Python編程延時攝影與中學(xué)生物教學(xué)融合實踐研究

鄭麗華

摘? ?要：借助簡單的Python代碼和一個攝像頭， 對中學(xué)生物學(xué)科中生物生長變化、開花、生物實驗等緩慢變化的過程進行延時攝影。該過程被壓縮到一個較短時間內(nèi)，呈現(xiàn)出平時用肉眼無法察覺的奇異景象和動態(tài)過程。在中學(xué)生物學(xué)科中可利用這一特點，在教學(xué)中直觀展示生物生長、生命活動變化的動態(tài)過程。

關(guān)鍵字：中學(xué)生物；教學(xué)；Python編程；延時攝影；融合

1? 研究背景

1.1? 生物學(xué)科需求

生物學(xué)是研究生命現(xiàn)象和生命活動規(guī)律的科學(xué)，這一性質(zhì)決定了離不開觀察法[ 1 ]。觀察生命現(xiàn)象如生物的生長發(fā)育、生物捕食等，而這些生命現(xiàn)象是十分緩慢微觀的變化過程，教師在有限課堂時間中無法完整展示的生命現(xiàn)象，例如綠豆種子萌發(fā)大約需要3-5 d，斑馬魚的從受精卵發(fā)育到胚胎成形過程大約需要經(jīng)歷24 h。如何將生物生長發(fā)育等過程完整地在有限的時間里直觀的呈現(xiàn)呢？為了解決這一問題，提高生物課堂時效性，同時能夠讓學(xué)生在較短時間內(nèi)看到這些動態(tài)變化過程。本研究將自制一個Python編程延時攝影裝置，結(jié)合到生物教學(xué)需求中，拍攝出合適的視頻。

1.2? 開發(fā)Python編程延時攝影技術(shù)的意義

目前了解到延時攝影技術(shù)有用單反相機、三腳架（輔助器材：定時快門線、延時軌道、鏡頭濾鏡）等設(shè)備或者用手機功能中延時攝影功能。前者所用的單反相機、三腳架等設(shè)備比較專業(yè)和復(fù)雜，并非每位生物教師或者學(xué)生都有這樣的設(shè)備。后者手機是生活中必備工具，如果用手機拍攝一個3-5天的延時攝影視頻，手機不能正常使用給人們帶來了不方便。

借助簡單的Python代碼和一個攝像頭進行延時攝影。臺式電腦、教室希沃白板、筆記本電腦等都可以用來寫Python代碼，特別適合中學(xué)生物教師和學(xué)生利用現(xiàn)有的設(shè)備進行延時攝影。這既能解決設(shè)備復(fù)雜，又能在智能時代背景下利用編程代碼解決問題。能給教師們帶來動態(tài)而直觀的視頻資源作為上課素材，特別是在學(xué)生興趣小組、綜合實踐活動中培養(yǎng)學(xué)生觀察能力，能提升學(xué)生編程能力和解決問題的能力。

2? Python編程延時攝影設(shè)備

2.1? 設(shè)備

硬件設(shè)備：筆記本電腦（臺式電腦）、攝像頭、拍攝支架、生物學(xué)科中常用觀察工具顯微鏡，結(jié)合顯微鏡視野中物象變化拍攝設(shè)備如圖1、軟件： Python3.7。

2.2? 拍攝原理

延時攝影就是指攝影技術(shù)中的縮時攝影，該技術(shù)主要是通過時間壓縮技術(shù)，縮短視頻播放時長，這種攝影技術(shù)既能提升拍攝效果，又能有效降低視頻播放時間成本[ 2 ]。

延時攝影，也是由一張一張照片組成的，通過控制拍攝每張照片的間隔時間，達(dá)到壓縮時間的目的[ 3 ]。視頻時長最小計量單位是幀，1 s播放24幀，這是視頻標(biāo)準(zhǔn)的播放速度。

2.3? 制作方法

（1）官方網(wǎng)站下載安裝包，官網(wǎng)鏈接：www.python.org。

（2）以本機電腦為例，WINDOWS 7，鼠標(biāo)移動到“Downloads”，選擇Windows，找到3.7版本，這里有多個版本，選擇適用本機的版本。

（3）軟件安裝：雙擊打開python 3.7圖標(biāo)，進入安裝界面，簡單操作點擊自動安裝。

（4）安裝第三方庫：用win鍵+R快捷打開運行窗口，輸入cmd，點擊“確定”進入。輸入“ pip install numpy ”，按回車進入自動安裝。

（5）安裝第三方軟件：由于python原生的開發(fā)環(huán)境idle可視化不太友好，推薦使用Jupyter Notebook可以很好看到代碼和結(jié)果。輸入“ pip install jupyter”，按回車進入自動安裝，出現(xiàn)下圖即安裝完成。

（6）創(chuàng)建項目：雙擊進入新文件夾內(nèi)，新建一個txt文件，命名為啟動，并接該.txt文件的擴展名為.bat（封裝DOS命令，方便操作）。鼠標(biāo)右鍵點開啟動，進入編輯，輸入jupyter? notebook，點擊保存。

（7）啟動項目開發(fā)：雙擊點開啟動文件，將自動跳出DOS命令界面和jupyter的操作界面（會在電腦默認(rèn)的瀏覽器打開）。其中DOS命令界面是環(huán)境服務(wù)器不可關(guān)閉，最小化至后臺管理。

（8）創(chuàng)建子項目：在界面的右側(cè)找到NEW的下拉菜單，點擊Python3，彈出一個編輯界面?？蓪ntitled重命名為項目名稱，在綠色框內(nèi)可以輸入相應(yīng)的軟件代碼。

調(diào)試攝像頭代碼：

import cv2

cap = cv2.VideoCapture（700） # 調(diào)取攝像頭，0是本機攝像頭，1是外接攝像頭，700聯(lián)想機。

while True：

ret，img = cap.read（）? # 讀取攝像頭里的圖片

cv2.imshow（'img'，img） # 顯示圖片（監(jiān)控用）

if cv2.waitKey（50）>1：

break

cv2.destroyAllWindows（）? # 關(guān)閉監(jiān)視窗口

cap.release（）? ? ? ? ? ? # 釋放攝像頭

在界面的右側(cè)找到NEW的下拉菜單，點擊Python3，彈出一個編輯界面，再建一個延時拍攝代碼。

延時拍攝代碼：

import cv2

import time

videoName = time.strftime（video/%y%m%d%H%M%S.avi）

cap = cv2.VideoCapture（700） # 調(diào)取攝像頭，0本機攝像頭，1是外接攝像頭。

cap.set（3，1920） # 設(shè)定分辨率

cap.set（4，1080） # 設(shè)定分辨率

fourcc = cv2.VideoWriter_fourcc（*XVID） # 設(shè)置視頻格式

video = cv2.VideoWriter（videoName，fourcc，20，（1920，1080）） # 指定視頻存放地址。

while True：

cv2.namedWindow（img， cv2.WINDOW_NORMAL | cv2.WINDOW_KEEPRATIO）

name = time.strftime（imgsave/%y%m%d%H%M%S.jpg）

ret，img = cap.read（? ）? # 讀取攝像頭里的圖片

video.write（img）? ? ? # 將圖片寫入視頻文件4

cv2.imwrite（name，img） # 同步保存圖片

cv2.imshow（'img'，img） # 顯示圖片（監(jiān)控用）

if cv2.waitKey（50*4680）>1：? # 每1000 ms拍攝一幀，數(shù)字可調(diào)。

break

cv2.destroyAllWindows（? ）? # 關(guān)閉監(jiān)視窗口

cap.release（? ）? ? ? ? ? ? # 釋放攝像頭

video.release（? ）? ? ? ? ? # 釋放對視頻文件的占用

（9）安裝拍攝支架及攝像頭，并將攝像頭與電腦連接，進行運行程序。

3? 使用方法與步驟

第一步，打開自己創(chuàng)建桌面 “Python編程延時攝影”文件夾。

第二步，雙擊文件目錄如圖2，雙擊“打開.bat”，自動啟動圖3開發(fā)環(huán)境。

第三步，先檢查攝像頭是否正常并對焦，運行檢查攝像頭代碼。點擊“運行”檢查正常后按任意數(shù)字鍵就可以退出這個程序。

第四步，打開第2段程序，設(shè)置延時的倍數(shù)，點擊運行，攝像頭會每隔一段時間進行拍攝。按任意數(shù)字鍵退出。在video中就保存并生成了我們需要的視頻。

4? Python編程延時攝影與生物學(xué)科教學(xué)融合

人教版2012版和2013版初中生物四本教科書按教材中順序進行整理，結(jié)合Python編程延時攝影和生物學(xué)的教學(xué)需要進行融合實踐。

七年級上冊第二單元第一章第四節(jié)“細(xì)胞的生活”中，細(xì)胞膜控制物質(zhì)進出細(xì)胞這個微觀的知識難點可以通過延時攝影拍攝來突破。以雞蛋的卵黃為實驗材料，一個卵黃可以相當(dāng)于一個卵細(xì)胞，它是肉眼可見最大的細(xì)胞。卵黃放置于裝有清水的燒杯中。卵黃中的細(xì)胞膜（非卵黃膜）可以控制物質(zhì)進出，水分可以通過細(xì)胞膜進入細(xì)胞。這個過程大約需要3-4 h，通過延時攝影裝置拍攝出卵黃吸水變大的過程。這樣的延時攝影作品能直觀的展示卵黃上有一層看不見的細(xì)胞膜能控制水分進入卵黃細(xì)胞中。通過該實驗幫助學(xué)生建構(gòu)細(xì)胞膜能控制物質(zhì)進出的重要概念，如水分子可以進出細(xì)胞。

七年級上冊第三單元第二章第一節(jié)“種子的萌發(fā)”中，當(dāng)一粒種子萌發(fā)時，首先要吸收水分。種子結(jié)構(gòu)中的胚根、胚軸、胚芽、子葉將分別發(fā)育成根、胚軸伸長、發(fā)育成芽，子葉最后凋落。這個過程大約需要3-5 d，不同植物種子萌發(fā)時間也不同。以綠豆種子萌發(fā)為例拍攝延時攝影視頻在課堂中播放，能化抽象為具體，將漫長的生長過程在短時間內(nèi)展示出來。既節(jié)省了教學(xué)時間，又能讓每一個學(xué)生了解這個過程的變化。這就是將延時攝影技術(shù)融合到生物學(xué)科中，錄制出高效而實用視頻的意義。

七年級上冊第三單元第二章“植株的生長”這一節(jié)有觀察根毛這一實驗，將白菜種子置于放有棉花的試管中，觀察試管中白菜根毛生長。根據(jù)需要視頻的時長，計算出每張拍照時長間隔，最后導(dǎo)出根毛生長的視頻。這一視頻直觀顯示出根毛動態(tài)生長的過程。

在七年級上冊第三單元第二章第三節(jié)“開花和結(jié)果”，教師可以拍攝校園常見花開放的延時攝影視頻資源作為本節(jié)課的導(dǎo)入，花朵的開放過程美麗而富有動感，這樣的資源導(dǎo)入有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。以現(xiàn)有盆栽天竺葵為植物材料進行拍攝天竺葵開花的過程。

七年級上冊第三單元第三章“綠色植物與生物圈的水循環(huán)”這一章有觀察水分在莖內(nèi)的運輸途徑的演示實驗，每次教師只是展示結(jié)果而少了過程的變化，利用Python編程延時攝影將西芹吸收水和紅墨水的過程在短時間10 s內(nèi)展示完。這種效果比直接展示結(jié)果來得直觀同時注重生物過程性變化。

八年級上冊第五單元第四章第一節(jié)“細(xì)菌和真菌分布”這一節(jié)探究實驗檢測不同環(huán)境中的細(xì)菌和真菌可以運用這種設(shè)備進行延時攝影。細(xì)菌是微小單細(xì)胞生物，肉眼看不到，但是菌落可以看到。從一個細(xì)菌到菌落這樣一過程用延時攝影，架構(gòu)起了微觀和宏觀世界。同時還可以在興趣小組或綜合實踐活動、課外實踐中拍攝橘子腐敗過程、面包發(fā)霉等過程。

八年級上冊第五單元第四章第三節(jié)“真菌”組織學(xué)生進行課外調(diào)查活動拍攝真菌生長的延時攝影，例如各類食用菌的生長。通過網(wǎng)購鳳尾菇菌種，買回來后進行開袋、澆水拍攝延時攝影作品。

八年級上冊第五單元第四章第四節(jié)“細(xì)菌和真菌在自然界中的作用”，其中細(xì)菌、真菌與食品制作，學(xué)習(xí)利用酵母菌制作饅頭，發(fā)酵過程實踐大約需要2-3 h，經(jīng)過發(fā)酵面粉團變的大，變得蓬松這一過程，增強學(xué)生對發(fā)酵的理解。

八年級下冊第七單元第一章第二節(jié)“昆蟲的生殖和發(fā)育”為了讓學(xué)生更理解家蠶的發(fā)育過程，家蠶發(fā)育經(jīng)歷了卵、幼蟲、蛹、成蟲。可以通過本項目延時攝影拍攝蠶繭形成過程，使學(xué)生對蛹的階段印象更深刻。

根據(jù)2019人教版高中生物學(xué)教科書，整理出適合Python編程延時攝影的教學(xué)內(nèi)容。必修1《分子與細(xì)胞》第4章細(xì)胞的物質(zhì)輸入和輸出第一節(jié)“被動運輸”中探究植物細(xì)胞的吸水和失水。“洋蔥外表皮質(zhì)壁分離和復(fù)原”這個生物實驗中從觀察正常洋蔥外表皮細(xì)胞到滴加0.3%蔗糖溶液發(fā)生質(zhì)壁分離，再到加清水直到質(zhì)壁分離復(fù)原。這一過程大約十幾分鐘，學(xué)生一般只能看到質(zhì)壁分離和復(fù)原的結(jié)果，無法看到過程的動態(tài)變化。利用延時攝影技術(shù)就可以展示變化的動態(tài)過程。

選擇性必修1第5章植物生命活動的調(diào)節(jié)第1節(jié)“植物生長素”植物具有向光性這一概念，可以通過本項目的延時攝影拍攝豌豆苗向光性的視頻，呈現(xiàn)出光的刺激植物出現(xiàn)向光性這一生命現(xiàn)象。

5? 總結(jié)和展望

5.1? 拍攝對象的特點

所拍攝物體是有變化的過程，且這個過程是比較緩慢的變化。如果拍攝對象不具有動態(tài)與變化，拍攝出來的延時攝影就沒有意義；如果變化過程比較快也無需延時攝影技術(shù)。因此在生物學(xué)科中很多生命現(xiàn)象的變化過程可以通過Python編程延時攝影技術(shù)來實現(xiàn)。

5.2? 列表歸納生物學(xué)科與延時攝影相融合實例（表1）

6? 展望與改進

在室外用筆記本電腦比較不方便，而且屬于貴重物品。把筆記本電腦用一種微型電腦“單片機”來代替。例如拍攝春筍的生長、荷花開放、野外蘑菇生長等，也可以拍攝類似野生動物生存情況。該技術(shù)方法還可以結(jié)合開發(fā)板、傳感器，進行生物現(xiàn)象的拍攝。一方面，直觀拍攝緩慢生物現(xiàn)象的發(fā)生過程，另一方面記錄對應(yīng)的時間、溫度和濕度等自然條件信息，有利于分析生物生長發(fā)育與環(huán)境的關(guān)系。

目前是代碼的形式在運行，在不同的電腦環(huán)境下可能無法運行。但后期如果將它進一步的改進優(yōu)化，包裝成一個軟件，就可以在更多電腦上自由運行。

參考文獻：

［1］ 課程教材研究所，生物課程教材研究開發(fā)中心.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書 生物學(xué)七年級上冊[M].北京：人民教育出版社，2012.

［2］ 馬小淳.攝影技術(shù)中延時攝影的應(yīng)用分析[J].記者觀察·下旬刊，2020（1）.

［3］ 趙嘉.一本攝影書[M].北京：電子工業(yè)出版社，2020.