鋼球做自由落體運(yùn)動(dòng)的v-t關(guān)系曲線符合一次函數(shù)的圖像(圖3)，根據(jù)擬合參數(shù)知道其函數(shù)關(guān)系為

v=9.87t+2

由于在選取坐標(biāo)時(shí)，選擇t=0時(shí)，y=0,v0=0.于是運(yùn)動(dòng)規(guī)律近似為

s=4.9t2v=9.87t

顯然鋼球做初速度為零的加速運(yùn)動(dòng)，由于速度與時(shí)間的關(guān)系遵循一次函數(shù)曲線，速度是均勻增加的，可知運(yùn)動(dòng)的加速度是恒定的．根據(jù)加速度定義，知道其大小等于速度-時(shí)間圖像的斜率，即加速度a=9.87 m/s2．在誤差允許范圍內(nèi)，這與習(xí)慣表達(dá)式可以認(rèn)為是一致的,即

2 視頻分析軟件的物理教學(xué)價(jià)值

2.1 集合了視頻教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)

將真實(shí)的物理情景和物理數(shù)據(jù)(圖像)結(jié)合、對(duì)應(yīng)起來,符合建構(gòu)主義的教學(xué)思想,更能反映物理現(xiàn)象的本質(zhì),深化了學(xué)生對(duì)物理規(guī)律的理解．視頻揭示了實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象,數(shù)據(jù)(圖像)直觀地反映了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象所對(duì)應(yīng)的物理規(guī)律,兩者同步起來,相得益彰,突破教學(xué)難點(diǎn)．例如，研究在下端裝有彈簧的斜面上運(yùn)動(dòng)的小滑塊(圖4)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，運(yùn)用此視頻分析軟件就可以很清楚地了解．

圖4

用此軟件教學(xué)能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)學(xué)生捕捉信息、獲取信息、處理信息的能力；能提高課堂教學(xué)效率，使學(xué)生仿佛身臨其境,從而有效地啟發(fā)學(xué)生思維,激勵(lì)學(xué)生參與教學(xué)過程,充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主體作用．

2.2 實(shí)驗(yàn)視頻和數(shù)據(jù)采集視頻可同步播放

有的物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象轉(zhuǎn)瞬即逝,學(xué)生可能還沒觀察清楚就過去了.利用視頻分析軟件可以讓學(xué)生反復(fù)觀察.倘若變化太快,還可以使軟件一幀一幀地播放視頻，甚至可以停在某一處仔細(xì)觀察,“暫?！边@樣一個(gè)小小的功能會(huì)給物理教學(xué)帶來意想不到的方便和直觀．例如在研究簡諧運(yùn)動(dòng)時(shí)，軟件可以同時(shí)繪出位移圖像和速度圖像，學(xué)生可以觀察視頻每一幀對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)(圖像)，尤其是在最大位移處速度為零，零位移處速度最大．如圖5所示，繪圖欄的方框處則是對(duì)應(yīng)此幀的位移或者速度圖像以及同步的時(shí)間、位移、速度等數(shù)據(jù)．

圖5

2.3 彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足

很多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是很難直接測(cè)量的，利用視頻分析軟件可以將不能測(cè)量的現(xiàn)象拍攝下來，經(jīng)過處理即可得到現(xiàn)象中所蘊(yùn)藏的物理規(guī)律．例如，一輛車中懸掛一個(gè)小球，在車勻速運(yùn)動(dòng)的過程中小球的運(yùn)動(dòng)是怎樣的？(圖6)我們可以將這一現(xiàn)象錄制下來，通過視頻分析軟件分析得出懸掛小球的運(yùn)動(dòng)規(guī)律．物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成功經(jīng)驗(yàn)表明，把物理現(xiàn)象和規(guī)律納入學(xué)生的可視化范圍，讓學(xué)生“看到現(xiàn)象”是實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵．可見，視頻分析技術(shù)解決了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)無法解決的問題，還可以使得學(xué)生對(duì)很多運(yùn)動(dòng)規(guī)律有一個(gè)視覺認(rèn)識(shí)，而不只是停留在理論推導(dǎo)上．

圖6

3 總結(jié)

視頻分析軟件在某種程度上緩和了學(xué)校實(shí)驗(yàn)儀器不足,在一定程度和一定范圍內(nèi)能夠改變“畫實(shí)驗(yàn)”、“講實(shí)驗(yàn)”的狀況,為學(xué)生學(xué)習(xí)提供一個(gè)比較真實(shí)的認(rèn)知環(huán)境．信息化的實(shí)驗(yàn)手段可以拓展學(xué)生探究日常生活中物理現(xiàn)象的能力,從而能激發(fā)學(xué)生探究的欲望,強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力有利于學(xué)生通過努力發(fā)現(xiàn)問題尋找規(guī)律．所以，把視頻分析技術(shù)引入物理教學(xué)是至關(guān)重要的． 視頻分析技術(shù)應(yīng)用于物理教學(xué)，在教學(xué)方法上實(shí)現(xiàn)了多樣化；在教學(xué)模式上,使個(gè)別化學(xué)習(xí)和交互式教學(xué)二者的結(jié)合成為可能；在教育觀念上，為教育的發(fā)展提供了新思路,體現(xiàn)了信息技術(shù)與物理課程混合式學(xué)習(xí)的整合理念．

參考文獻(xiàn)

1 劉萬強(qiáng).改進(jìn)的自由落體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn).物理教學(xué)探討，2007(6)：60

2 吳肖，王笑君.基于DIS的視頻與數(shù)據(jù)采集同步教學(xué)課件的開發(fā)及應(yīng)用.物理教學(xué)探討，2008(4)：53～55

3 何克抗.從Blending Learning看教育技術(shù)理論的新發(fā)展.國家教育行政學(xué)院學(xué)報(bào)，2005(9)：37～48

4 扈中平，李方.現(xiàn)代教育學(xué)(第2版).北京：高等教育出版社，2005

5 Douglas Brown.Video Modeling:Combining Dynamic Model Simulations with Traditional Video Analysis.Poster PST 3～15

6 Douglas Brown.Spectroscopy Using the Tracker Video Analysis Program.AAPT Summer Meeting Presentations