例談數(shù)碼相機在高中物理教學中的輔助應用

余 杰 曾 裕

(舟山中學教育集團舟山二中,浙江 舟山 316000)

隨著科技的發(fā)展,數(shù)碼相機日趨普及,價格也日益下降,這使其進入物理課堂成為可能.數(shù)碼相機具有即拍即看、操作簡便、使用成本低、功能多等特點,大部分相機既可拍攝靜態(tài)的照片,也可以錄制動態(tài)的視頻,從而突破了時空的限制,為物理課堂提供了豐富、真實、形象的教學資源,合理適度地利用數(shù)碼相機拍攝影像進行輔助教學,可收到良好效果.筆者根據(jù)自己的使用情況談幾點體會.

1 利用數(shù)碼相機復制、記錄功能

1.1 放大實驗裝置細節(jié)

在講解演示實驗前必須讓學生了解實驗裝置,但由于教室后排的學生往往由于距離遠,無法清楚地看到實驗器材的細節(jié),從而影響知識點的掌握.為此可以將實驗器材的整體構造和局部細節(jié)事先拍下來在屏幕上播放出來,使全班學生一目了然.又比如對一些小器件的認識,像光敏電阻、熱敏電阻、各類電容器、干簧管、秒表、游標卡尺、螺旋測微器、打點計時器、電流計內部結構等拍成圖片進行放大,使學生清晰直觀多角度觀察其形狀、特征,有利于學生準確了解掌握器件的構造,為下一步的實驗奠定基礎.如圖1為陰極射線管陰極和陽極兩部分的對比照片.

圖1

1.2 收集生活中物理元素

生活不是物理,但物理離不開生活.生活中到處有物理的影子,我們隨時可利用數(shù)碼相機記錄生活場景中的物理元素,建立圖片庫,以備教學使用.比如在講解單擺這個理想模型時,可以拍攝小區(qū)健身器材中的實際擺進行比較區(qū)分(如圖2),從而明確單擺這一理想模型的成立條件.又如海島的學生基本上沒看到火車,對鐵軌的形狀更是知之甚少,在講解火車拐彎時向心力的來源問題可以拍攝鐵軌的形狀及鐵軌彎道的參數(shù)進行輔助教學(如圖3).

圖2

圖3

1.3 拍攝試題素材

在試卷的編制中可以通過自拍實物作為題目素材,使物理情景更加真實可信,有利于考查學生分析和解決實際問題的能力.如考查游標卡尺測量一小球直徑的正確方法可以通過微距功能拍攝如圖4所示的4張照片供學生選擇,盡可能地考查學生實際操作能力,而非局限在讀數(shù)的層面.又如在驗證機械能守恒定律中,對釋放紙帶的注意事項可以通過如圖5所示的3幅照片進行考查.用類似的方法可以拍攝電表、螺旋測微器、游標卡尺、彈簧秤、刻度尺的讀數(shù)做為考題的素材;也可以拍攝實驗容易混淆的器材供學生做正確的辨別和選擇,如游標卡尺和螺旋測微器,砝碼和鉤碼,電磁打點計時器和電火花計時器等.

圖4

圖5

1.4 輔助習題講解

在試卷分析或作業(yè)講解時,教師可以事先對學生中出現(xiàn)的各種錯解情形和不同解法進行歸類,利用相機微距功能進行一一拍攝,并插入幻燈片在課堂上進行比較、分析、講解,這樣原汁原味地反饋,使學生“共享”了集體的智慧,鑒別不同錯誤的原因或了解多種解法,更全面地掌握解題的思路,有助于提高教學效果和效率.在電學實驗電路圖和實物圖連接課堂教學中,當學生根據(jù)問題進行設計時,教師在巡視過程中邊了解情況邊利用相機拍攝學生典型的設計方案,然后利用讀卡器可以在電腦中迅速讀出并投影到大屏幕中進行分析、點評.這樣操作簡便可行,還可以避免直接將練習紙投影而給學生帶來的心理壓力.

1.5 收集學生易錯題

在學生考試卷和練習冊中尋找學生錯誤較多的試題,并將其一一拍攝,保存到電腦,建立錯題檔案庫.等到要用之時,隨時調出學生錯誤習題集合進行針對性訓練,使學生溫故知新.在此相機代替了剪刀和漿糊的作用.

2 利用數(shù)碼相機的瞬時定格功能

對于動態(tài)物體可使用較高快門速度將其瞬間定格,以便于觀察和分析其運動規(guī)律.在新課標人教版必修2“探究平拋運動的規(guī)律”一課中,關鍵是畫出平拋運動的軌跡.課本提供的方案之一用水流做平拋運動,設法將軌跡描在坐標紙上進行處理.例如用描點法得到軌跡,但在描點的過程中,由于水位的降低,水壓的減少使初速度減小,導致軌跡改變,誤差較大,且操作過程繁瑣.因此可以根據(jù)課本上的實驗裝置,事先建立一個帶刻度的坐標紙做為背景,利用數(shù)碼相機在課堂上直接將水流動的軌跡和坐標刻度拍攝下來(如圖6),輸入電腦投到大屏幕,添加輔助線進一步探究平拋運動的規(guī)律.用類似的方法可以定格氣墊導軌上兩滑塊碰撞前后的位置,從照片上獲得數(shù)據(jù)來分析動量守恒問題.

圖6

3 利用數(shù)碼相機的長時間曝光功能

一般的單反數(shù)碼相機都有B門拍攝功能,即曝光時間可以任意調節(jié),結合光圈可以滿足特殊的拍攝需要.拍攝時要注意在光線較暗情況下進行,照相機需用三腳架固定.例如為了突破曲線運動的速度方向這一難點,可分3步進行:首先展示鏈球投擲運動圖片,感知情景;然后播放自拍的模擬鏈球投擲過程的視頻(用細線系一個發(fā)光二極管在水平對面進行);最后展示用B門拍攝的照片(如圖7),可以直觀地觀察到“鏈球”被釋放瞬間是沿著切線方向飛出去的,從而突破該教學難點.

圖7

用類似的方法也可以將發(fā)光二極管固定在彈簧振子上,并勻速移動相機可以拍攝振動圖像,并通過電腦用正弦曲線來擬合(如圖8)來研究彈簧振子振動的規(guī)律;還將發(fā)光二極管固定在飲水機桶底部不同位置讓其滾動拍出不同形狀的擺線(如圖9).

圖8

圖9

4 利用數(shù)碼相機的連拍功能

圖11

連拍功能指的是按下快門后,每隔相等時間拍一幅照片,一般相機均有此功能,以抓取動態(tài)場景中最精彩的瞬間,在體育攝影中最常用.普通的相機是每秒鐘拍攝2～3幅照片,即每隔零點幾秒得到一幅照片,這對于物體運動較慢,過程持續(xù)幾秒鐘以上的實驗是夠用的.比如學生的課外實驗研究汽車啟動規(guī)律,可以這樣設計:在汽車加速過程中,讓數(shù)碼相機對準速度計進行連拍,從而得到一系列等時間隔的速度計照片(如圖10).讀出數(shù)據(jù),畫出v－t圖像(如圖11)便可直觀地分析出汽車啟動階段的運動規(guī)律.

圖12

某些卡片機的連拍功能比單反相機要強,1s鐘可連拍10余張甚至更多,這對過程較短的運動可以有效地記錄.圖12是筆者用富士某款卡片機1s連拍12幅獲得的彈簧振子豎直振動照片,并進行依次均勻排列合成的振動圖像,用正弦函數(shù)曲線擬合,吻合得比較好.

5 利用數(shù)碼相機頻閃照相功能

頻閃照相需在較暗的環(huán)境中,相機在三腳架上固定,調好光圈,打開B門進行長時間曝光,同時頻閃光源工作.每閃一次光,將運動物體瞬間定格,確定位置,這樣在很短的時間內可以將運動的物體的不同位置在一幅照片上顯示出來.兩次閃光(頻率)時間間隔可調.頻閃光源可以用外接的也可以利用某些相機內置閃光燈自帶頻閃功能,如尼康D80單反相機.如圖13是一道關于輕繩和彈簧彈力區(qū)別的經典題,光從理論上分析剪斷繩子L2瞬間兩小球受力如何變化學生很難接受.圖14是小球在兩種情況下釋放后用尼康D80相機內置閃光燈頻閃功能拍攝的照片,為學生進一步分析問題提供了感性認識.

圖13

圖14

圖15

當找不到頻閃光源時候也可以用發(fā)光頻閃二極管代替(成本很低,網上容易購得),其本身可以以一定的頻率閃光,加以適當改造便可以進行實驗.如圖15是利用該裝置拍出的頻閃照片,并將其與PPT中透明網格疊加便可以定量分析平拋運動的規(guī)律.部分手機和手電筒也有頻率可調的頻閃功能,如圖16是將iphone手機作為頻閃發(fā)光物體隨小車沿斜面下滑做勻加速運動的頻閃照片,根據(jù)背景的刻度可以進行定量的研究小車做勻加速運動的規(guī)律.

圖16

6 利用數(shù)碼相機的視頻拍攝功能

視頻影像能夠真實全面多角度地記錄物理過程,具有很強的感染力和表現(xiàn)力.在課堂教學中能利用視頻充分創(chuàng)設物理情景,使物理知識形象化、具體化,積極調動視、聽覺感受,從而活躍課堂氣氛,激發(fā)學生思維欲望,提高學習興趣,促進學生對物理知識的理解.目前絕大部分卡片式數(shù)碼相機和部分單反相機具有有聲視頻拍攝功能,我們可以根據(jù)需要針對性地拍攝視頻短片輔助教學.例如在講解《超重與失重》時,學生對電梯里的感受比較深刻,但又無法在短時間里將規(guī)律概括出來.可以在上下運行的電梯中放一臺秤或彈簧秤,將重物放在臺秤上或掛在彈簧秤上,用數(shù)碼相機記錄示數(shù)和樓層的變化,喚起生活經驗,并通過分析歸納物理規(guī)律(如圖17).又如講“探究感應電流的產生條件”時,可以事先請幾位學生在學校操場上利用搖繩發(fā)電的過程記錄下來,而后搬到課堂上讓全班學生分享,寓教于樂,效果十分明顯.類似地還可以進行以下嘗試,如拍攝拔河比賽來研究牛頓第三定律;拍攝鉛球比賽來研究拋體運動;拍攝火車的啟動來研究加速度;拍攝建筑工地上起吊機的工作情況來研究運動的合成與分解等等.為此我們要有意識地用數(shù)碼相機記錄生活中許多物理素材,不斷積累歸納,建立自拍視資料頻庫,需要時可以將這些課堂上不易或無法演示的“實驗”通過視頻向學生自如地展示.

圖17

當然在拍攝當中應注意適當?shù)剡\用技巧,比如合理地選取拍攝角度,通過變焦和改變距離適當?shù)胤糯蠹毠?jié),利用三腳架穩(wěn)定相機等等.我們還可以結合視頻軟件進行適當?shù)睾笃谔幚?讓極其緩慢的慢過程變快些,將稍遜即逝的過程拉長點.比如拍攝小球做自由落體運動、平拋運動、簡諧運動后可以利用慢鏡頭播放,也可以逐幀播放,還可以利用視頻軟件進行對某些運動進行定量分析.合理應用自拍視頻對物理教學尤其是實驗教學可起到積極地補充和拓展作用.

實踐證明,在物理課堂教學中適當?shù)厥褂脭?shù)碼相機通過影像技術進行輔助教學可以創(chuàng)設形象生動的物理情景,給學生以強烈的視聽感官刺激,喚醒固有經驗,引發(fā)新的思考,從而提高學生主動參與的熱情,增強學習的興趣;同時略施技巧可使物理情景動靜結合,從而優(yōu)化教學資源,有利于學生直觀地觀察物理現(xiàn)象、從容地分析物理規(guī)律、輕松地突破教學難點,提高物理教學效果.另外通過對數(shù)碼相機大量的使用,使學生深深地感受到物理與生活、生產及科學技術是緊密相聯(lián)的.

1 羅樂,項華,梁婷等.視頻分析方法在物理教學中的應用——用數(shù)碼相機實現(xiàn)精細觀察［J］.物理教師,2013(3):10,14.

2 梁振華.用普通數(shù)碼相機研究平拋定運動軌跡［J］.物理教師,2012(3):43－44.