让真实定量、定格——Tracker软件在物理教学中的应用

吴志山

（江苏省南通第一中学，江苏 南通 226001）

1 视频分析软件Tracker

Tracker是一个免费的视频跟踪分析和建模工具软件，是国外针对物理教育而设计，可以手动或自动跟踪对象的位置、速度和加速度并动态显示.Tracker利用跟踪视频来建模是一种功能强大的教学新方法，它解决了过去物理教学过程中所呈现的视频只能看现象，不能定量分析的问题.更主要的是不需要借助什么新型设备或专业人才，我们就能在课堂上随时对一段视频进行定量或建模分析，利用软件所带的功能还能创造类似闪光照片等效果，输出所需要的数据表格或图像，还可以对所画图形进行曲线拟合、积分等操作.

为了提供真实的分析处理，Tracker软件提供了比例标度的设置功能.只要在视频场景中找到一个已知尺度的物体，将标度移到该物体并设置好其真实长度，在后面的视频分析中软件将自动按照该比例标度将物体在屏幕上移动长度转化为真实场景的尺寸，从而能够还原真实的运动过程.另外，软件还提供了各种坐标设置，可以沿不同角度建立直角坐标系，也可用极坐标系进行分析，为物理现象和物理规律的探究提供了极大的方便.

2 软件在物理教学中的应用

2.1 帮助学生探寻物理规律

建构主义理论告诉我们，学生的知识应该是通过其自身探索实践，自我顺应或同化进行建构，教师应尽量多给学生创造探寻规律的情境或物化模型，让学生自己去发现和构建自己的知识、能力体系.但在物理的教学过程中，有些物理概念和规律的学习对学生来讲比较抽象，难以理解，许多教师以讲解为主，再辅以习题训练；有些概念和规律虽然可以借助一些实验现象来帮助学生建立和理解，但苦于没有一些细节的分析而显得缺乏说服力.

例如对抛体运动的研究，从理论上分析，其只受竖直方向重力，竖直方向上的运动应该是加速度为g的匀变速运动，水平方向上应是匀速直线运动，但从一般的生活或实验现象中很难得出定量的结论.借助Tracker软件，我们就可以取一段抛体运动的视频进行一些定量分析来帮助学生探寻其中的规律，视频可以自己拍摄，也可从网络或Tracker软件开放的资源库中选取，如图1视频来源于软件本身资源.

图1 斜抛运动

首先，我们从视频中选取合适的开始帧和结束帧，设置好步伐大小及坐标系、比例标度等.然后逐帧手动或自动建立跟踪质点（shift＋鼠标左键点击小球在各帧中的位置），软件将自动记录小球随时间变化的位置坐标（如图1右下）、画出x－t图（如图1右上，可以点击坐标轴更换图像，如可画出y－t图等），时间值由视频每秒帧数自动计算而得到.

从x－t图中的直线我们可以看出，在水平方向上小球作匀速直线运动，由斜率可以得到小球水平速度约为1.73m／s.右击右下方表格，还可在弹出菜单中选择Analyze菜单进行进一步分析，我们选择坐标轴让软件作出y－t图如图2所示.对该曲线进行拟合得到方程为y＝－5.032t2＋3.718t－0.409，对照竖直上抛轨迹方程y＝v0t－0.5at2可知，加速度约为10.06m／s2，在误差范围内与重力加速度相等，斜抛竖直方向初速度约为3.72m／s.

图2 竖直方向位移－时间图像

通过对抛体运动实际视频的定量分析，学生发现抛体运动在水平方向上是匀速直线运动，竖直方向是加速度为g的匀变速直线运动，从而加深了对抛体运动规律的理解.

2.2 辅助实验观察与教学

实验是物理教学的重要手段，也是学生建构知识的重要渠道，但因条件所限，我们的许多实验还仅仅停留在表面现象的观察上，对一些有复杂过程，或速度较快的现象分析很难到位，师生还未能充分挖掘和利用好我们的实验.Tracker软件在提供视频播放或暂停的同时，在右侧的图形或数据框内会同步标识过程的状态点，在视频的播放窗口还可以用有方向和长度的线段选择性地标注速度、加速度等物理量，该软件这样的物理专业功能为我们实验的观察和分析提供了强大的工具.

例如，对简谐运动中弹簧振子运动过程的分析，我们在常规的实验观察中能看到振子来回往复运动、定性的速度大小变化，但运动过程中各物理量满足什么定量关系，各个特殊点的状态等却难以分析.但若将该实验视频导入分析软件并分析，我们将会在右侧看到简谐运动过程中的速度、加速度或位移的同步分析图（如图3）.从图中我们可以直观地看到振子运动周期为2s，振幅为6cm，位移、速度的整体变化规律符合正余弦规律.我们还可以看出位移变化规律的相位与速度变化规律的相位相差π／2等关系.利用软件的逐帧播放功能我们还可以分析特殊位置的物理量状态，如图中位移最大时速度最小，位移为0时速度最大等.

图3 简谐运动过程分析

借助视频分析软件的功能，我们还能对原有实验装置进行改进和拓展，开发新的实验视点与实验资源，如在弹簧振子上装一个测力计（如图3）.在没有软件分析时，我们很难看清测力计示数，但利用软件的逐帧播放功能就能清楚看到弹簧测力计示数的变化，并且能将该实验拓展到物体超失重问题的研究.视频分析软件的应用，为我们的实验分析提供了可视且多维同步的实验观察效果.

2.3 研究性学习的有力工具

研究性学习是当下学生学习的一种重要学习方式，研究性学习具有开放性、探究性、实践性的特点.通过研究性学习，学生能主动地获取知识、应用知识并解决问题.在物理的学习过程中有许多研究性学习的课题和素材，学生也有着强烈的探究欲望，但有时却无从下手，视频分析软件为他们提供了有力的研究学习工具.

例如学了振动后，对于阻尼振动的振幅、周期等问题学生决定一探究竟.如图4为研究弹簧振子在油中的振动情况时导入软件的视频分析，软件给我们画出了振动的位移图像，清晰地体现了振幅和周期的变化情况，与课本所画一般阻尼振动图像相似，换用不同粘度的油或不同弹簧振子还可以进行对比研究.另外，习题教学过程中的许多问题或情景也常常会成为学生研究的对象，学生可以对与习题相关一幅图或一段视频进行探究.将视频分析软件引入研究性学习中，使学生有了研究利器的同时，也使他们能更进一步将理论和实际相联系，更加关注科学和生活.

图4 阻尼振动的过程分析

3 几点建议

首先，Tracker软件虽然可以播放一些实验视频并能进行分析，但并不能代替实验，真实的实验具有视频无法替代的临场感和亲历体验，软件分析应该在真实的实验之后再进行教学辅助.另外，视频虽然来源于真实的拍摄，但由于场景较远、对焦边界模糊等原因，设置长度、角度等度量参考时难免有误差，所以在分析结果时应考虑误差因素，有些视频也只能作半定量分析.

其次，研究中的视频可以来源于自己拍摄，也可以来源于电视、电影、网络等，课本上的一些图片也可用来进行轨迹等静态分析.目前Tracker软件能分析 mov／avi／flv／mp4／wmv等格式的视频文件，若是其它类型的视频文件可以用“格式工厂”之类的软件转化后再进行分析.

最后需要提醒的是，自己拍摄视频时，要在画面中留有已知尺寸的物体作为长度参考，要固定摄像机进行拍摄，在要研究的视频段内不要变焦与追拍，因为设置的参考长度及坐标原点不会随摄像机变焦或移动而变化，从而导致分析失真甚至失败.在分析其他渠道获得的视频时，同样要注意以上问题，如在分析“神州八号”发射的视频中，记者镜头随“神州八号”升空而移动或变焦时的分析就较困难，应该截取摄像机不动时拍摄的画面进行分析，参考长度可以选择“神州八号”的直径或高度作为参考，因为这些数据都可以在网络上查到.

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

2 Tracker软件开放资源 http：／／www.opensourcephysics.org／