视频分析软件与中学物理教学整合的探索*——以Tracker软件研究单摆运动为例

洪炎红 徐晓梅 冯 洁

(云南师范大学物理与电子信息学院 云南 昆明 650500)

视频分析软件与中学物理教学整合的探索*
——以Tracker软件研究单摆运动为例

洪炎红 徐晓梅 冯 洁

(云南师范大学物理与电子信息学院 云南 昆明 650500)

以视频分析软件为信息技术支撑环境，选取了Tracker软件作为工具，单摆作为课题，探索了视频分析软件与中学物理教学的整合原则和整合方式，希望能给物理教师提供信息技术与中学物理教学整合的新思路和新手段，用以解决传统教学中用其他教学手段难以解决的一些教学困难，促进中学物理教学的优化，提高教学效率.

视频分析软件 中学物理教学Tracker软件 单摆

《普通高中物理课程标准》提出，“要加快多媒体课程资源的利用与开发，将信息技术与物理课程整合”.在中学物理教学中如何结合课堂教学实际合理使用信息技术，解决传统教学中的困难，提高教学效率，对中学物理教师来说是个棘手的问题.视频分析软件是能对视频中位置、时间等相关数据进行收集并分析处理的软件，目前存在的可应用于物理教学的视频分析软件已有10多种，如LoggerPro，MotionVideoAnalysis，Ecolab3.0，Tracker，Coach6等.国外 (美国、新加坡为主) 的物理教师对视频分析软件在中学物理教学中的应用做了不少研究和实践，取得了一定的成果.国内也已有一小部分物理教师开始关注视频分析软件在中学物理教学的运用，但绝大部分的中学物理教师对此一无所知，或就算知道此类软件的存在，但却并不知道什么时间、什么场合该用软件，以及具体如何使用.

本文将以视频分析软件为信息技术支撑环境，选取视频分析软件Tracker作为工具，并以单摆为课题，尝试探索视频分析软件与中学物理教学的整合原则和整合方式.希望能给物理教师提供信息技术与中学物理教学整合的新思路、新手段.

1 视频分析软件与中学物理教学的整合

1.1 整合的原则

将视频分析软件应用于中学物理教学中必须要遵守一些基本原则. 视频分析软件与中学物理教学的整合(以下简称为整合)，是在实践层面上从一线中学物理教师的角度出发，为有效地促进教学，将视频分析软件作为一种工具、媒介和方法，有机地融入到中学物理教学中[1].因此，整合时需遵守一些原则.

(1)以课程标准为指导的原则：整合必须以物理课程标准为指导，通过运用视频分析软件来达到标准所要求的教学目标、内容，帮助学生掌握物理知识和技能.

(2)针对性原则：并不是所有的教学内容都需要使用视频分析软件，要根据教学目标、内容及实际教学情况来决定是否采用、何时采用以及怎么用.

(3)优势互补原则：辩证地处理好视频分析软件与其他教学手段的关系，各取所长，互补所短.

(4)有效性原则：整合的最终目的是要为教学服务，优化教学，因此有效整合不在于量的多少，而是质的高低.

(5)不可替代原则：视频分析软件在使用中要达到不用它时所不能达到的效果，发挥其不可替代的作用，不需要用的绝不用，可用可不用的最好不用.

1.2 一些适宜整合的教学内容

结合视频分析软件特点，整理出了一些适宜整合的中学物理教学内容(课题).

(1)一些抽象难理解的物理概念、规律和模型，因学生的知识水平、阅历有限，无法想象和理解，如单摆模型、抛体运动、超重和失重现象.

(2)一些物理过程太快，难以看清，运动规律不够直观，学生没有办法在脑中形成相应的物理情景，如平抛运动、自由落体运动、弹簧振子的运动.

(3)一些生活中难以见到的物理场景及科学技术运用于实际的场景，学生无法想象，便无法掌握其中的物理知识，如火箭发射的速度、同步卫星的运动.

(4)还有一些受学校设备、时间和空间的限制而无法进行的实验，或者实验数据处理较复杂，占用较多课堂时间的实验，如探究小车速度随时间变化的规律、探究单摆周期与摆长的关系、研究二维平面碰撞的动量守恒.

将视频分析软件应用于以上内容的教学，能够较好地解决传统教学的困难，可以提高教学有效性.

2 Tracker软件与中学物理教学的整合案例

接下来笔者将采用Tracker软件为工具，以“单摆”为课题，来探索视频分析软件在中学物理教学中的具体应用，为中学物理教师提供可供参考的案例.而在众多的视频分析软件中，选择Tracker软件(美国卡布里洛大学的道格拉斯·布朗教授开发的开源物理软件)为工具的原因在于它不仅对视频进行分析，还能根据需要建立动态粒子模型[2].

新课程将单摆内容安排在选修3-4，在教材编排上，笔者认为以研究单摆的回复力来证明单摆做的是简谐运动不够直观，用停表测量多次全振动的时间取平均值求单摆周期的方法占用课堂的时间较长，且计时的起止点在实际操作中并不好把握.新课程标准又明确提出：“通过实验，探究单摆的周期与摆长的关系；知道单摆周期与摆长、重力加速度的关系.会用单摆测定重力加速度.”为了达到新课程标准的要求，解决传统教学的困难，决定在单摆教学中使用Tracker软件，视频分析软件的应用是以课程标准为指导，既有针对性又不可替代.

2.1 课前准备

(1)教学器材：小钢珠，1m左右的长细线，支架，量角器，双面胶，智能手机，Tracker软件.

(2)视频录制：按图1所示安装实验器材，图中的量角器是用来控制单摆幅度的(如图右上角所示).利用支架将手机竖直放置，打开手机录像，将小钢珠拉开一定角度(小于10°)由静止释放，录制小球的运动过程.分别录制4个视频：

1)摆球质量为0.148 3kg，摆长为55.92cm,摆角为4°.

2)摆球质量为0.148 3kg，摆长为55.92cm,摆角为8°.

3)摆球质量为0.168 3kg，摆长为55.92cm,摆角为8°.

4)摆球质量为0.148 3kg，摆长为48.20cm,摆角为8°.

图1 单摆实验装置

这样实验数据依然来自传统的实验装置，保证了数据的真实性，而数据采集和分析处理手段借助Tracker软件得到了显著的改观，两者在整合中优势互补.

2.2 课堂教学(教师要在课前预做)

在单摆教学中应用Tracker软件，并不是说整堂课都要使用.视频分析软件的应用必须有针对性且又不可替代，对于单摆课题有以下几点可应用软件进行教学.

(1)证明单摆摆动时摆球做简谐运动

视频分析：将所录制的视频1导入Tracker软件，播放视频，选取起始和结束帧，以量角器的直径(10cm)为“定标杆”，取小球静止时的球心为坐标原点，旋转坐标轴，使纵坐标与细线重合，创建“质点”，按住shift+ctrl键，实现质点的逐帧自动追踪，得到摆球的运动轨迹(图中圆形标记)，如图2所示.

图2 摆球质量为0.148 3 kg，摆长为55.92 cm, 摆角为4°的单摆运动

数据分析：从图2右边的数据学生不难发现单摆运动的曲线是正弦(余弦)曲线，为了进一步定量说明摆球的运动情况，右击数据框“分析”数据，选择“正弦曲线”拟合，先 “自动拟合”，再手动调整参数，发现数据曲线(图中带正方形点标记的曲线)与拟合曲线(图中平滑的曲线)能近似重合，如图3所示，由此说明单摆摆动时摆球做的是简谐运动，其运动方程满足x=Asin(ωt+φ).

图3 摆球质量为0.148 3 kg，摆长为55.92 cm, 摆角为4°的单摆运动数据

(2)探究单摆振幅、质量、摆长对周期的影响

用同样的方法将视频2，3，4导入Tracker软件进行视频分析和数据分析，可得视频2中ω2=4.177 rad/s，则T2≈1.503 s；视频3中ω3=4.178 rad/s，则T3≈1.503 s；视频4中ω4=4.514 rad/s，则T4≈1.395 s.

比较视频1和2的数据可得当摆球质量、摆长相同时，单摆周期与摆角的大小(较小时)无关；比较视频2和3的数据可得，当摆角、摆长相同时，单摆周期与摆球的质量无关；比较视频2和4的数据可得，当摆球质量、摆角相同时，单摆周期与摆长有关.综上所述，可得单摆振动的周期与摆球质量无关，在振幅较小时与振幅无关，但与摆长有关，且摆长越长，周期也越长.

(3)利用公式求重力加速度

将所得摆长及周期代入单摆周期公式便可得重力加速度，以视频4为例，视频4中L=48.20 cm，T=1.395 s，则

查资料可知昆明市重力加速度的参考值g0=9.789 m/s2，则相对误差为

可见，实验误差较小.

在教学中还可录制多组不同摆长的单摆运动实验视频导入软件重复以上步骤，将得到的几组摆长和周期的数据导入Excel软件，探究单摆周期与摆长的关系[3].此方法需要教师在课前花费较多的时间准备，但是实验占用课堂的时间少，误差较小，且从图像、方程两个途径来分析实验数据，培养学生用多种方法收集数据的意识及收集、处理数据的能力.因视频分析步骤都一样，所以教师可在课堂只分析一两个视频，其他的可先在课前分析好，课堂上直接将数据展示给学生.如课堂上有剩余时间，也可分析摆角大于10°时摆球做什么运动，用不同地区的单摆运动视频探究重力加速度对单摆周期的影响，甚至还可分析单摆在太空中的运动，增长学生的见识，帮助学生更深地理解单摆运动.在条件允许的情况下可以让学生自己动手分析，自主探究，培养学生探究能力和收集、处理信息的能力.

这样利用Tracker追踪单摆运动的轨迹，得到单摆运动曲线，分析其是否做简谐运动，再通过计算得到单摆运动周期，并探究单摆振幅、质量、摆长对周期的影响及单摆周期与摆长的关系，算出重力加速度，达到新课程标准对单摆知识的内容要求，提高单摆教学的效率，说明了视频分析软件在单摆教学中的有效性.在文中只给出Tracker软件在单摆教学中的应用部分，在进行实际教学时，物理教师们要结合黑板、粉笔、单摆实验仪器等传统教学手段，如在分析视频时教师可用摆钟或摆钟视频作为情境引入，体现从生活走进物理的理念.总之，视频分析软件的应用要结合传统的教学手段和其他教学手段，优势互补.

3 结束语

将视频分析软件与中学物理中合适的内容，如单摆、自由落体及平抛运动等内容的教学相整合，把软件作为一种教学工具，化抽象为直观，准确快速地得到实验数据，帮助学生更好地理解知识，解决传统教学中遇到的困难，提高教学效率，促进中学物理的教学.但是需要注意，并不是所有的教学课题都适合用视频分析软件，适合用的教学课题也不是整堂课都要使用，要避免为了使用信息技术而使用视频分析软件.此外，由于教师在课前要先拍视频，分析视频与收集数据，故此，需要教师花费更多的时间去备课.所以，教师需要根据实际情况，如自己的教学经验、学生的特点、学校的设备等，分析如何将视频分析软件与其他的教学手段相结合，在课前充分准备，以优化教学为目的，形成自己的教学设计.

1 黄德群.十年来我国信息技术与课程整合研究的回顾与反思.电化教育研究，2009(8):86～882LooKangWee,CharlesChew,GiamHweeGoh，etal.UsingTrackerasapedagogicaltoolforunderstandingprojectilemotion.PhysicsEducation,2012,47(4):448～455 3 刘婷，彭朝阳.应用视频分析软件测单摆周期和重力加速度.物理教学探讨，2016,34(4)：56～57

*国家级专业(物理专业)综合改革试点项目；云南师范大学研究生教育教学改革项目“物理教学论”课程案例教学建设项目号：YJG2015-A08

洪炎红(1992- )，女，在读硕士研究生，从事物理教学论研究.

徐晓梅(1963- )，女，副教授，硕士生导师，主要从事大学物理教学和物理课程与教学论研究.

2016-12-01)