洪炎紅 徐曉梅 馮 潔

(云南師范大學物理與電子信息學院 云南 昆明 650500)

視頻分析軟件與中學物理教學整合的探索*
——以Tracker軟件研究單擺運動為例

洪炎紅 徐曉梅 馮 潔

(云南師范大學物理與電子信息學院 云南 昆明 650500)

以視頻分析軟件為信息技術支撐環(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物理教學的整合原則和整合方式，希望能給物理教師提供信息技術與中學物理教學整合的新思路和新手段，用以解決傳統(tǒng)教學中用其他教學手段難以解決的一些教學困難，促進中學物理教學的優(yōu)化，提高教學效率.

視頻分析軟件 中學物理教學Tracker軟件 單擺

《普通高中物理課程標準》提出，“要加快多媒體課程資源的利用與開發(fā)，將信息技術與物理課程整合”.在中學物理教學中如何結合課堂教學實際合理使用信息技術，解決傳統(tǒng)教學中的困難，提高教學效率，對中學物理教師來說是個棘手的問題.視頻分析軟件是能對視頻中位置、時間等相關數據進行收集并分析處理的軟件，目前存在的可應用于物理教學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) 的物理教師對視頻分析軟件在中學物理教學中的應用做了不少研究和實踐，取得了一定的成果.國內也已有一小部分物理教師開始關注視頻分析軟件在中學物理教學的運用，但絕大部分的中學物理教師對此一無所知，或就算知道此類軟件的存在，但卻并不知道什么時間、什么場合該用軟件，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物理教學的整合原則和整合方式.希望能給物理教師提供信息技術與中學物理教學整合的新思路、新手段.

1 視頻分析軟件與中學物理教學的整合

1.1 整合的原則

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

(1)以課程標準為指導的原則：整合必須以物理課程標準為指導，通過運用視頻分析軟件來達到標準所要求的教學目標、內容，幫助學生掌握物理知識和技能.

(2)針對性原則：并不是所有的教學內容都需要使用視頻分析軟件，要根據教學目標、內容及實際教學情況來決定是否采用、何時采用以及怎么用.

(3)優(yōu)勢互補原則：辯證地處理好視頻分析軟件與其他教學手段的關系，各取所長，互補所短.

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

(5)不可替代原則：視頻分析軟件在使用中要達到不用它時所不能達到的效果，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內容

結合視頻分析軟件特點，整理出了一些適宜整合的中學物理教學內容(課題).

(1)一些抽象難理解的物理概念、規(guī)律和模型，因學生的知識水平、閱歷有限，無法想象和理解，如單擺模型、拋體運動、超重和失重現象.

(2)一些物理過程太快，難以看清，運動規(guī)律不夠直觀，學生沒有辦法在腦中形成相應的物理情景，如平拋運動、自由落體運動、彈簧振子的運動.

(3)一些生活中難以見到的物理場景及科學技術運用于實際的場景，學生無法想象，便無法掌握其中的物理知識，如火箭發(fā)射的速度、同步衛(wèi)星的運動.

(4)還有一些受學校設備、時間和空間的限制而無法進行的實驗，或者實驗數據處理較復雜，占用較多課堂時間的實驗，如探究小車速度隨時間變化的規(guī)律、探究單擺周期與擺長的關系、研究二維平面碰撞的動量守恒.

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

2 Tracker軟件與中學物理教學的整合案例

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物理教學中的具體應用，為中學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視頻進行分析，還能根據需要建立動態(tài)粒子模型[2].

新課程將單擺內容安排在選修3-4，在教材編排上，筆者認為以研究單擺的回復力來證明單擺做的是簡諧運動不夠直觀，用停表測量多次全振動的時間取平均值求單擺周期的方法占用課堂的時間較長，且計時的起止點在實際操作中并不好把握.新課程標準又明確提出：“通過實驗，探究單擺的周期與擺長的關系；知道單擺周期與擺長、重力加速度的關系.會用單擺測定重力加速度.”為了達到新課程標準的要求，解決傳統(tǒng)教學的困難，決定在單擺教學中使用Tracker軟件，視頻分析軟件的應用是以課程標準為指導，既有針對性又不可替代.

2.1 課前準備

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

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

1)擺球質量為0.148 3kg，擺長為55.92cm,擺角為4°.

2)擺球質量為0.148 3kg，擺長為55.92cm,擺角為8°.

3)擺球質量為0.168 3kg，擺長為55.92cm,擺角為8°.

4)擺球質量為0.148 3kg，擺長為48.20cm,擺角為8°.

圖1 單擺實驗裝置

這樣實驗數據依然來自傳統(tǒng)的實驗裝置，保證了數據的真實性，而數據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)勢互補.

2.2 課堂教學(教師要在課前預做)

在單擺教學中應用Tracker軟件，并不是說整堂課都要使用.視頻分析軟件的應用必須有針對性且又不可替代，對于單擺課題有以下幾點可應用軟件進行教學.

(1)證明單擺擺動時擺球做簡諧運動

視頻分析：將所錄制的視頻1導入Tracker軟件，播放視頻，選取起始和結束幀，以量角器的直徑(10cm)為“定標桿”，取小球靜止時的球心為坐標原點，旋轉坐標軸，使縱坐標與細線重合，創(chuàng)建“質點”，按住shift+ctrl鍵，實現質點的逐幀自動追蹤，得到擺球的運動軌跡(圖中圓形標記)，如圖2所示.

圖2 擺球質量為0.148 3 kg，擺長為55.92 cm, 擺角為4°的單擺運動

數據分析：從圖2右邊的數據學生不難發(fā)現單擺運動的曲線是正弦(余弦)曲線，為了進一步定量說明擺球的運動情況，右擊數據框“分析”數據，選擇“正弦曲線”擬合，先 “自動擬合”，再手動調整參數，發(fā)現數據曲線(圖中帶正方形點標記的曲線)與擬合曲線(圖中平滑的曲線)能近似重合，如圖3所示，由此說明單擺擺動時擺球做的是簡諧運動，其運動方程滿足x=Asin(ωt+φ).

圖3 擺球質量為0.148 3 kg，擺長為55.92 cm, 擺角為4°的單擺運動數據

(2)探究單擺振幅、質量、擺長對周期的影響

用同樣的方法將視頻2，3，4導入Tracker軟件進行視頻分析和數據分析，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的數據可得當擺球質量、擺長相同時，單擺周期與擺角的大小(較小時)無關；比較視頻2和3的數據可得，當擺角、擺長相同時，單擺周期與擺球的質量無關；比較視頻2和4的數據可得，當擺球質量、擺角相同時，單擺周期與擺長有關.綜上所述，可得單擺振動的周期與擺球質量無關，在振幅較小時與振幅無關，但與擺長有關，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，則相對誤差為

可見，實驗誤差較小.

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

這樣利用Tracker追蹤單擺運動的軌跡，得到單擺運動曲線，分析其是否做簡諧運動，再通過計算得到單擺運動周期，并探究單擺振幅、質量、擺長對周期的影響及單擺周期與擺長的關系，算出重力加速度，達到新課程標準對單擺知識的內容要求，提高單擺教學的效率，說明了視頻分析軟件在單擺教學中的有效性.在文中只給出Tracker軟件在單擺教學中的應用部分，在進行實際教學時，物理教師們要結合黑板、粉筆、單擺實驗儀器等傳統(tǒng)教學手段，如在分析視頻時教師可用擺鐘或擺鐘視頻作為情境引入，體現從生活走進物理的理念.總之，視頻分析軟件的應用要結合傳統(tǒng)的教學手段和其他教學手段，優(yōu)勢互補.

3 結束語

將視頻分析軟件與中學物理中合適的內容，如單擺、自由落體及平拋運動等內容的教學相整合，把軟件作為一種教學工具，化抽象為直觀，準確快速地得到實驗數據，幫助學生更好地理解知識，解決傳統(tǒng)教學中遇到的困難，提高教學效率，促進中學物理的教學.但是需要注意，并不是所有的教學課題都適合用視頻分析軟件，適合用的教學課題也不是整堂課都要使用，要避免為了使用信息技術而使用視頻分析軟件.此外，由于教師在課前要先拍視頻，分析視頻與收集數據，故此，需要教師花費更多的時間去備課.所以，教師需要根據實際情況，如自己的教學經驗、學生的特點、學校的設備等，分析如何將視頻分析軟件與其他的教學手段相結合，在課前充分準備，以優(yōu)化教學為目的，形成自己的教學設計.

1 黃德群.十年來我國信息技術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.應用視頻分析軟件測單擺周期和重力加速度.物理教學探討，2016,34(4)：56～57

*國家級專業(yè)(物理專業(yè))綜合改革試點項目；云南師范大學研究生教育教學改革項目“物理教學論”課程案例教學建設項目號：YJG2015-A08

洪炎紅(1992- )，女，在讀碩士研究生，從事物理教學論研究.

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

2016-12-01)