攝像頭在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

【摘要】把攝像頭合理地、恰當(dāng)?shù)貞?yīng)用到物理實(shí)驗(yàn)中，可以對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化，提高實(shí)驗(yàn)的效率和效果，進(jìn)而提升物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性。

【關(guān)鍵詞】攝像頭 演示實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)是物理學(xué)科的重要特征之一，高中物理新課程極為重視物理實(shí)驗(yàn)。但是由于實(shí)驗(yàn)條件的限制， 實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性、直觀性等特點(diǎn)在教學(xué)中未能真正體現(xiàn)， 使現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)不能完全地發(fā)揮其教學(xué)作用。現(xiàn)在攝像頭正悄悄地走入中學(xué)課堂，使用攝像頭可以克服實(shí)驗(yàn)條件的限制， 能實(shí)時進(jìn)行同步多視角地觀察，進(jìn)行局部放大，能清晰觀察重要方位產(chǎn)生的物理現(xiàn)象和發(fā)生的物理過程，同時也能將快速發(fā)生的物理過程緩慢回放，提高物理實(shí)驗(yàn)的可見度，最大限度地發(fā)揮物理實(shí)驗(yàn)的作用。

一、攝像頭的特點(diǎn)

攝像頭是一種利用光電技術(shù)采集影像的數(shù)字視頻輸入設(shè)備。它配合個人電腦，可以把外界的動態(tài)影像輸入并保存到電腦上，還可以通過投影設(shè)備把影像投射到屏幕上。攝像頭的作用類同于人的眼睛，負(fù)責(zé)接受外界的影像信息進(jìn)行傳輸。攝像頭具有：①體積小：可以達(dá)到拇指般大小，甚至更小；②分辨率高：影像分辨率一般可達(dá)48萬，可以拍攝到較清晰的影像；③動態(tài)好：幀頻最大可達(dá)30 幀/秒，可完全滿足人的視覺需要；④焦距短：拍攝距離可以從2cm到無窮遠(yuǎn)，并可以手動調(diào)焦；⑤使用方便：把攝像頭連線插到電腦的USB接口上，配合電腦就可以正常使用；⑥價格便宜：一般在100元以內(nèi)；⑦取材方便：一般電腦耗材店都有大量現(xiàn)貨，可隨時購買。攝像頭所具有的這些功能和特點(diǎn)， 使得它在物理演示實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行廣泛應(yīng)用成為可能。

二、利用攝像頭優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，教師在課堂上需要做很多演示實(shí)驗(yàn)。但如果所做實(shí)驗(yàn)的效果不好，現(xiàn)象不明顯， 能見度低，不但起不到應(yīng)有的作用，還會造成學(xué)生的錯覺，分散給教學(xué)帶來很大的負(fù)面影響。在做物理實(shí)驗(yàn)時，如果把實(shí)驗(yàn)儀器置于講臺上攝像頭所能拍攝到的范圍之內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，則實(shí)驗(yàn)操作的每一個步驟和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象都能在屏幕上同步、實(shí)時得到放大展示，使現(xiàn)象明顯、清晰，而且操作方便， 并能節(jié)省課堂教學(xué)時間，從而大大提高演示實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量和效率。

1、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象放大效果

利用攝像頭對演示實(shí)驗(yàn)裝置和現(xiàn)象進(jìn)行全局或局部的觀察，并通過電腦把影像投影到屏幕上，從而獲得足夠大的全景影像或局部特寫影像。例如，熱學(xué)實(shí)驗(yàn)中的溫度計(jì)、力學(xué)實(shí)驗(yàn)中對彈簧秤、刻度尺等測量工具的讀數(shù)，電學(xué)實(shí)驗(yàn)中各種儀表的讀數(shù)，可見度小，在演示時采用攝像頭和投影機(jī)將實(shí)驗(yàn)直接投影到大屏幕上， 影像清晰、穩(wěn)定性好、可見度大、效果好。對于一些過程較復(fù)雜且可見度不高的， 時間較長的實(shí)驗(yàn)，還可事先將實(shí)驗(yàn)過程利用攝像頭， 結(jié)合計(jì)算機(jī)有關(guān)軟件制成錄像，進(jìn)行必要的技術(shù)處理，再投影到大屏幕，學(xué)生觀察清楚，印象深刻，且節(jié)省了課堂上的實(shí)驗(yàn)操作時間，使教師有更多的時間進(jìn)行其他重要內(nèi)容的講解。例如，晶體的熔化和凝固實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時間較長，熔化過程液體出現(xiàn)初期可見度小，即可運(yùn)用此方法予以解決。

2、視角變換效果

利用攝像頭體積小、移動方便，可在任意角度進(jìn)行立體觀察，來代替學(xué)生的眼睛觀察實(shí)驗(yàn)， 改變學(xué)生只能沿水平方向觀察的限制， 使學(xué)生實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行全方位立體式的觀察。例如，在演示光的折射、全反射現(xiàn)象中，只有眼睛在反射光線或折射光線上才能看到相關(guān)現(xiàn)象，演示實(shí)驗(yàn)時很難讓全班同學(xué)的眼睛在同一方向上看到相關(guān)的現(xiàn)象，我們可以把攝像頭放在眼睛觀察的角度，并把圖像投影到大屏幕上，這樣，全班的同學(xué)都能看到該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象了。在碗中放一枚棋子，把攝像頭對準(zhǔn)碗，調(diào)節(jié)一定的角度，剛好看不到棋子，慢慢倒入水，慢慢看見棋子，如圖1。讓學(xué)生思考：為什么碗里倒入水后，我們能看見棋子了？如圖2，透明瓶子中的棋子慢慢倒入水后為何看不到了呢？通過上面的兩個演示實(shí)驗(yàn)，設(shè)置相關(guān)的練習(xí)，取得良好的教學(xué)效果。

3、環(huán)境獨(dú)立化效果

把代替學(xué)生眼睛的攝像頭和實(shí)驗(yàn)裝置，置于特殊的實(shí)驗(yàn)環(huán)境之內(nèi)， 而學(xué)生置身于實(shí)驗(yàn)環(huán)境之外，從而使實(shí)驗(yàn)環(huán)境與實(shí)驗(yàn)觀察者完全分離， 獲得了實(shí)驗(yàn)環(huán)境 的獨(dú)立性。例如： 光的干涉、衍射實(shí)驗(yàn)和電荷在磁場中運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)等，這些實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象在白天較強(qiáng)光線的環(huán)境下都很難獲得足夠的可見度， 需要在黑暗的環(huán)境中進(jìn)行。可以把整個實(shí)驗(yàn)裝置放入一個足夠大的封閉的硬紙板箱或木箱內(nèi)（ 為了便于對實(shí)驗(yàn)的操作， 箱體的其中一側(cè)可用黑布簾代替紙板或木板 ，并把攝像頭置于箱內(nèi)的合適位置， 對箱內(nèi)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行觀察，而此時學(xué)生則在光線明亮的教室里觀察著屏幕上的清晰現(xiàn)象。可見， 利用這種獨(dú)立的暗室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)演示與課堂教學(xué)的同步。

4.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象回放、慢放效果

有些實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象極其短暫，學(xué)生還沒反應(yīng)即已消失。教師可以利用攝像頭當(dāng)堂拍攝下實(shí)驗(yàn)過程，利用播放器的暫停、回放、慢放按鈕來控制播放的畫面，來使實(shí)驗(yàn)過程一目了然。例如，如圖3演示通電自感現(xiàn)象，燈L2比L1慢亮，學(xué)生如果觀察不仔細(xì)，發(fā)現(xiàn)不了兩者的區(qū)別，實(shí)驗(yàn)效果大打折扣，利用攝像頭靠近拍攝下來，進(jìn)行回放、慢放效果非常明顯。又如，用牛頓管研究自落體運(yùn)動下落快慢，后排的學(xué)生很難觀察出金屬片與羽毛是否同時下落，同樣利用攝像頭靠近拍攝下來，進(jìn)行慢放效果非常明顯。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，把攝像頭與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合， 必將豐富實(shí)驗(yàn)的內(nèi)涵， 增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的功能， 將最大限度地發(fā)揮物理實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的作用，有效地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣和動機(jī)，使學(xué)生參與物理教學(xué)意識更強(qiáng)，對物理概念現(xiàn)象的理解更深刻，有效促進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革，完善和優(yōu)化物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高學(xué)生的整體素質(zhì)。

【參考文獻(xiàn)】

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