生活中的數(shù)據(jù)探究——利用數(shù)碼相機和常用軟件測量出租車車速

朱美霞 項 華

（1.煙臺開發(fā)區(qū)高級中學(xué)，山東 煙臺 264000；2.北京師范大學(xué)物理學(xué)系，北京 100875）

當(dāng)前，我國基礎(chǔ)教育面臨著新課程改革與現(xiàn)代信息技術(shù)的有效運用兩大挑戰(zhàn).現(xiàn)代教育技術(shù)為教育創(chuàng)新提供了無限空間.筆者總結(jié)在北京東城區(qū)青少年科技館上課的經(jīng)驗，給出一個具體的探究過程實例，利用生活中常見的儀器設(shè)備以及平時常用的非專業(yè)軟件完成對身邊的問題的探究，使得數(shù)據(jù)探究過程更為生活化，操作門檻更低，以期數(shù)據(jù)探究這種探究模式得到普及.

1 數(shù)據(jù)探究理論初探

隨著人類進入信息時代，一方面，視頻、音頻、網(wǎng)絡(luò)和通訊等技術(shù)日新月異，信息的容量、傳播速度、處理速度以及應(yīng)用程度均以幾何級數(shù)的方式增長，這樣的技術(shù)與信息構(gòu)成了人們賴以生存的數(shù)字環(huán)境；另一方面，數(shù)字環(huán)境下社會各方面之運行方式也在發(fā)生著變化.［1］面對龐雜的數(shù)據(jù)，研究結(jié)論對數(shù)據(jù)分析方法的依賴性空前增強，數(shù)據(jù)探究隨之產(chǎn)生.所謂的數(shù)據(jù)探究是指利用計算機對處于離散狀態(tài)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)（比如數(shù)碼照片和數(shù)碼錄像）和處于連續(xù)狀態(tài)的模擬數(shù)據(jù)（比如由膠片相機拍照的照片）進行處理與分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，構(gòu)建新知識的過程.［2］主要包括獲取數(shù)據(jù)、篩選數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)以及交流知識價值等環(huán)節(jié).

數(shù)據(jù)探究，作為一種出現(xiàn)在信息時代并逐漸興起引起關(guān)注的探究方式，不應(yīng)該只是具有深厚技術(shù)基礎(chǔ)的人的專利，也不應(yīng)該因為儀器設(shè)備不夠頂級、專業(yè)而遠(yuǎn)離普通人的視線.正相反，數(shù)據(jù)探究應(yīng)該是和日常生活緊密相連的，它可以存在于生活的各個細(xì)節(jié)中.由于技術(shù)更加豐富，可用的工具愈發(fā)多樣智能，可探究的事情會更加多樣、生活化，而探究的過程也會更簡便和可操作.

例如，估測公路上汽車的行駛速度問題，完全可以利用生活中常用的設(shè)備和軟件來完成.

2 利用數(shù)碼相機和常用軟件測量出租車車速

2.1 數(shù)據(jù)分析思路

對速度的測量可以以車身上固定的一點（例如后輪的中心點）為參考點，測量該點在一段時間t內(nèi)走過的位移s，得到

由于（1）式為出租車在屏幕上的速度，因此還需進行比例換算得到其在道路上的實際速度.可以利用比例尺的方法——選取出租車本身作為標(biāo)尺，用其實際長度除以在屏幕上測得的長度得到比例尺為

則出租車的實際速度為

2.2 使用軟件說明

視頻播放與截圖軟件選用的是功能相對比較多的QQ影音.在QQ影音右下角的工具箱中有“截圖”、“截取”、“連拍”等各種功能（也可以點擊鼠標(biāo)右鍵），如圖1所示.

數(shù)據(jù)測量與處理選擇的是操作簡單、普及度相對比較高的幾何畫板，用到的主要功能有功能菜單欄中的“度量”（橫坐標(biāo)、長度）、“數(shù)據(jù)”（計算）、“繪圖”（定義坐標(biāo)系），工具箱欄中的“點”（固定出租車位置）、“線段直尺”（構(gòu)造車身線段）、“文字”（補充說明）等，如圖2所示.

圖1

圖2

2.3 數(shù)據(jù)探究步驟

（1）獲取數(shù)據(jù).

選擇一條車流量不是很大的平直公路，利用現(xiàn)在數(shù)碼相機普遍具有的攝像功能，拍攝一輛汽車駛過的片段.大致認(rèn)為拍攝到的出租車的運動為勻速直線運動.

（2）篩選數(shù)據(jù).

利用QQ影音打開所拍攝的視頻，點擊右下角中的“截取”，選取一段完整的汽車從畫面左邊進入右邊出去的清晰片段，作為主要的研究材料.這樣在下一步操作時不需要多次重復(fù)地拖動進度條至所需片段，可以簡化操作，提高數(shù)據(jù)處理的效率.

（3）分析數(shù)據(jù).

①再次用QQ影音打開已經(jīng)截取好的的視頻，可以先將視頻暫停播放以便后續(xù)進行處理.

QQ影音的“截圖”功能理論上可以實現(xiàn)對視頻各個時刻進行截圖，但由于出租車從駛?cè)氲今偝觯脮r間只有大約1s，而播放時間只精確到1s，所以無法獲取時間信息，為此我們選擇使用工具箱中的“連拍”功能.

② 點擊QQ影音右下角工具箱中的“連拍”功能，將彈出參數(shù)窗口，設(shè)置拍攝要求（5行1列），存儲位置（桌面）等，并明確拍攝時間間隔，如圖3所示.

圖3

圖4

③ 打開幾何畫板，將連拍合成的圖片（圖4）粘貼到“幾何畫板”中（也可以直接將圖片拖拽到幾何畫板中），如果圖片篇幅過大，可選中圖片利用鼠標(biāo)適當(dāng)進行縮放.

④ 選擇“點”以及“線段直尺”工具，并在畫板中分別描出車后輪中心的各個位置以及車身的線段.

⑤ 需要測量的只是各個點的水平距離，所以考慮建立坐標(biāo)軸，點擊“繪圖”菜單中的“定義坐標(biāo)系”命令即可.

⑥ 首先選中各個點，點擊“度量”菜單中的“橫坐標(biāo)”命令，度量其橫坐標(biāo).然后點擊“數(shù)據(jù)”菜單欄中的“計算”命令，此時將彈出計算器窗體，用兩點間橫坐標(biāo)的差除以該兩點間對應(yīng)的時間段，即可得到這兩點間的平均速度大小，如圖5所示.

需要注意的是當(dāng)選擇某一個功能并操作完畢時需要點擊一下工具箱欄最上面的箭頭工具，才能撤銷該功能.在進行度量時，如果發(fā)現(xiàn)無法選擇該功能，檢查一下是否同時選中多個點或多個對象，此時可在工作區(qū)的空白處點擊一下鼠標(biāo)，撤銷所有對象，重新進行選擇即可.當(dāng)在進行計算時無需將每個數(shù)據(jù)都輸入計算器，點坐標(biāo)、線段長度、前面計算已得到的數(shù)據(jù)，都可以通過直接點擊進入計算.

圖5

⑦ 選中構(gòu)建的車長線段，進行度量，從圖中測得車長.再上網(wǎng)搜索北京市所采用現(xiàn)代出租車的具體型號，進而搜索出該型號車的車長為4.525m.代入式（2）即可算出比例尺.

⑧ 將⑤和⑥所得數(shù)據(jù)代入式（3），即可算出出租車行駛的平均速率約為9.18m/s，即33.16km/h，如圖6所示.

圖6

（4）結(jié)論及分析.

本次實驗測得出租車行駛的速度約為33.16km/h，與現(xiàn)實情況基本符合.同時，由于數(shù)據(jù)的采集及處理過程中用到的目測等估測的方式，存在誤差且消除誤差的方式尚且需要進一步探索.

因為視頻總長度只精確到秒，所以通過連拍計算出來的時間間隔不是很精確.為了保證各點間的位移與其對應(yīng)的時間更為嚴(yán)格地對應(yīng)，需要對各個時刻的選取更為精確.生活中可以用來進行數(shù)據(jù)探究的工具有很多，只是平時被忽視而已.

3 結(jié)束語

在本次數(shù)據(jù)探究的過程中，使用了日常生活中常見或常用的工具及軟件，在降低了設(shè)備及技術(shù)的門檻的同時，得到一個較為可信的結(jié)果，是一次將數(shù)據(jù)探究融入到平時生活的嘗試.同時，在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理的過程中，仍然存在誤差.因此在提高實驗精確度、消除誤差途徑的開發(fā)方面，依然有很大研究的空間.科學(xué)與科學(xué)教育的方法、手段正在發(fā)生著深刻的變革，信息技術(shù)在科學(xué)學(xué)習(xí)與科學(xué)研究過程中發(fā)揮著巨大的作用，因此探討信息技術(shù)在物理科學(xué)教育中的運用，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)探究意識與能力具有重要的現(xiàn)實意義.

1 項華，羅樂.視頻分析方法運用于物理教學(xué)活動之簡介與探討［J］.物理教師，2013（1）：13－14.

2 項華.信息技術(shù)與中學(xué)物理教學(xué)整合［M］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2013.

3 梁婷，項華，聶榕等.應(yīng)用視頻分析方法探究小球沿斜面運動的加速度［J］.物理教師，2013（05）：7－8.