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Videoanalyse in der Physik meistern: Ein umfassender Leitfaden

Lehrer suchen ständig nach neuen und innovativen Strategien, um komplexe Themen zu erklären, insbesondere im anspruchsvollen Fach Physik. Der Einsatz von Videoanalysen zum Erlernen von Kinematik ist ein Paradebeispiel für Spitzentechnologie, die diesen Bedarf effektiv erfüllt. Dieser Artikel befasst sich mit den wesentlichen Beiträgen dieser Technologie und stellt die Tools vor, die Pädagogen im Klassenzimmer einsetzen können, um das Potenzial der Videoanalyse, auch ViMAS (Video Movement Analysis Using Smartphones) genannt, voll auszuschöpfen.


Inhalt :


1. Ein bisschen Geschichte


Bei der Videoanalyse oder der detaillierten Untersuchung von Bewegungen anhand von Videosequenzen werden die Positionen von Objekten oder Personen erfasst, während sie sich im Laufe der Zeit bewegen. Die Entwicklung der Technologie, insbesondere der Bildgebungstechnologie, hat die Entwicklung als Lehrmittel vorangetrieben.


Die ersten Versuche, Bewegung durch Bildgebung zu untersuchen, gehen auf das 19. Jahrhundert zurück und beruhten auf einer Technologie namens Chronofotografie . Der französische Fotograf Étienne-Jules Marey war der Erste, der diese Technik entwickelte. Sein Fotogewehr, mit dem er schnell aufeinanderfolgende Bilder aufnehmen konnte, revolutionierte die Erforschung von Bewegung bei Tieren, Menschen und mechanischen Objekten. In England nutzte Eadweard Muybridge diese Technik, um zu beweisen, dass Pferde beim Galoppieren alle vier Hufe vom Boden heben, und löste damit mithilfe der Fotografie eine lange wissenschaftliche Debatte. Mitte des 20. Jahrhunderts nutzte die Amerikanerin Berenice Abbott in ihrem Projekt „Documenting Science“ Hochgeschwindigkeits- und Stroboskopfotografie, um wissenschaftliche Prinzipien zu entmystifizieren und komplexe Konzepte einem breiteren Publikum zugänglich zu machen. Ihre Arbeit ist nach wie vor von unschätzbarem Wert für die Analyse der Dynamik fallender Objekte und anderer Bewegungen. Sie wird noch immer in vielen Klassenzimmern als Unterrichtsmaterial eingesetzt.


In den 1980er Jahren begann mit der Einführung erschwinglicher VHS-Technologie, die das Filmen und die Einzelbildanalyse von Objektbewegungen ermöglichte, eine neue Phase des Einsatzes von Technologie zur Erforschung von Bewegungen zu Bildungszwecken. Studenten konnten Videos anhalten, vorspulen und Positionen markieren, um Geschwindigkeiten und Beschleunigungen zu berechnen. Trotz der Aufregung und des Engagements, die dieser neue Ansatz hervorrief, war die damalige Technologie nicht präzise genug, was zu verschwommenen Videos führte, die für eine gründliche Analyse nicht geeignet waren. Trotz der historischen Erfolge von Methoden wie der Chronofotografie war die Videotechnologie der 1990er Jahre den pädagogischen Ambitionen dieser innovativen Bildungsstrategie nicht gewachsen.


Dank moderner Mobiltechnologie ist heute jeder Schüler in der Lage, nicht nur qualitativ hochwertige Videos von Bewegungen aufzunehmen, sondern diese Aufzeichnungen auch mit modernen computergestützten Analysetools auf Tablets oder Smartphones zu analysieren. Dies läutet eine neue Ära in der Mechaniklehre ein.



2. Pädagogisches Interesse der kinematischen Analyse per Video


Die Durchführung einer Videoanalyse einer Bewegung umfasst vier verschiedene Schritte:

  • Auswahl der zu untersuchenden Situation

  • Erstellen des zu analysierenden Videos

  • Zielerfassung und Datenerfassung

  • Datenanalyse


Jede Phase des kinematischen Analyseprozesses stellt eine einzigartige Lernreise dar und fördert eine spannende Interaktion zwischen den Schülern.


In der Auswahlphase vertiefen sich die Schüler in die Wahl des Schwerpunkts ihrer Analyse. Ob sie nun von einem bestimmten Aspekt einer Sportart oder der Bewegung eines Objekts fasziniert sind, physikalische Konzepte wie gleichmäßige oder beschleunigte Bewegungen, geradlinige oder kreisförmige Pfade beleuchten oder die Dynamik und Energie der Bewegung erforschen möchten, dieser Entscheidungsprozess weckt Neugier und kritisches Denken.


Nach ihrer Wahl beginnen die Schüler damit, die Bewegung per Video aufzuzeichnen. Dabei müssen sie sich verschiedenen praktischen Herausforderungen stellen und diese lösen. Die Behandlung von Problemen wie Parallaxenfehlern, die Auswahl der geeigneten Bildrate, die Bestimmung von Maßstäben und die optimale Kameraplatzierung fördert Problemlösungsfähigkeiten und technisches Verständnis und führt zu einem Video, das sich für eine detaillierte Analyse eignet.


In der dritten Phase bestimmen die Schüler mithilfe spezieller Software auf Computern, Tablets oder Smartphones Positionen. Diese Aufgabe wird durch Anwendungen wie FizziQ einfacher. In diesem Schritt lernen sie die genaue Datenerfassung kennen und entwickeln so ihre Liebe zum Detail.

Der nächste Schritt ist die Analyse der Trajektoriendaten. Ob sie nun dieselbe App zum Markieren von Punkten, eine spezielle Datenanalysesoftware oder sogar eine Tabellenkalkulation verwenden, die Schüler tauchen in das Herz der Kinematik ein und verwandeln abstrakte Konzepte in greifbare Realitäten.


Videoanalyse verändert den Physikunterricht, indem sie ihn immersiv und dynamisch macht. Durch Videos aus der realen Welt können die Schüler Bewegungen visuell erfassen und untersuchen und so Theorie und praktische Anwendung verbinden. Fortschrittliche Softwaretools ermöglichen die interaktive Untersuchung kinematischer Parameter und bereichern das Lernerlebnis sowohl auf individueller als auch auf kollaborativer Ebene. Dieser praktische Ansatz regt nicht nur lebhafte Diskussionen und Gruppenprojekte an, sondern ermöglicht auch die unmittelbare empirische Prüfung von Theorien, wodurch das Verständnis der Schüler für die Grundlagen der Physik deutlich vertieft wird.


3. Wählen Sie Ihren Physikspielplatz


Wir neigen oft dazu, es zu vergessen, aber Physik ist nicht nur das Studium von Schwarzen Löchern und Quantenmechanik. Sicherlich sind diese Fortschritte in theoretischen Bereichen äußerst interessant, aber letztlich im Alltag wenig nützlich. Physik ist auch und vor allem das Verständnis der Phänomene des Alltags. Einer der großen Vorteile des Studiums der Kinematik durch Videoanalyse ist daher das Studium der Phänomene, mit denen die Schüler in ihrem Leben konfrontiert werden.


Welche Phänomene können Studierende untersuchen? Es hängt alles davon ab, ob Sie einen thematischen oder einen konzeptionellen Ansatz wählen.


Im Rahmen eines thematischen Ansatzes ist die Physik des Sports eines der interessantesten Studienthemen. Der menschliche Körper ist ein fantastischer Spielplatz und Sport ist der Inbegriff seiner Entwicklung. Die Kombination aus Physik- und Sportstudium spricht die meisten Schüler an, da jeder von ihnen eine Lieblingssportart oder -aktivität hat. Jede Sportart bietet faszinierende Studienfächer, wie die Liste der Gewinneraktivitäten des Wettbewerbs der Société Française de Physique mit dem Schwerpunkt „Physik und Sport“ zeigt. Über 100 Klassen nutzten ihre blühende Fantasie, um mithilfe der kostenlosen FizziQ-App die Physik des Sports zu studieren, und studierten über 30 verschiedene Sportarten wie Kajakfahren, Handball, Kugelstoßen, Segeln, Gymnastik, Reiten, Rugby-Pässe, sich bewegende Spieler in einem Fußballspiel, Speerwerfen für Lähmungspatienten usw.


In unserem Artikel finden Sie 15 inspirierende Aktivitäten , die im Unterricht durchgeführt werden können.


Das kinematische Lernen per Video ermöglicht es dem Lehrer auch, physikalische Konzepte zu veranschaulichen, indem er Videos studiert, die speziell eine Bewegung veranschaulichen. Hier sind zum Beispiel Beispiele für Videos, die verwendet werden könnten, und die damit verbundenen Konzepte:

  • Gleichmäßige Bewegung: Fahrrad, gehende Person, auf den Boden geworfener Ball. Untersuchung der Flugbahn, Berechnung der Geschwindigkeit.

  • Freier Fall : Fallendes Objekt. Flugbahn, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Berechnung von g, Berechnung von Geschwindigkeitsvektoren, Reibung.

  • Einfaches Pendel : Analyse der Schwingungsbewegung eines einfachen Pendels. Erhaltung der mechanischen Energie, Periode und Länge des Drahtes, Amplitude, Geschwindigkeit am tiefsten Punkt, Berechnung von Geschwindigkeitsvektoren.

  • Parabolische Bewegung : In die Luft geworfener Gegenstand. Untersuchung der parabolischen Flugbahn, Reichweite, maximalen Höhe, Flugdauer, Erhaltung mechanischer Energie.

  • Gleichmäßige Kreisbewegung : Ein Objekt in gleichmäßiger Kreisbewegung, z. B. eine Kugel, die an einem rotierenden Draht befestigt ist. Tangentialgeschwindigkeit.

  • Bewegung einer Feder : Analyse der Bewegung eines an einer Feder befestigten Objekts bei vertikaler oder horizontaler Schwingung. Messung der Periode, Amplitude und Federsteifigkeitskonstante.

  • Reibung : Untersuchen Sie die Wirkung der Reibung eines Badminton-Federballs oder eines Objekts, das auf einer Oberfläche gleitet, oder des Falls eines Tropfens in einer Flüssigkeit. Zurückgelegte Entfernung, Geschwindigkeitsvektor, Reibungskoeffizient.

  • Kollision : Untersuchung elastischer und nicht elastischer Kollisionen. Kinetische Energie der beiden Objekte, Bestimmung der Kollisionsart.

  • Wellen : Beobachten Sie die Ausbreitung von Wellen auf einer Wasseroberfläche oder auf einem gespannten Seil. Analysieren Sie die Ausbreitungsgeschwindigkeit, Wellenlänge und Frequenz der Wellen.

  • Komplexe Bewegungen: Bewegungen eines Athleten, die mehrere Abläufe umfassen, wie z. B. Stabhochsprung. Energie, Geschwindigkeit, Beschleunigung

  • Trägheitszentrum : Untersuchung eines in Rotation versetzten Objekts. Bestimmung des Trägheitszentrums


Freie Analyse oder Veranschaulichung von Konzepten: Wir sehen, dass die kinematische Analyse per Video enorme Möglichkeiten bietet, den Schülern das Entdecken und bessere Verstehen der Physik der Bewegung zu ermöglichen.



4. Beherrschung der Videoerstellung für die Bewegungsanalyse


Anders als man vielleicht glauben könnte, ist die Erstellung des Videos der schwierigste und wahrscheinlich lohnendste Teil für die Schüler. Während dieser Realisierung entdecken sie alle Elemente, die später bei der Analyse wichtig sein werden.


Wir haben in einem anderen Artikel 7 Tipps für die Erstellung eines guten Videos zur Bewegungsanalyse beschrieben, die wie folgt zusammengefasst werden können.


Die Verwendung eines Smartphones, das in der Lage ist, in 720p-Auflösung zu filmen, reicht aus, um brauchbare Videos zu erstellen , wodurch diese Technologie allen Schülern zugänglich wird. Um die Genauigkeit der Analyse zu gewährleisten, ist es wichtig, die Kamera zu stabilisieren, idealerweise durch Verwendung eines Stativs oder durch Platzieren des Geräts auf einer stabilen Oberfläche, um jede unerwünschte Bewegung zu vermeiden, die die Interpretation der Bewegung des gefilmten Objekts verfälschen könnte.


Das Hinzufügen einer Skalierung zum Videofeld ist notwendig, um die Abmessungen auf dem Bildschirm mit denen in der realen Welt abzugleichen. Dies ermöglicht eine genaue Analyse der Bewegungen und Abmessungen bewegter Objekte. Es ist auch wichtig, einen konstanten Abstand zwischen dem bewegten Objekt und der Kamera einzuhalten, um Verzerrungen aufgrund von Abstandsunterschieden zu vermeiden. Dies lässt sich durch eine geeignete Positionierung oder eine umsichtige Verwendung des Zooms beheben.


Ein weiterer wichtiger Aspekt für gute Daten ist die Erleichterung des Zielens. Das gefilmte Objekt muss klar erkennbar sein und sich vom Hintergrund abheben, um eine genaue Markierung seiner aufeinanderfolgenden Positionen zu ermöglichen. Dies kann erfordern, näher an das Objekt heranzugehen oder ein markantes Zeichen zu verwenden, um die Verfolgung zu erleichtern. Die Anpassung der Bildfrequenz an die Bewegungsgeschwindigkeit ist ebenfalls wichtig, um scharfe, brauchbare Bilder aufzunehmen, wobei bei der Analyse besonders auf die Einhaltung des Zeitabstands zwischen den Bildern geachtet werden muss.


Abschließend können Sie durch die Überprüfung des Bildausschnitts vor Beginn der Aufnahme sicherstellen, dass die gesamte gewünschte Bewegungssequenz im Video enthalten ist, sodass eine detaillierte Analyse von Anfang bis Ende möglich ist. Diese Vorgehensweise optimiert die Verwendung kinematischer Videos für das Physikstudium und macht das Lernen für die Schüler interaktiver, präziser und spannender.



5. Beste Software zur Videoanalyse


Sobald wir das Video erstellt haben, müssen wir es analysieren, um Messungen der physikalischen Phänomene durchzuführen, die wir untersuchen möchten. Dazu verwenden wir eine Pointing-Software. Diese Software hat mehrere Funktionen:

  • Skalierung , mit der Sie die Bildschirmgröße an die Größe in der realen Welt anpassen können.

  • Einzelbild- Bewegungszeiger

  • Berechnung von Positionen und deren Ableitungen aus Zeigerposition und Maßstab

  • Datenexport


Die Analyse kann auf Computern, Smartphones oder Tablets durchgeführt werden und erfordert spezielle Software. Manche davon sind kostenlos, während für andere wie Vernier eine gebührenpflichtige Registrierung erforderlich ist .


Für Computer werden folgende Programme am häufigsten verwendet:

  1. Tracker : Tracker ist eine kostenlose Open-Source-Software, die Videoanalyse und Modellierung kombiniert. Sie ermöglicht es Benutzern, Bewegungen aus Videos zu analysieren und zu vergleichen.

  2. Logger Pro : Logger Pro wurde von Vernier entwickelt und integriert Videoanalyse mit einer Reihe von wissenschaftlichen Datenerfassungs- und Analysetools. Obwohl Logger Pro kostenpflichtig ist, wird es aufgrund seiner intuitiven Benutzeroberfläche und seiner zahlreichen Funktionen häufig in Bildungseinrichtungen verwendet.

  3. PhysMo : PhysMo ist eine Open-Source-Videoanalysesoftware, die speziell für Bildungszwecke entwickelt wurde. Sie ermöglicht die Analyse von Bewegungen in Videos, die mit einer beliebigen Standardkamera aufgenommen wurden.


Für Tablets, Smartphones und Chromebooks sind die beiden besten Apps:

  1. FizziQ: Eine kostenlose Anwendung für Smartphones und Tablets, die das Zeigen, Berechnen von Positionen, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Energie und Rotation von Mobiltelefonen sowie die Datenanalyse in einem Erfahrungsnotizbuch und deren Export im Excel- und Python-Format ermöglicht. Fizziq verfügt außerdem über eine Bibliothek mit mehr als 30 kostenlos zugänglichen Videos.




  1. Vernier Video Physics : Mit dieser kostenpflichtigen Anwendung, die für iOS verfügbar ist, können Sie Bewegungsdiagramme aus mit dem Smartphone aufgenommenen Videos erstellen.


Der Einsatz von Smartphones und Tablets zur kinematischen Analyse ist aus mehreren Gründen besonders interessant : Zum einen, weil die von den Schülern erstellten Videos die meiste Zeit auf ihren Smartphones oder Tablets stattfinden, zum anderen, weil die Analyse besonders schnell durchgeführt werden kann und keine Geräte benötigt, deren Einrichtung lange dauert oder die nicht immer verfügbar sind, und schließlich, weil die Schüler mit den zahlreichen Möglichkeiten der von ihnen verwendeten digitalen Werkzeuge vertraut gemacht werden.



6. Datenanalyse


Nach der Ausrichtungs- und Datenerfassungsphase folgt die abschließende Datenanalysephase. Aus den Positionsdaten können wir alle charakteristischen Elemente der Bewegungsphysik berechnen: Geschwindigkeit, Beschleunigung, Rotation, kinetische Energie und potenzielle Energie. Diese Messungen ermöglichen es, die beteiligten Phänomene zu charakterisieren und die Theorie durch experimentelle Berechnungen zu überprüfen.


Dabei legen wir besonderes Augenmerk auf die Modellierung oder Anpassung der Daten (auf Englisch Fitting). Tatsächlich können die Daten aus der kinematischen Analyse per Video Abweichungen aufgrund von Zielfehlern aufweisen und die Anpassung ist ein wesentlicher Schritt, um verwertbare Daten zu erhalten. In der Anwendung FizziQ werden beispielsweise Positionsdaten für die Berechnung von Geschwindigkeit und Beschleunigung durch quadratische Anpassung angepasst. Darüber hinaus können die Graphen im Experimentierbuch auch mit einer quadratischen oder linearen Anpassung modelliert werden.


Neben der Berechnung von Flugbahn, Geschwindigkeit oder Beschleunigung ermöglichen präzise Flugbahndaten die Untersuchung einer Vielzahl physikalischer Phänomene, wie etwa die Berechnung der g-Kraft, die Analyse der Reibung, die Erhaltung mechanischer Energie, die Reichweite eines Parabelflugs, die Tangentialbeschleunigung, die Amplitude und Federsteifigkeitskonstante, Kollisionsarten, den Schwerpunkt usw.


Die meisten Zeigesoftwareprogramme ermöglichen den Datenexport, sodass die Daten mit spezieller Analysesoftware oder beispielsweise mit Excel untersucht werden können. Beachten Sie, dass die FizziQ-Anwendung auch den Export im Python-Zeilenformat ermöglicht, was die Verwendung für Studenten erheblich vereinfacht.



7. Fazit


Die Videobewegungsanalyse ist nicht nur ein neuer Ansatz für das Studium der Physik: Sie ist ein leistungsstarkes Lehrmittel, das den Lerngewohnheiten des digitalen Zeitalters entspricht. Durch die Kombination von Theorie und Praxis und die Bereitstellung einer interaktiven Plattform für Erkundung und Analyse vertieft sie das Verständnis und die Wertschätzung der Schüler für den komplexen Tanz der Kräfte und Bewegungen, der unser Universum regiert.



Literaturverzeichnis


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High Speed Camera: an Interactive Approach to Analyze Oscillatory Motion. Solid State Science

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4. Brown, Doug. (2008). Video Analysis and Modeling in Physics Education. L2001

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