Видеоанализ как инструмент учителя физики. Часть 2 - примеры использования видеоанализа

Педагогические науки.

УДК 372.853

Филиппова И.Я.

Видеоанализ как инструмент учителя физики. Часть 2 - примеры использования видеоанализа.

ГБОУ СОШ №138

Аннотация. Статья посвящена видеоанализу - записи и обработке видеоинформации о движении. Использование видеоанализа позволяет превратить видеозапись в источник количественных данных о движении. Во второй части статьи приведены несколько примеров применения видеоанализа в практической работе учителя физики.

Ключевые слова: видеоанализ, физика, движение, ускорение, обработка, программа, Меа^тгеБупат^, МиШ1аЪ.

Video analysis as a tool for physics teachers. Part 2 - Examples of using video analysis.

Abstract. The article is devoted to video analysis - recording and processing of video information about moving. Using video analysis allows to convert video into a source of quantitative data of moving. In the second part of the article several examples of the application of video analysis in the practical work of the physics teacher are given.

Key words: video analysis, physics, motion, acceleration, handling, application, MeasureDynamics, Multilab.

В первой части данной работы обсуждался метод видеоанализа, т.е. метод извлечения количественных данных о движении из видеофрагмента [1]. Напомню, что под видеоанализом мы понимаем оцифровку и последующий анализ движения произвольного объекта, зафиксированного в процессе видеосъемки. Видеофрагмент, демонстрирующий плоское движение, с помощью видеоанализа можно превратить в источник количественных данных о движении. Во второй части работы приведем несколько примером применения видеоанализа в практической работе учителя физики.

Пример использования видеоанализа на уроке.

Видеоанализ традиционно используется автором при объяснении понятия ускорения свободного падения на уроке «Свободное падение тел» в 9 классе. Фрагмент такого урока, проведенного с использованием видеоанализа в программе Multilab, приведен в Видео к статье. На видеозаписи зафиксирован процесс записи падения шарика с помощью Web-камеры.

15

Затем показана стандартная процедура обработки: масштабирование, ориентация системы координат и ручная разметка видеофрагмента. Полученный график движения аппроксимирован полиномом второй степени. Старший коэффициент полинома оказался равен 5.25 м/с2, что дало значение 10.5 м/с2 для ускорения свободного падения. Вся процедура видеоанализа занимает около 5 минут времени урока.

Примеры использования видеоанализа в организации учебно-исследовательской деятельности учеников.

Учебно-исследовательская деятельность учеников является одной из важнейших педагогических технологий развивающего обучения, позволяющей увлечь ученика изучаемым предметом, раскрывающая его творческие способности.

Использование видеокамеры в качестве инструмента регистрации данных о движении исследуемых объектов нравится ученикам и стимулирует к выполнению проектной работы.

Использование видеоанализа в проектной деятельности может быть организовано в виде выполнения специальных видеопроектов. Опыт автора по организации проектной деятельности учеников изложен в ряде публикаций и на сайте автора [2-9].

Исходя из программы изучения физики в школе, можно заключить, что наиболее удачный период реализации видеопроектов - это 10 класс, т.к. именно в 10 классе законы движения изучаются в полной мере, и ученики уже достаточно хорошо овладели математическим аппаратом, необходимым для грамотного использования законов кинематики и динамики.

При выполнении видеопроектов ученики 10 класса делятся на рабочие группы по 2-3 ученика. Каждой группе предлагается своя тема исследования.

На первом этапе выполнения проекта ученики снимают видеофрагменты экспериментов, формируют из них видеофайлы.

На втором этапе - получают графики движения.

На третьем этапе происходит обработка графиков движения в целях получения характеристик движения.

На четвертом этапе от учеников требуется представить решение исследуемой задачи в общем виде, указать все закономерности процесса (законы сохранения импульса и энергии, закономерности движения тела под действием силы тяжести, проблемы ламинарного и турбулентного течения и т.д.) и доложить предварительные результаты своей работы перед классом. Необходимость выступить перед одноклассниками на промежуточном этапе выполнения проекта является важным стимулом к серьезной проработке теоретических аспектов поставленной задачи. Как правило, после выступления перед классом у учеников не возникает проблем с подготовкой к теоретической части отчета о выполнении проекта.

На завершающем этапе формируется отчет о выполненном исследовании в виде документа в формате HTML или презентации PowerPoint, помощь в создании отчетов оказывают консультации учителя информатики.

Материалы наиболее удачных исследований, как правило, представляются на различные конкурсы и ученические конференции.

Важно предложить ученикам исследовательские темы, при изучении которых легко прослеживаются связи явлений окружающего мира с теоретическим материалом, изучаемым в школьном курсе физики. Так, при изучении механики в 10 классе условия некоторых задач можно смоделировать и воспроизвести на опыте. Ниже приводится краткое описание нескольких проектных работ, проведенных под руководством автора его учениками.

«Измерение коэффициента трения скольжения». Проект выполнили в 2007 году с применением программы Multilab ученики 10 класса школы 550 Санкт-Петербурга Пантюхин Ярослав, Павлович Марк и Туренко Павел. В работе было исследовано скольжение пластмассовой пробки по деревянной поверхности наклонной плоскости. Наличие силы трения приводит к различию ускорений, с которым тело двигается вверх и вниз по плоскости. По разнице ускорений определяется коэффициент трения скольжения. Отчет представлен в виде HTML документа на странице сайта автора данной статьи [2], посвященной проектам видеоанализа: http://ifilip.narod.ru/videoan/videoan.html. Измеренный коэффициент трения скольжения оказался равен 0.28.

«Исследование лобового сопротивления, создаваемого воздухом при свободном падении тел». Проект был выполнен в 2010 году учениками 10 класса 138 школы Санкт-Петербурга Весниным Юрием и Ротовым Александром. Было исследовано движение тел разной формы -воздушных шаров, бумажных прямоугольников и зонтиков. Измерение скорости установившегося равномерного движения производилось по данным видеоанализа с применением программы Multilab.

Результаты измерения представлены в презентации, видеоролик которой размещен на сайте youtube.com: https://www.youtube.com/watch?v=Ev9FqADkfkc.

Коэффициенты лобового сопротивления оказались максимальны у зонтиков, падающих ручкой вперед, и близки по значению к коэффициенту лобового сопротивления куполообразных парашютов. Несколько меньшим оказалось значение коэффициента лобового сопротивления у прямоугольной пластины.

Для ребят было важно, что величины измеренных коэффициентов лобового сопротивления подтверждают правильность формы используемых на практике парашютов.

При выполнении этой работы ученикам пришлось самостоятельно освоить теорию движения тел в потоке жидкости и газа. Отметим, что этот раздел в последние годы исключен из школьного курса физики, в то время как тема сопротивления воздуха у учеников вызывает очень большой интерес. Работа была представлена на конференциях разного уровня.

«Исследование абсолютно неупругого удара и модели реактивного движения методом видеоанализа». Проект был выполнен в 2010 году ученицами 10 класса 138 школы Санкт-Петербурга Афимченко Юлией и Шибаевой Александрой.

Реактивное движение в этой работе было смоделировано следующим образом: одна из участниц проекта, стоя на роликовых коньках, бросала тяжелую сумку. Движение сумки и «конькобежца» регистрировалась видеокамерой.

Абсолютно неупругий удар воспроизводился в момент, когда, стоя на роликовых коньках, участница проекта ловила сумку. В проекте был использован видеоанализ с применением программы Multilab.

Презентация выполненного проекта в виде видеоролика представлена на youtube.com: https://www.youtube.com/watch?v=1 GzghBaY vU. Особенностью данного проекта была необходимость фиксировать на каждом кадре движение двух тел - сумки и «конькобежца».

В программе Multilab разметка кадров в этом случае происходит следующим образом: в меню Видеоанализ имеется пункт Два тела, в котором можно выбрать опцию Одновременно. После этого программа переходит на следующий кадр только после нанесения двух меток на кадр. Одна метка наносится щелчком левой клавиши мыши, другая - щелчком правой клавиши.

В таблице данных для каждого кадра при этом заносятся 5 чисел -

время от начала съемки (по номеру кадра),

две декартовые координаты первой метки

и две декартовые координаты второй метки.

Цвет меток, наносимых левой клавишей - белый, правой клавишей - красный, что дает возможность при просмотре размеченного фрагмента легко исправить ошибки, если при разметке очередность нажатия клавиш была нарушена.

Полученные результаты показали, что отклонения отношения измеренных видеоанализом скоростей движения от соответствующего отношения масс объектов оказалось в пределах 12%, что говорит о том, что данная видеозадача является весьма неплохой иллюстрацией выполнения закона сохранения импульса.

«Исследование методом видеоанализа лобового соударения двух тел одинаковой массы». Проект был выполнен в 2010 году ученицами 10 класса Розановой Екатериной и Шмаковой Викторией. Исследовалось лобовое соударение двух мячиков для большого тенниса. Мячи были подвешены на длинных нитях. В проекте был использован видеоанализ с применением программы Multilab.

Презентация в виде видеоролика также представлена на youtube.com: https://www.youtube.com/watch?v=WQ2bq4zbEBI Как и в предыдущем проекте, пришлось на каждом кадре размечать положение двух объектов.

Проведенное исследование показало, что с достаточно большой точностью в данной задаче применима модель абсолютно упругого удара, т.к. потери энергии в результате соударения составляли не более 10%. При этом после соударения первый шар останавливается, а второй приходит в движение со скоростью, незначительно отличающуюся от скорости первого шара в момент соударения.

«Исследование упругих соударений двух тел разной массы с применением видеоанализа». Проект был выполнен в 2010-2011 учебном году учеником 11 класса 138 школы Ротовым Александром. Видеоанализ был проведен в программе Measure Dynamics.

Сама видеозадача представляет собой вариант классической задачи на законы сохранения, часто встречающейся на олимпиадах разного уровня. Два тела разной массы изначально находятся вплотную друг к другу на одной вертикальной линии и начинают свое движение одновременно. Соударения тел с землей и друг с другом абсолютно упругие, тела двигаются вертикально. Необходимо найти на какую максимальную высоту может подлететь верхний

легкий шар в результате столкновения с тяжелым. Течение опыта очень зрелищно, этот эксперимент входит в экспозицию многих интерактивных естественнонаучных музеев мира.

Работа получилась особенно интересной тем, что в ходе ее выполнения пришлось пошагово приближать изначально абстрактную модель абсолютно упругого удара к реальной ситуации, искать причины потери механической энергии и вводить в исходную модель оценку этих потерь.

Презентация этого проекта в виде видеоролика представлена на youtube.com: https://www.youtube.com/watch?v=hofpB3hqQq8&t. Результаты опубликованы в [7].

«Исследование упругих нелобовых соударений двух тел равной массы с применением видеоанализа». Проект был выполнен в 2014-2015 учебном году ученицами 10 класса школы 138 Ермолаевой Елизаветой и Багонька Татьяной. Видеоанализ был проведен в программе Measure Dynamics. Выбор программы для обработки видеоклипа определялся необходимостью измерять угол разлета двух теннисных шаров после нелобового соударения. У программы Multilab инструмент измерения углов отсутствует.

В работе было исследованы условия и степень выполнения приближения абсолютно упругого удара для задачи, когда два тела равной массы испытывают нелобовое соударение друг с другом. Изучалось соударение двух мячей для большого тенниса, подвешенных на длинных нитях. Из решения задачи в общем виде вытекает, что, если выполняются условия абсолютно упругого удара, угол между векторами скорости после соударения равняется 900. Использование программы MeasureDynamics позволяет нанести на последний кадр видеоклипа траектории движения двух тел, после чего с помощью специального инструмента программы можно измерить угол разлета. Измеренный угол разлета составил 75°±10°. Далее из данных об изменении координат тел от кадра к кадру были оценены скорости шаров. Оказалось, что потери механической энергии при соударении составляют примерно 15%. Из полученных из видеоанализа скоростей шаров до и после соударения был оценен угол разлета с учетом потерь механической энергии. Расчетное значение угла разлета с учетом потерь энергии совпало с результатами измерения угла из видеоанализа. Презентация работы в виде видеоролика размещена по адресу https://youtu.be/UaZ7JGbn8z0. Результаты опубликованы в [8].

«Измерение центростремительного ускорения с применением видеоанализа и датчика ускорения цифровой лаборатории Cobra4». Проект был выполнен в 2015-16 учебном году учеником 11 класса Тюриным Максимом. Целью данной работы было сопоставление данных о движении по окружности, полученных двумя независимыми методами - с помощью видеоанализа и из измерений с помощью цифрового беспроводного датчика ускорения цифровой лаборатории Cobra4. Работа была проведена в два этапа - на первом этапе изучалось движение по кругу в горизонтальной плоскости. Объектом изучения была выбрана радиоуправляемая машинка, к крыше которой был прикреплен трехпроекционный датчик ускорения. Сопоставление данных, полученных двумя методами, показал хорошее согласие измеренного датчиком центростремительного ускорения и рассчитанного из видеоанализа. На втором этапе изучалось движение в вертикальной плоскости ведерка с водой, ко дну которого был прикреплен датчик ускорения. Здесь сопоставление данных оказалось более сложным, т.к. двумя методами определяются разные ускорения. Датчик ускорения, вообще говоря, определяет вес предмета, который в ситуации движения в вертикальной плоскости помимо центростремительного ускорения зависит еще и от проекции ускорения свободного падения.

После вычета этой составляющей из результатов измерения датчиком, данные, полученные двумя методами, показали удовлетворительное согласие. Презентация работы в виде видеоролика размещена по адресу https://youtu.be/TU91as11Ytc. Результаты опубликованы в [9].

Выводы.

Использование видеосъемки как инструмента для получения количественных данных является привлекательным для учеников, т.к. позволяет превратить в предмет исследования события из окружающей их реальности. Учеников привлекают все этапы видеопроектов -видеосъемка, подбор подходящих видеоформатов, проведение обработки разными методами, анализ физических закономерностей, коллективная работа над проектом, подготовка докладов и выступления на конференциях, подготовка печатных материалов. Немаловажным является сама атмосфера своего рода клуба по интересам. Ребята, участники проектов прошлых лет, часто поддерживают нынешних учеников, консультируют их в их исследовательской работе, поддерживают на конференциях. Проектно-исследовательская работа помогает ученикам определиться с тем, какую профессию им хотелось бы выбрать.

Литература

1. Филиппова И.Я. Видеоанализ как инструмент учителя физики. Часть 1 - как проводить видеоанализ // Видеонаука: сетевой журн. 2016. №4(4). URL: https://videonauka.ru/stati/29-pedagogicheskie-nauki/75-videoanaliz-kak-instrument-uchitelya-fiziki-chast-1-kak-provodit-videoanaliz (дата обращения 10.03.2017).

2. Филиппова И.Я. Информационные технологии в преподавании физики [Электронный ресурс] // URL: ifilip.narod.ru (Дата обращения:.16.03.2017).

3. Филиппова И.Я. Методика применения цифровой лаборатории «Архимед» в преподавании физики в школе: методическое пособие 3-е изд. - СПб: Изд-во РЦОКОиИТ, 2009. - 65 с.

4. Филиппова И.Я. Видео как составная часть современного урока физики // Материалы X международной научной конференции «Физика в системе современного образования (ФСС0-09)», том 2, СПб: Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена. - 2009. - С.245-247.

5. Филиппова И.Я. Проекты видеоанализа в исследовательской деятельности учеников // Материалы Всероссийской научно-методической конференции «Современные подходы и системы обучения одаренных детей в Российской школе». - Новосибирск,: изд. СУНЦ НГУ. - 2010. - С.38-39.

6. Филиппова И.Я. Использование метода проектов в процессе преподавания физики в школе // Материалы X Международной научно-методической конференции «Физическое образование: проблемы и перспективы развития», часть 1, М: изд-во МПГУ. - 2011. - С.290-294.

7. Ротов А.Ю., Филиппова И.Я. Исследование соударения тел разной массы с применением видеоанализа // Физика для школьников. - 2011. - №3. - С.29-33.

8. Ермолаева Е., Багонька Т., Филиппова И.Я. Исследование упругих нелобовых соударений двух тел равной массы с применением видеоанализа// Физика для школьников. -2015. №3, - С. 48-50

9. Тюрин М., Филиппова И.Я. Измерение центростремительного ускорения с применением видеоанализа и датчика ускорения цифровой лаборатории Cobra4// Физика для школьников - 2016. №1, - С. 33-39

Сведения об авторе:

Филиппова Илзе Яновна - учитель физики ГБОУ СОШ 138, учитель высшей категории, кандидат физико-математических наук.

Author:

Filippova Ilze Yanovna - teacher of physics in school №138 in Saint-Petersburg.