视频分析方法运用于物理教学活动之简介与探讨

项 华 罗 乐

（1.北京师范大学物理学系，北京 100875；2.成都石室天府中学，四川 成都 610041）

1 视频分析方法概述

所谓的视频分析方法就是一种基于数据挖掘理念，利用计算机对视频进行处理与分析，并在此基础之上描述科学现象，实施科学实验，总结和检验科学规律的科学方法.所谓的数据挖掘（Data Mining）是指利用计算机对处于离散状态的数字数据（如数码照片和数码录像）和处于连续状态的模拟数据（如由胶片相机拍摄的照片）进行处理与分析，发现数据之间的关联，构建新知识的过程.科学发展到近代，除去严密的实验观察和逻辑推理之外，基于计算机的虚拟仿真、视频分析等技术也变成了重要的研究手段.

视频分析方法主要包括获取视频数据、筛选视频或图像数据、借助软件发现数据关联（知识）以及交流知识价值等4个环节.具体说明如下.

（1）获取视频数据的一种途径是利用数码设备针对研究问题而拍摄的录像，另一种途径是利用搜索引擎在互联网中获得录像.

（2）筛选视频是根据研究问题、清晰度和误差大小等情况，选取一段比较理想的视频或视频截图作为研究对象.常用软件包括Mr.Captor屏幕截屏软件和QQ影音视频播放软件等等.

（3）发现数据关联（知识）的常用工具包括Excel、ACDSee、几何画板、SPSS等数据处理软件.

（4）交流与共享知识价值是在经历数据挖掘之后，彼此交流数据挖掘经验，体验视频分析方法的价值.

作为一种观察与分析科学问题的手段，虽然很早以前就有人将视频分析方法应用于科学教育之中，但是那时只是简单运用，随着数码技术或者多媒体技术的飞速发展和普及，视频分析方法的科学教育价值正被重新审视与认识.

视频在当代社会生活中运用非常广泛.借助现代数码技术，特别是借助移动数码技术，视频可以记录更加丰富的图像信息，既可以记录大到宇宙天体图像，也可以记录小到分子、原子图像，既可以记录缓慢的运动（如花朵开放），也可以记录稍纵即逝的运动（如子弹飞行）.这就大大地拓展了肉眼观察的范围.

iPad、iPhone和iPod是备受青睐的高科技数码产品.这些产品便于携带，功能丰富.如Vernier公司的Video Physics软件可以让学生探究iPad、iPhone、iPod录下的物体运动规律.图1展示了在iPhone中逐帧播放时篮球的位置轨迹，图2展示了通过Video Physics软件分析之后，篮球在x轴方向上的s－t图和v－t图，同样还可画出y轴方向上的s－t图和v－t图.这里运用了交互式数字视频（Interactive Digital Video）技术，即对数字视频进行数据收集和分析的硬件与软件集成技术.

图1

图2

2 一个视频分析方法之简单运用范例

视频分析方法运用于教学活动之中并不复杂.尽管视频分析法包含了4个环节，但是实际教学之中并不一定全部经历这4个环节.下面以“测量树高”为例简单说明视频分析方法的教学应用.

（1）获取视频.利用数码相机拍摄树与人（或其他可作为标尺长度的物体）的照片，注意使树与人（1.58m）在照片的同一平面上，拍摄角度应尽量与物体的中部持平，以避免视觉误差.

（2）选取视频（筛选信息）.将照片导入计算机中并且打开，根据清晰、视觉误差小的原则选取其中一张照片作为研究对象，如图3所示.

（3）分析视频（获取数据）.

①选定图片并按鼠标右键“复制”.

② 打开几何画板，在其中按鼠标右键，并选择“粘贴图片”命令，将所选图片复制到几何画板中.

③ 单击几何画板菜单栏中“绘图”——“定义坐标系”命令，将出现坐标网格，用鼠标左键将坐标原点移致树的底部，如图4所示.

图3

图4

④ 单击几何画板右边的第4个“线段直尺工具”后，分别点击树的顶部（标记为A点）和底部（B点），人的头顶（C点）和脚底（D点），注意使A和B、C和D分别在同一横坐标上，如图5所示.

图5

⑤ 用鼠标左键选中A、B两点后，点击几何画板菜单栏“度量”——“距离”命令，几何画板中会显示出A、B之间的屏幕距离“AB＝4.82cm”，同样地，测量出C、D之间的屏幕距离，“CD＝1.51cm”，如图6所示.

（4）分析和处理数据：以CD为标尺（人的身高1.58m为已知量），利用比例尺法计算出AB的实际距离：＝5.04m，即得到树的高度约为_______m.

图6

（5）交流与共享知识价值.测量树之高度的方法很多，但是这里运用视频分析法不受观察条件（如阳光）的限制，简单而准确.可以很好地实现从生活走向物理的教学理念，提高学习的兴趣.

值得一提的是，虽然运用视频分析方法时需要的软件或者技术多种多样，但是其运用的原理却是相同的.

3 展望与反思

随着人类进入信息时代，一方面，视频、音频、网络和通讯等技术日新月异，信息的容量、传播、处理速度以及应用程度均以几何级数的方式增长，这样的技术与信息构成了人们赖以生存的数字环境；另一方面，数字环境下社会各方面之运行方式也在发生着变化.基于数码技术的视频分析方法在物理科学教育中的运用值得探讨，其在物理科学教育中的运用主要包括以下几个方面.

（1）突破物质时空观察条件的限制，提供物理现象之视觉经验.例如涉及高楼、月球环形山等大尺度物理现象观察；再如涉及布朗运动、带电粒子运动等小尺度物理现象的观察；还如涉及危险类物理现象的观察等等.

（2）实现精细的、量化的、肉眼不易观察的定量科学研究.比如精细观察装满水的气球破裂时水与气球的状态；再比如记录水沸腾时气泡的数量和形态之变化；还比如记录人在体重秤上起跳时的蹬力随时间之变化等等.

（3）突破课堂与课外的限制，实现教学个性化需求.数码相机、交互式数字视频、物联网和云计算等技术构成了数字环境的物质基础，视频分析方法使得随时随地进行科学探究活动成为可能.

总之，科学与科学教育的方法、手段正在发生着深刻的变革，由于视觉经验在科学学习与科学研究中占有重要的地位，因此探讨视频分析方法在物理科学教育中的运用具有重要而现实的意义.

1 张宪魁.物理科学方法教育.青岛：中国海洋大学出版社，2012.25

2 项华，毛澄洁.以物理教育为例谈信息时代的数据素养.中小学信息技术教育，2011（04）：49－51

3 沈俊妮.美国信息技术与物理课程整合案例的研究与借鉴（学位论文）.南京师范大学物理科学与技术学院，2005.

4 项华.中学物理教学与信息技术整合导论.北京：北京师范大学出版社，2011.5－6