讓真實(shí)定量、定格——Tracker軟件在物理教學(xué)中的應(yīng)用

吳志山

（江蘇省南通第一中學(xué)，江蘇 南通 226001）

1 視頻分析軟件Tracker

Tracker是一個(gè)免費(fèi)的視頻跟蹤分析和建模工具軟件，是國(guó)外針對(duì)物理教育而設(shè)計(jì)，可以手動(dòng)或自動(dòng)跟蹤對(duì)象的位置、速度和加速度并動(dòng)態(tài)顯示.Tracker利用跟蹤視頻來(lái)建模是一種功能強(qiáng)大的教學(xué)新方法，它解決了過(guò)去物理教學(xué)過(guò)程中所呈現(xiàn)的視頻只能看現(xiàn)象，不能定量分析的問(wèn)題.更主要的是不需要借助什么新型設(shè)備或?qū)I(yè)人才，我們就能在課堂上隨時(shí)對(duì)一段視頻進(jìn)行定量或建模分析，利用軟件所帶的功能還能創(chuàng)造類(lèi)似閃光照片等效果，輸出所需要的數(shù)據(jù)表格或圖像，還可以對(duì)所畫(huà)圖形進(jìn)行曲線擬合、積分等操作.

為了提供真實(shí)的分析處理，Tracker軟件提供了比例標(biāo)度的設(shè)置功能.只要在視頻場(chǎng)景中找到一個(gè)已知尺度的物體，將標(biāo)度移到該物體并設(shè)置好其真實(shí)長(zhǎng)度，在后面的視頻分析中軟件將自動(dòng)按照該比例標(biāo)度將物體在屏幕上移動(dòng)長(zhǎng)度轉(zhuǎn)化為真實(shí)場(chǎng)景的尺寸，從而能夠還原真實(shí)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程.另外，軟件還提供了各種坐標(biāo)設(shè)置，可以沿不同角度建立直角坐標(biāo)系，也可用極坐標(biāo)系進(jìn)行分析，為物理現(xiàn)象和物理規(guī)律的探究提供了極大的方便.

2 軟件在物理教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 幫助學(xué)生探尋物理規(guī)律

建構(gòu)主義理論告訴我們，學(xué)生的知識(shí)應(yīng)該是通過(guò)其自身探索實(shí)踐，自我順應(yīng)或同化進(jìn)行建構(gòu)，教師應(yīng)盡量多給學(xué)生創(chuàng)造探尋規(guī)律的情境或物化模型，讓學(xué)生自己去發(fā)現(xiàn)和構(gòu)建自己的知識(shí)、能力體系.但在物理的教學(xué)過(guò)程中，有些物理概念和規(guī)律的學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)生來(lái)講比較抽象，難以理解，許多教師以講解為主，再輔以習(xí)題訓(xùn)練；有些概念和規(guī)律雖然可以借助一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)幫助學(xué)生建立和理解，但苦于沒(méi)有一些細(xì)節(jié)的分析而顯得缺乏說(shuō)服力.

例如對(duì)拋體運(yùn)動(dòng)的研究，從理論上分析，其只受豎直方向重力，豎直方向上的運(yùn)動(dòng)應(yīng)該是加速度為g的勻變速運(yùn)動(dòng)，水平方向上應(yīng)是勻速直線運(yùn)動(dòng)，但從一般的生活或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象中很難得出定量的結(jié)論.借助Tracker軟件，我們就可以取一段拋體運(yùn)動(dòng)的視頻進(jìn)行一些定量分析來(lái)幫助學(xué)生探尋其中的規(guī)律，視頻可以自己拍攝，也可從網(wǎng)絡(luò)或Tracker軟件開(kāi)放的資源庫(kù)中選取，如圖1視頻來(lái)源于軟件本身資源.

圖1 斜拋運(yùn)動(dòng)

首先，我們從視頻中選取合適的開(kāi)始幀和結(jié)束幀，設(shè)置好步伐大小及坐標(biāo)系、比例標(biāo)度等.然后逐幀手動(dòng)或自動(dòng)建立跟蹤質(zhì)點(diǎn)（shift＋鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊小球在各幀中的位置），軟件將自動(dòng)記錄小球隨時(shí)間變化的位置坐標(biāo)（如圖1右下）、畫(huà)出x－t圖（如圖1右上，可以點(diǎn)擊坐標(biāo)軸更換圖像，如可畫(huà)出y－t圖等），時(shí)間值由視頻每秒幀數(shù)自動(dòng)計(jì)算而得到.

從x－t圖中的直線我們可以看出，在水平方向上小球作勻速直線運(yùn)動(dòng)，由斜率可以得到小球水平速度約為1.73m／s.右擊右下方表格，還可在彈出菜單中選擇Analyze菜單進(jìn)行進(jìn)一步分析，我們選擇坐標(biāo)軸讓軟件作出y－t圖如圖2所示.對(duì)該曲線進(jìn)行擬合得到方程為y＝－5.032t2＋3.718t－0.409，對(duì)照豎直上拋軌跡方程y＝v0t－0.5at2可知，加速度約為10.06m／s2，在誤差范圍內(nèi)與重力加速度相等，斜拋豎直方向初速度約為3.72m／s.

圖2 豎直方向位移－時(shí)間圖像

通過(guò)對(duì)拋體運(yùn)動(dòng)實(shí)際視頻的定量分析，學(xué)生發(fā)現(xiàn)拋體運(yùn)動(dòng)在水平方向上是勻速直線運(yùn)動(dòng)，豎直方向是加速度為g的勻變速直線運(yùn)動(dòng)，從而加深了對(duì)拋體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理解.

2.2 輔助實(shí)驗(yàn)觀察與教學(xué)

實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)的重要手段，也是學(xué)生建構(gòu)知識(shí)的重要渠道，但因條件所限，我們的許多實(shí)驗(yàn)還僅僅停留在表面現(xiàn)象的觀察上，對(duì)一些有復(fù)雜過(guò)程，或速度較快的現(xiàn)象分析很難到位，師生還未能充分挖掘和利用好我們的實(shí)驗(yàn).Tracker軟件在提供視頻播放或暫停的同時(shí)，在右側(cè)的圖形或數(shù)據(jù)框內(nèi)會(huì)同步標(biāo)識(shí)過(guò)程的狀態(tài)點(diǎn)，在視頻的播放窗口還可以用有方向和長(zhǎng)度的線段選擇性地標(biāo)注速度、加速度等物理量，該軟件這樣的物理專業(yè)功能為我們實(shí)驗(yàn)的觀察和分析提供了強(qiáng)大的工具.

例如，對(duì)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)中彈簧振子運(yùn)動(dòng)過(guò)程的分析，我們?cè)诔Ｒ?guī)的實(shí)驗(yàn)觀察中能看到振子來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)、定性的速度大小變化，但運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各物理量滿足什么定量關(guān)系，各個(gè)特殊點(diǎn)的狀態(tài)等卻難以分析.但若將該實(shí)驗(yàn)視頻導(dǎo)入分析軟件并分析，我們將會(huì)在右側(cè)看到簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的速度、加速度或位移的同步分析圖（如圖3）.從圖中我們可以直觀地看到振子運(yùn)動(dòng)周期為2s，振幅為6cm，位移、速度的整體變化規(guī)律符合正余弦規(guī)律.我們還可以看出位移變化規(guī)律的相位與速度變化規(guī)律的相位相差π／2等關(guān)系.利用軟件的逐幀播放功能我們還可以分析特殊位置的物理量狀態(tài)，如圖中位移最大時(shí)速度最小，位移為0時(shí)速度最大等.

圖3 簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析

借助視頻分析軟件的功能，我們還能對(duì)原有實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)和拓展，開(kāi)發(fā)新的實(shí)驗(yàn)視點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)資源，如在彈簧振子上裝一個(gè)測(cè)力計(jì)（如圖3）.在沒(méi)有軟件分析時(shí)，我們很難看清測(cè)力計(jì)示數(shù)，但利用軟件的逐幀播放功能就能清楚看到彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)的變化，并且能將該實(shí)驗(yàn)拓展到物體超失重問(wèn)題的研究.視頻分析軟件的應(yīng)用，為我們的實(shí)驗(yàn)分析提供了可視且多維同步的實(shí)驗(yàn)觀察效果.

2.3 研究性學(xué)習(xí)的有力工具

研究性學(xué)習(xí)是當(dāng)下學(xué)生學(xué)習(xí)的一種重要學(xué)習(xí)方式，研究性學(xué)習(xí)具有開(kāi)放性、探究性、實(shí)踐性的特點(diǎn).通過(guò)研究性學(xué)習(xí)，學(xué)生能主動(dòng)地獲取知識(shí)、應(yīng)用知識(shí)并解決問(wèn)題.在物理的學(xué)習(xí)過(guò)程中有許多研究性學(xué)習(xí)的課題和素材，學(xué)生也有著強(qiáng)烈的探究欲望，但有時(shí)卻無(wú)從下手，視頻分析軟件為他們提供了有力的研究學(xué)習(xí)工具.

例如學(xué)了振動(dòng)后，對(duì)于阻尼振動(dòng)的振幅、周期等問(wèn)題學(xué)生決定一探究竟.如圖4為研究彈簧振子在油中的振動(dòng)情況時(shí)導(dǎo)入軟件的視頻分析，軟件給我們畫(huà)出了振動(dòng)的位移圖像，清晰地體現(xiàn)了振幅和周期的變化情況，與課本所畫(huà)一般阻尼振動(dòng)圖像相似，換用不同粘度的油或不同彈簧振子還可以進(jìn)行對(duì)比研究.另外，習(xí)題教學(xué)過(guò)程中的許多問(wèn)題或情景也常常會(huì)成為學(xué)生研究的對(duì)象，學(xué)生可以對(duì)與習(xí)題相關(guān)一幅圖或一段視頻進(jìn)行探究.將視頻分析軟件引入研究性學(xué)習(xí)中，使學(xué)生有了研究利器的同時(shí)，也使他們能更進(jìn)一步將理論和實(shí)際相聯(lián)系，更加關(guān)注科學(xué)和生活.

圖4 阻尼振動(dòng)的過(guò)程分析

3 幾點(diǎn)建議

首先，Tracker軟件雖然可以播放一些實(shí)驗(yàn)視頻并能進(jìn)行分析，但并不能代替實(shí)驗(yàn)，真實(shí)的實(shí)驗(yàn)具有視頻無(wú)法替代的臨場(chǎng)感和親歷體驗(yàn)，軟件分析應(yīng)該在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)之后再進(jìn)行教學(xué)輔助.另外，視頻雖然來(lái)源于真實(shí)的拍攝，但由于場(chǎng)景較遠(yuǎn)、對(duì)焦邊界模糊等原因，設(shè)置長(zhǎng)度、角度等度量參考時(shí)難免有誤差，所以在分析結(jié)果時(shí)應(yīng)考慮誤差因素，有些視頻也只能作半定量分析.

其次，研究中的視頻可以來(lái)源于自己拍攝，也可以來(lái)源于電視、電影、網(wǎng)絡(luò)等，課本上的一些圖片也可用來(lái)進(jìn)行軌跡等靜態(tài)分析.目前Tracker軟件能分析 mov／avi／flv／mp4／wmv等格式的視頻文件，若是其它類(lèi)型的視頻文件可以用“格式工廠”之類(lèi)的軟件轉(zhuǎn)化后再進(jìn)行分析.

最后需要提醒的是，自己拍攝視頻時(shí)，要在畫(huà)面中留有已知尺寸的物體作為長(zhǎng)度參考，要固定攝像機(jī)進(jìn)行拍攝，在要研究的視頻段內(nèi)不要變焦與追拍，因?yàn)樵O(shè)置的參考長(zhǎng)度及坐標(biāo)原點(diǎn)不會(huì)隨攝像機(jī)變焦或移動(dòng)而變化，從而導(dǎo)致分析失真甚至失敗.在分析其他渠道獲得的視頻時(shí)，同樣要注意以上問(wèn)題，如在分析“神州八號(hào)”發(fā)射的視頻中，記者鏡頭隨“神州八號(hào)”升空而移動(dòng)或變焦時(shí)的分析就較困難，應(yīng)該截取攝像機(jī)不動(dòng)時(shí)拍攝的畫(huà)面進(jìn)行分析，參考長(zhǎng)度可以選擇“神州八號(hào)”的直徑或高度作為參考，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)都可以在網(wǎng)絡(luò)上查到.

1 Tracker軟件 http：／／www.cabrillo.edu／～dbrown／tracker／

2 Tracker軟件開(kāi)放資源 http：／／www.opensourcephysics.org／