组合高速摄像机和定格动画支持学生建模人体的运动软件外文翻译资料

Combining High-Speed Cameras and Stop-Motion Animation

Software to Support Studentsrsquo; Modeling of Human Body

Movement

Victor R. Lee

Abstract Biomechanics, and specifically the biomechanics associated with human movement, is a potentially rich backdrop against which educators can design innovative science teaching and learning activities. Moreover, the use of technologies associated with biomechanics research, such as high speed cameras that can produce high-quality slow-motion video, can be deployed in such a way to support studentsrsquo; participation in practices of scientific modeling. As participants in classroom design experiment, fifteen fifth grade students worked with high-speed cameras and stop-motion animation software (SAM Animation) over several days to produce dynamic models of motion and body movement. The designed series of learning activities involved iterative cycles of animation creation and critique and use of various depictive materials. Subsequent analysis of flip books of human jumping movements created by the students at the beginning and end of the unit revealed a significant improvement in both the epistemic fidelity of studentsrsquo; representations. Excerpts from classroom observations highlight the role that the teacher plays in supporting studentsrsquo; thoughtful reflection of and attention to slow-motion video. In total, this design and research intervention demonstrates that the combination of technologies, activities, and teacher support can lead to improvements in some of the foundations associated with studentsrsquo; modeling.

Keywords

Biomechanics High-speed cameras Slow-motion video Modeling Animation Elementary schools

Introduction

Over the past several years, there has been a growing recognition among education researchers that bodily activity can serve as an important, and often underutilized, resource for teaching and learning (e.g., Richland et al. 2007). The observation that bodily experience can be critical to learning is one that has actually been made many times before, with attribution even going as far back as Piaget (1929) who asserted sensorimotor learning as an important part of cognitive development. Yet, there is also much contemporary interest. Over the past decade, the confluence of increased scholarly attention to the field of embodied cognition (e.g., Barsalou 1999; Hall and Nemirovsky 2011) and more deliberate efforts to design and integrate new lsquo;lsquo;body-centricrsquo;rsquo; technologies into learning environments has demonstrated some of the new pedagogical possibilities for turning bodily activity into an object of inquiry and reflection (e.g., Abrahamson 2009; Enyedy et al.2012; Lee and DuMont2010; Moher et al. 2014 ). This article reports on a comparable design effort to introduce a technology-supported, elementary classroom unit that required students to become reflective about their bodily activities and use visual body movement data that they obtained to take initial steps toward scientific modeling of complex body movements. There are several reasons why such an effort is timely and appropriate with relevance to educators. First, if we take seriously that there is indeed real potential for students to bootstrap understandings by means of inspection of records associated with their own bodies (Lee 2013), then we need more concrete strategies for how schools and classrooms could facilitate this in a scalable way. Second, with the release of the Next Generation Science Standards (Achieve2013), identifying new ways for students to participate in scientific practices—such as modeling—within the context of specific science content investigations is now an imperative for science educators. While the path toward competency in scientific modeling can follow many different possible developmental pathways that will depend on the content being addressed, there does seem to be widespread agreement that the production of an external representation from records of observed phenomena is a critical starting place for students who are involved in modeling (e.g., Lehrer and Romberg 1996 ; Schwarz et al. 2009). That is, an initial step toward proficiency with scientific modeling involves students creating their own depictions that account for a set of observations.

Given that observing phenomena and creating a representation of that phenomenon are essential, it follows that there could be some fundamental and straightforward way sin which technology can play important roles. Namely, technology could be used to collect observational records. It could also be used as an expressive medium for eventual depiction of new representations. For this project, high-speed digital cameras were used with an eye toward collection of visual data. Stop-motion animation software was used as a vehicle for producing and sharing resultant external representations that students could create based on their observations. As will be discussed in subsequent sections, the former is already in use by professional scientists and the latter holds a great deal of promise as an accessible yet generative technology for student expression of their ideas.

The work to be described was driven by two major questions. These questions focused on issues of learning activity design and on the evaluation of a design. They included:

1. How can the combination of slow-motion video and stop-motion animation be co-deployed to encourage the production of more accurate and communicative visual models?
2. To what extent do elementary students improve in their depiction of complex movement phenomena as a result of using these co-deployed technologies? The domain of emphasis was biomechanics. As will be discussed below, this is a topic that has had limited inquiry in science education research. However, it has great potential as a domain in that body experience and body data can both be leveraged in service of learning.

Biomechanic

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组合高速摄像机和定格动画支持学生建模人体的运动软件
维克多·李

摘要生物力学，特别是与人类运动相关的生物力学，是一个潜在的丰富背景，教育工作者可以设计创新的科学教学和学习活动。此外，使用与生物力学研究相关的技术，例如可以产生高质量慢动作视频的高速摄像机，可以以这种方式部署，以支持学生参与科学建模的实践。作为课堂设计实验的参与者，十五名五年级学生在数天内与高速摄像机和停止动画动画软件（SAM动画）合作，制作了运动和身体运动的动态模型。设计的一系列学习活动涉及动画创作的迭代循环，批评和使用各种描写材料。随后分析学生开始和结束时创造的人类跳跃运动的翻转书籍，揭示了学生表达方式的认识性忠实度的显着改善。课堂观察摘录突显了教师在支持学生对慢动作视频的思考反思和注意中所起的作用。总的来说，这种设计和研究干预表明，技术，活动和教师支持的结合可以导致与学生建模相关的一些基础的改进。

关键词
生物力学高速摄像机慢动作视频建模动画小学

介绍
在过去的几年中，教育研究人员越来越认识到，身体活动可以作为教学和学习的一个重要的，往往利用不足的资源（例如，Richland等，2007）。身体经验对于学习至关重要的观察是实际上已经做了很多次的归因，甚至比Piaget（1929年）还早，认为感觉运动学习是认知发展的重要组成部分。然而，也有很多当代兴趣。在过去十年中，学术关注度增加到具体认知领域的合流（例如，Barsalou 1999; Hall和Nemirovsky 2011）以及将新的“以身体为中心”的技术设计和整合到学习环境中的更加有意义的努力已经证明一些将身体活动转化为调查和反思的对象的新的教学可能性（例如，Abrahamson 2009; Enyedy et al.2012; Lee和DuMont2010; Moher等，2014）。本文报告了可比较的设计努力，以引入技术支持的基础教室单元，要求学生反映他们的身体活动，并使用他们获得的视觉身体运动数据，以采取初步步骤，以复杂的身体运动的科学建模。与教育工作者有关的这种努力是及时和适当的，有几个原因。首先，如果我们认真地认识到，通过检查与自己的身体相关的记录（Lee 2013），学生确实有真正的潜力来引导理解，那么我们需要更具体的策略，使学校和教室如何在可扩展的办法。第二，随着“下一代科学标准”（Achieve2013）的发布，为科学教育者现在必须确定学生参与科学实践的新途径 - 例如建模 - 在具体科学内容调查的背景下。虽然科学建模能力的路径可以遵循许多不同的可能的发展途径，这取决于所处理的内容，但似乎普遍认为，从观察现象记录中产生外部代表是学生的关键起点谁参与建模（例如，Lehrer和Romberg 1996; Schwarz等人，2009）。也就是说，迈向科学建模的初步阶段就是让学生创造出自己的描述，这些描述就是一系列观察。

鉴于观察现象和创造这种现象的表现是至关重要的，因此，可以有一些基本和直接的方式，这种技术可以发挥重要作用。也就是说，技术可以用来收集观测记录。它也可以用作最终描绘新表示的表现媒介。对于这个项目，使用高速数码相机来收集视觉数据。停止动画动画软件被用作生成和分享由学生可以根据观察结果创建的外部表征的工具。正如后续章节所讨论的那样，前者已经被专业科学家所使用，而后者则以学术表达方式为学生表达自己的想法而拥有大量的前所未有的技术。

要描述的工作是由两个主要问题驱动的。这些问题集中在学习活动设计和设计评估的问题上。他们包括：

1.如何共同部署慢动态视频和停止动画动画的组合，以鼓励制作更准确和交流的视觉模型？
2.由于使用这些共同部署的技术，小学生在多大程度上改善了对复杂运动现象的描述？ 重点领域是生物力学。 正如下面将要讨论的，这是科学教育研究中有限的探究话题。 然而，它具有巨大的潜力，作为身体体验的领域，身体数据都可以用于学习。

生物力学作为科学学习的领域一般来说，生物力学可以被理解为与生物系统和生物体相关的运动和位移的研究。虽然生物力学研究涵盖了一系列生物体的机械系统，但是经常引起人们兴趣的研究是那些关注人体的研究。这些兴趣的一部分可归因于生物力学研究在改善流行运动中的表现方面的适用性（例如，Barbosa等，2010）。其中的一部分也可能归因于个人参与个人健康和健康实践的个人意图。例如，长途运动是许多活跃成年人的常见运动活动。它已经发展成为一个复杂的社会实践，拥有自己的专业词汇，仪式和技术（Lee和Drake 2013a）。在更大的成年人社区中，出现了与赤足跑步相关的优点或风险的争论。这场争论涉及到人类演变为长距离运行而不是为了生存目的而进行的争论，人类通过使用专门的鞋类实际上需要和改善他们的运行和安全性（McDougall 2009）。问题是人类运行（有或没有鞋子）的最佳方式仍然没有解决。

为了说明这场辩论如何升级，请考虑Lieberman等人的一项研究（2010）发表在广为人知的“自然”杂志上。这个特别的研究研究了当跑步者是否穿着鞋子时，人类的脚踩地面是不同的，并且它支持赤足运动改变脚的生物力学相对于以鞋为基础的运行的想法。 Italso表示，在某些条件下，赤脚跑步可以安全适合人类。这项研究此后在大众传媒中多次被引用。除了展示生物力学研究引起人们广泛关注和学术观察的程度之外，这方面的研究对于与这种研究形式相关的一些科学实践也是有启发性的。具体来说，像这样的研究队伍是常见的做法

通过使用复杂的运动捕捉技术（例如，高速摄影）与数学分析和计算机模拟相结合进行建模。研究人员通过努力重构和重新表达动议，最终更系统地了解人体运动和运动。最终，这样的工作表明，生物力学可能具有教学上的前景，因为它涉及真实的科学内容，对于任何运行经验，使用可访问技术的人员而言都是熟悉和相关的，并围绕诸如建模的科学实践进行组织。

然而，尽管有其承诺，相对于其他科学主题（如生态系统或动力学分子理论），人类运动的生物力学在研究型科学教育干预方面的有限存在。然而，还有一些值得注意的努力来支持生物力学内容的教学和学习，或者将其用作参与科学探究形式的背景，这些在这里总结。

一个这样的教学设计努力来自于范德比尔特，西北，德克萨斯大学和哈佛/麻省理工学院健康科学部门之间的VaNTH合作伙伴关系。在该项目中，目标是将新的学习技术和设计融入生物工程领域的学习活动。值得注意的是在人类生物力学的具体子领域重新设计本科课程的努力（例如，Roselli和Brophy 2003）。如上所述，教学重新设计过程是故意基于在

国家研究委员会（1999年）报告人们如何学习。通过生物力学教师与学习科学家的积极合作，生物力学课程脱离了标准的大学讲座和背诵格式，而成为涉及“挑战性教学”的课程。基于挑战的教学包括利用对特定主题的熟悉程度和兴趣，并以学生需要产生自己的结论的任务形式呈现他们

给出了一系列可用的资源和工具。 VaNTH还通过“传统循环”活动序列框架（Barr等人，2005; Schwartz等人，1999）通过创造思想，获得多个观点，进行研究，运行测试的过程循环了学生，然后然后再将这些调查结果公开，然后重复整个周期，并提出新的挑战。例如，通过VaNTH合作开发的一个生物力学挑战涉及学生确定持有“铁十字”位置所需的肌肉力量。铁十字架是竞争激烈的男子体操中具有挑战性但常见且容易认可的地位。正确的执行涉及一个体操运动员用手握住两个吊环，使他的身体与地板的平面正交，而他的手臂伸展并平行于地板平面。当这个位置被保持时，身体呈十字形。

随着学生分析，他们从外科医生，机械工程师，运动物理治疗师和工程研究生那里获得了关于铁十字架的视频记录，帮助他们从多个角度了解问题。然后，学生检查了计算机可视化并分析了肩关节的人体测量数据，从而得出了肩关节如何工作以及所涉及的各种肌肉需要多少力量的广义配方。 VaNTH合作中出现的其他生物力学挑战包括学生对步行，地面部队，步行和跳跃插孔的分析。教学设计和技术使用的这种整体方法已经取得成功，这反映在检查学生影响，概念考试成绩和适应性专业知识的测试中（Pandy等人2004）

中学科学教室也开展了类似的工作。 Klein和Sherwood（2005）报道了一项研究，也利用传统的循环和挑战模式在高中教室中引入生物工程学内容。他们的目的是看看中学是否可以使用一系列生物工程任务作为学习生物学和物理学的有意义的锚定教学环境。这项工作还强调了几个学习模块中的生物力学，包括上述关于铁十字架的模块以及游泳和平衡模块。各种评估结果的比较表明，与使用更多传统教学的控制教室相比，多项内容领域的显着改善和应用问题也得到了显着改善。

期待更年轻的学生，生物力学作为内容强调实际上也是尝试与三年级和四年级的学生（彭纳等人，1999年至1997年）。在这些课堂设计实验中，小学生参与了一些建模活动，包括设计和修改人类肘关节的物理模型，并探索与肘部的生物力学有关的扭矩和杠杆。这些研究中的学生在适当的支持性学习环境和适当设计的学习活动中，作为小学生建模能力的强大示范案例。一个关键的发现是学生身体模型设计的整体改进，因为他们越来越意识到与肘关联的重要结构和动作，同时减少了对表面特征的关注（例如，简单地具有肘部形状）。实际上，这种设计实验是通过大量最近的讨论和倡导基础科学课程中的建模活动的（Duschl et al。2007）。

基于成功的基本生物力学指导的后一个实例，该项目的首要目标是设计出一种改善与学生建模能力相关的一些基础知识的方法。告知我们的努力的理论观点是基于这样的观念：儿童拥有丰富的表现能力池（diSessa，2004）。这个观点基本上假定，孩子们从一套直观的资源中抽取出来，使他们能够创造和批评表达（例如，Azevedo 2000; diSessa et al.1991; Elby 2000），并且这些必须被挖掘才能使学生变得轻而易举他们在科学中的使用（diSessa 2004）。许多这些资源都是基于非常熟悉的以前的经验，甚至追溯到徒手绘画的基本和频繁的童年活动（Sherin 2000），因此，可以在与这些资源的初步相似的活动的背景下，已经很熟悉虽然有证据表明这些代表性资源确实存在（例如，Verschaffel等人，2010年），他们在课堂教学中的生产利用最终取决于仔细设计和颁布学习活动，要求学生访问这些资源并提供手段在课堂活动中公开认可和批准这些资源（Azevedo等人2012;丹麦语和恩尼多2006; Enyedy 2005）。我们希望通过追求这个特定的项目提供的是描述现有的图像捕获技术如何与人体运动的内容强调结合使用，以鼓励学生提高其表现能力。技术支持建模运动

与这个特刊中的其他一些文章一样，这项工作的主要内容是，现有的技术支持可以支持创新的教学和学习活动。对于目前的项目，共同部署了两个分开的，低门槛的商业技术，他们可以一起支持学生检查观察记录和创建人体运动的表征。这是通过围绕产生现实动画动画的实现目标组织的一系列活动来完成的。第一种技术是从高速摄像机获得的慢动作视频。虽然任何视频都可以以慢动作播放，但是高质量的慢动作视频（专业体育赛事和生物力学研究中所使用的口径）必须用能够以更高速度拍摄图像的相机记录下来比标准的消费者相机。通常，具有视频功能的消费类相机以每秒30帧（fps）记录。这意味着在一秒钟内，捕获并存储构成动画的30张图像。高速摄像机是特别装备的，因此它们每秒可以捕获更多的帧，因此，随着曝光时间的减少，所记录的视频对于每秒的几分之一都有更清晰的图像（减少每帧的模糊） 。当以30fps的典型播放速率播放高速录制的视频时，结果是高分辨率视频，其以慢动作描绘高度详细的移动。

如前所述，这种视频技术已经被证明是专业科学研究的重要工具。高速摄像机及其产生的慢动作影像近年来已被用于更好地了解与闪电相关的负面闪电（Ballarotti等人，2005年），流体中液滴和气泡的动态形成（Thoroddsen et al。 2008），甚至使用猫的舌头来支持流体摄取（Reis et al。，2010）。在所有这些研究中，慢动作视频镜头都得到了明确的承认，报告的数据分析过程涉及到研究人员迭代地检查镜头，以支持构建最能代表感兴趣行为的数学或视觉模型。

以前在教育设置中使用慢动作视频的工作通常涉及使用专门的视频分析软件和对离散图像进行数字追踪运动（例如，Boyd和Rubin 1996; Koleza和Pappas 2008）。在这样的环境中获得的结果是值得注意的，因为来自这些研究的学生能够提高他们产生运动路径的视觉模型的能力，或者在内容上理解诸如位置和速度的科学主题。对于目前的工作，我们选择使用已经安装在教室电脑上的现成相机和原生视频播放工具。为了便于选择和使用现成的相机，我们与一家主要研究型大学的生物力学教授进行了磋商，积极开展人体运动研究。鉴于该专家的高速摄像机建议，经过仔细研究和测试，我们最终购买了Casio Exilim EX-ZR200摄像机，用于本项目。虽然这些被推广为点击式数码相机，但这一系列的卡西欧相机是相当独特的，因为它们具有高达1000 fps的高速视频录制功能。然而，随着fps的增加，一个折衷的是，录制的素材的高度和宽度必然减少。另一个相关的权衡是，fps的越高，所产生的视频文件对于相同的记录时间量就越大。最终，这限制了一次可以记录的活动量。因此，我们经常让学生们以240 fps的速度进行视频录制，这比专业生物力学研究所做的更少，但是对于我们的目的而言，仍然足够高的质量（并且足够慢的结果播放素材大约为十倍）。

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