Digitale Videoanalyse

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Die digitale Videoanalyse ist eine spezielle Art des computergestützten Experimentierens im Physikunterricht im Bereich der Mechanik / Kinematik.

Inhaltsverzeichnis

Grundlagen

Das Prinzip der digitalen Videoanalyse beruht darauf, einen Bewegungsverlauf auf einem digitalen Video zu filmen und mit Hilfe einer entsprechenden Software hinsichtlich seiner Bewegungsgesetze zu untersuchen. Hierbei kann es sich etwa um eine Videoaufnahme aus dem Sport oder Alltagsgeschehen handeln, wie beispielsweise ein Basketballwurf, ein beschleunigendes Auto oder ein fallender Apfel. Das Konzept der digitalen Videoanalyse möchte unter anderem dem Umstand entgegentreten, dass unter Schülern häufig die Meinung vorherrscht, dass es sich bei der Physik lediglich um eine Art ‚Labordisziplin‘ ohne Alltagsbezug handele.

Vorgehensweise

Die digitale Videoanalyse geschieht in der Regel in vier einfachen Schritten:

Vorbereitung

Aufnahme des Videos

Diese kann aufgrund der heutigen Möglichkeiten der digitalen Bildverarbeitung mit einer handelsüblichen Digitalkamera oder sogar mit einem entsprechend videofähigen Mobilfunkgerät erfolgen. Zu beachten ist dabei, dass die Videoaufnahme feststehend und senkrecht zum betrachteten Bewegungsobjekt erfolgt.

Laden des Videos in die Analysesoftware

Je nach verwendeter Software muss die Videoaufnahme noch in ein für die Software lesbares Format konvertiert werden. Ideal sind digitale Videoformate mit möglichst geringer Kompression, da bei der Messwerterfassung die Einzelbilder der Videoaufnahme verwendet werden. Bei komprimierten Formaten müssen diese zum Teil interpoliert werden, was in seltenen Fällen zu einer Verfälschung des Messergebnisses führen kann.


Kalibrierung des Experiments

Videoausschnitt wählen

Hier geht es darum, den mit der Software zu messenden Videoabschnitt vorzugeben. Dies kann – bei entsprechend vorhandener Funktion – entweder innerhalb der Videoanalysesoftware selbst erfolgen oder aber im Vorfeld bei der Videoproduktion, und zwar durch die Nachbearbeitung durch eine entsprechende Videoschnitt-Software.

Maßstab wählen

Hintergrund bei der Wahl des Maßstabes ist es, eine entsprechende Berechnungsmöglichkeit vorzugeben, mit der die Pixelinformation des Videobildes in Meter umgerechnet werden können. Dazu wird im Video ein Objekt – beispielsweise ein Meterstab – vermessen, dessen Länge bekannt ist und das sich in der Ebene des Bewegungsablaufes befindet.

Nullpunkt festlegen

Ist der Nullpunkt erst einmal festgelegt, verfügt die Software über alle Informationen, um bei der Messwertaufnahme aus dem Pixelmaß ein Ortsmaß zu berechnen.


Messung durchführen

Die Aufnahme der Messwerte erfolgt im Rahmen der Videoanalyse per Mausklick. Dazu zerlegt die Software den zuvor bestimmten Videoabschnitt in Einzelbilder. Durch Anklicken mit der Maus wird das zu messende Bewegungsobjekt markiert und seine Position automatisch in einer Messwertetabelle erfasst. Die Software schaltet dann automatisch zur nächsten Einzelbildaufnahme. Auf Basis der Kalibrierung werden die Messwerte automatisch in einer Messwerttabelle erfasst. Ebenso wird die Zeitskala anhand der Einzelbildrate des Videos für das zugehörige Einzelbild berechnet.
Einige Videoanalyseprogramme bieten eine vollautomatische Messwerterfassung an. Dieses Verfahren ist jedoch unter Didaktikern umstritten, da es die Lernerfahrung bezüglich der Gewinnung von Messwerten beim Schüler gänzlich unterbindet. Ebenso können aus technischen Gründen für ein korrektes Funktionieren dieser Methode zumeist keine ‚Alltagsvideos‘ verwendet werden.

Messung auswerten

Die Auswertung der aufgenommenen Messwerte per Software ist ideal. Es können sowohl grafische als auch numerische Auswertungen sehr akkurat vorgenommen werden. In der Regel können auch Messwerte exportiert und in einer Tabellenkalkulationssoftware weiterverarbeitet werden. Dies ist ein enormer Vorteil gegenüber der Bearbeitung an der klassischen Tafel, da man sich hier nicht zu lange mit dem eigentlichen Aufbereitungsvorgang (Ergebnisse zusammenfassen und hinschreiben, Diagramm zeichnen) befassen muss und dadurch rasch in die Ergebnisdiskussion einsteigen kann.


Vorteile

  • Bei der digitalen Videoanalyse handelt es sich um eine Experimentalmethode mit besonders hohem Alltagsbezug (z.B. Physik <=> Sport).
  • Die Nutzung des Computers bietet Schülern in diesem Zusammenhang ein modernes und spannendes Medium.
  • Durch die Möglichkeit, selbst erstellte Videos zu verwenden, können auch Bewegungsvorgänge analysiert werden, die innerhalb des Physikraumes nicht darzustellen sind (z.B. ein fahrendes Auto).
  • Durch die digitale Verarbeitung sind Zwischenergebnisse schnell wieder verfügbar. So können innerhalb der einen Unterrichtsstunde Messungen aufgenommen und gespeichert werden, um sie im Rahmen einer anderen Unterrichtsstunde auszuwerten.
  • Man ist sehr schnell bei der Ergebnisdiskussion ohne sich zu lange mit technischen Aspekten zu beschäftigen


Didaktische Aspekte

Bei der Verwendung computergestützter Messmethoden und Auswertungen besteht die Gefahr, dass der Computer von den Schülern als Blackbox zur Generierung von physikalischen Gesetzen ist.

Ein weiterer Aspekt ist der Werkzeugcharakter der Videoanalysesoftware. So ist diese weniger zum Selbstlernen als vielmehr als Unterstützung des regulären Unterrichtsgeschehens anzusehen.

Insbesondere dieser Werkzeugcharakter ermöglicht es jedoch auch, sich im Unterricht weniger mit den technischen Aspekten, sondern vielmehr mit der Frage auseinanderzusetzen, über welchen Weg man vom Alltagsphänomen hin zum physikalischen Gesetz gelangt.


Weblinks

  • VideoAnalyzer Software zur digitalen Videoanalyse von Kinematik, Schwingungen und Wellen - Gewinner des Deutschen Bildungssoftwarepreises 2007
  • Galileo Software und Infos zur digitalen Videoanalyse
  • VidAnToo kompaktes Video-Analyse-Tool, teilweise frei
  • Diva Videoanalysesoftware vom MPV Verlag