科技館光學(xué)展品研究

高月 溫琳琳

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201720003

摘要：從古至今，在光學(xué)領(lǐng)域的科技發(fā)展對(duì)世界的影響也非常明顯。在科技館內(nèi)，光學(xué)類的展品推陳出現(xiàn)，雖不能全面展現(xiàn)出光學(xué)的博大精深，但是也能起到為大眾進(jìn)行基礎(chǔ)經(jīng)典光學(xué)的科普作用。本文將從光學(xué)學(xué)科在科技館內(nèi)的展示方式來(lái)淺談一下光學(xué)展品的發(fā)展演變。

關(guān)鍵詞：科技館；光學(xué)；展品；發(fā)展

光學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)重要分支學(xué)科。圭表是人類最早創(chuàng)造并使用的光學(xué)儀器，由圭和表兩部分組成。中國(guó)西周丞相周公旦（公元前約1105年）在河南登封縣設(shè)置了世界上最早的計(jì)時(shí)器圭表。人們可以從太陽(yáng)照射圭的影子對(duì)照表上的刻度來(lái)計(jì)時(shí)了。

約在公元前400多年（先秦年代），中國(guó)的《墨經(jīng)》中就記載了世界上最早的光學(xué)知識(shí)，中國(guó)科技館主展廳不但有墨子像，還有“小孔成像”和“光是什么”兩件展品介紹墨子的光學(xué)成就[1]。 它有8條關(guān)于光學(xué)的記載，它們依次是：影子生成的道理；光線與影的關(guān)系；光線直線行進(jìn)實(shí)驗(yàn)；光的反射特性；從物體與光源的相對(duì)位置關(guān)系確定影子大小；平面鏡的反射現(xiàn)象；凹面鏡的反射現(xiàn)象；凸面鏡的反射現(xiàn)象。在這些敘述中，說(shuō)明了影的定義和生成，光的直線傳播性和針孔成像，并且以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈淖钟懻摿嗽谄矫骁R、凹球面鏡和凸球面鏡中物和像的關(guān)系，這些知識(shí)都遠(yuǎn)早于世界其他國(guó)家。《墨經(jīng)》是人類最早的光學(xué)書籍，是我們中華民族的祖先對(duì)人類早期文明的巨大貢獻(xiàn)。

在《墨經(jīng)》之后，漢代的劉安、王充，張衡都對(duì)光學(xué)的發(fā)展起到了推動(dòng)作用。晉代的張華、唐朝的譚峭等道士、也分別繼承了先賢的知識(shí)并且開始涉獵透鏡。宋代的沈括是推進(jìn)光學(xué)的代表人物，他不但對(duì)先賢的原理進(jìn)行了準(zhǔn)確生動(dòng)的描述，并且嘗試提出光學(xué)理論即格術(shù)。明清時(shí)代的學(xué)者對(duì)西洋光學(xué)也進(jìn)行了總結(jié)和發(fā)揮，但是中國(guó)古人對(duì)光學(xué)的研究雖然比較早，但是主要是一些觀察和簡(jiǎn)單制作，缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓鈱W(xué)幾何知識(shí)的支撐并沒有將我國(guó)的光學(xué)發(fā)揚(yáng)光大乃至與世界先進(jìn)水平相差巨大。我國(guó)在近代對(duì)于光學(xué)的研究基本上難以突破，直到新中國(guó)成立后，中國(guó)光學(xué)才取得了重大的進(jìn)展，在中國(guó)邁向信息社會(huì)的進(jìn)程中和四個(gè)現(xiàn)代化建設(shè)中作出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)，并在國(guó)際光學(xué)界占有一席之地[2]。

1 我國(guó)科技館的光學(xué)經(jīng)典展品

在我國(guó)科技館的展品中，每個(gè)科技館都會(huì)有一些光學(xué)類的展品，或多或少的展示出了以上光學(xué)的基本原理。光沿直線傳播/影子類別的展品有《光影》、《小孔成像》等，在遼寧省科學(xué)技術(shù)館內(nèi)對(duì)應(yīng)的展品是《月亮、光、影子》和《我們的眼睛》。平面鏡反射類別的展品有《潛望鏡》、《望遠(yuǎn)鏡》等，在遼寧省科學(xué)技術(shù)館內(nèi)對(duì)應(yīng)的展品是《鏡子迷宮》和《迷你鏡陣》。凹球面鏡和凸球面鏡中物和像的關(guān)系類別的展品有《哈哈鏡》等，在遼寧省科學(xué)技術(shù)館內(nèi)對(duì)應(yīng)的展品是《看得見摸不著》和《凹面鏡成像》。

2 科技館中的新興光學(xué)類展品

我國(guó)的科技館中的光學(xué)類展品大多以此類光學(xué)基本原理為主，向現(xiàn)代科學(xué)中的光學(xué)引申不多。但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，科技館的從業(yè)人員也開始逐漸的展示出一些新型的光學(xué)展品：

一類是偏振光（偏振片疊加、液晶玻璃、調(diào)光玻璃）、電腦摳像技術(shù)、全息圖像等類展品，這些類展品已經(jīng)逐漸出現(xiàn)在很多科技館的展廳內(nèi)，對(duì)于大型科技館已經(jīng)是標(biāo)配展品，對(duì)于光學(xué)展品展示最齊全的科技館是長(zhǎng)春中國(guó)光學(xué)科學(xué)技術(shù)館，是我國(guó)唯一的國(guó)家級(jí)光學(xué)專題科技館，是由王大珩、丁衡高、周炳琨、母國(guó)光四位院士向溫家寶總理提議，溫總理親自批示建立的大型光學(xué)科普基礎(chǔ)設(shè)施。遼寧省科學(xué)技術(shù)館中的探索發(fā)現(xiàn)展廳內(nèi)的所有光學(xué)展品均由德國(guó)阿基米德公司設(shè)計(jì)，德國(guó)賀廷根公司和荷蘭BRUNS公司制作，展品原理準(zhǔn)確，展示方法和展品制作質(zhì)量與國(guó)際接軌，將很多國(guó)內(nèi)的老式光學(xué)類展品的展示方式提高了一個(gè)臺(tái)階，例如《加色法》、《光具座》、《丁達(dá)爾現(xiàn)象》、《衍射格柵》、《偏振光》、《鏡子迷宮》、《潛望鏡》、《三棱鏡折射》等。

另一類是新興的全息投影、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）和虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)類展品，這些展品融合了光學(xué)、傳感器、通信、信息處理和計(jì)算機(jī)圖形等技術(shù)，這些展品代表了科技館中的光學(xué)類展品的最高水準(zhǔn)。目前尤其以虛擬現(xiàn)實(shí)能最好的為體驗(yàn)者提供一個(gè)關(guān)于視覺、聽覺、肢體感覺等感官的模擬，有知足的“沉浸感”與“身臨其境”[3]。以下分別介紹：

全息特指一種技術(shù)，可以讓從物體發(fā)射的衍射光能夠被重現(xiàn)，其位置和大小同之前一模一樣。從不同的位置觀測(cè)此物體，其顯示的像也會(huì)變化。因此，這種技術(shù)拍下來(lái)的照片是三維的。全息這項(xiàng)技術(shù)可以被用于光學(xué)儲(chǔ)存、重現(xiàn)，同時(shí)可以用來(lái)處理信息。我國(guó)科技館中制作此類展品都是通過(guò)全息投影的方式進(jìn)行展示，部分科技館也在科普影院中采用了真人演員與全息投影結(jié)合的方式進(jìn)行科普舞臺(tái)劇演示，效果很好。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是由虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展而來(lái)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠把虛擬信息（物體、圖片、視頻、聲音等等）融合在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，將現(xiàn)實(shí)世界豐富起來(lái)，構(gòu)建一個(gè)更加全面、更加美好的世界（例如遼寧省科學(xué)技術(shù)館的《“增強(qiáng)的”未來(lái)》展品）。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在科技館中的應(yīng)用最好莫過(guò)于科學(xué)歷史陳列類展品的應(yīng)用，觀眾不但可以聽過(guò)高清視頻眼鏡看到解說(shuō)詞，還在參觀展品時(shí)通過(guò)AR技術(shù)看到展品重要部件的數(shù)據(jù)，身臨其境的感受陳列展品的宏大魅力，并且能夠與展品進(jìn)行交互體驗(yàn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)利用計(jì)算機(jī)創(chuàng)造一個(gè)虛擬空間，利用虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡能夠使用戶完全沉浸在一個(gè)虛擬的合成環(huán)境中，無(wú)法看到真實(shí)環(huán)境；利用雙目視覺原理，虛擬世界在眼鏡中是3D立體的。目前國(guó)內(nèi)很多科技館都在展廳內(nèi)展示了VR展品，雖然目前都是一些運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)類或者游戲類的體驗(yàn)內(nèi)容，但是VR未來(lái)在科技館展品上應(yīng)用還是很遠(yuǎn)大的，例如將一些抽象的科學(xué)原理、互動(dòng)很危險(xiǎn)很復(fù)雜、空間原因造成無(wú)法互動(dòng)的一些原本只能靠制作大型固定展品讓觀眾館看的展品通過(guò)VR的方式展示給觀眾。

為了能與觀眾進(jìn)行互動(dòng)，在互動(dòng)中讓觀眾體會(huì)到科學(xué)發(fā)展史和科學(xué)內(nèi)容，在科技館中無(wú)法將光學(xué)在所有行業(yè)中的發(fā)展和應(yīng)用展示出來(lái)，例如醫(yī)學(xué)、能源、存儲(chǔ)、信息傳輸、量子技術(shù)、顯微技術(shù)、天文望遠(yuǎn)鏡和國(guó)防等，比較遺憾，但是我相信光學(xué)作為一門如此重要的學(xué)科必定在科技館、人類生活和科學(xué)發(fā)展史中逐步發(fā)展壯大。

參考文獻(xiàn)：

[1]王洪鵬，白欣.光學(xué)史坐標(biāo)上的古代中國(guó)科學(xué)家[J].現(xiàn)代物理知識(shí)，2016，（4）.

[2]王大珩.中國(guó)光學(xué)發(fā)展歷程的若干思考[J].科技與產(chǎn)業(yè)，2002，2（4）.

[3]楊治國(guó).VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)現(xiàn)代化科技館的作用[J].科技視界，2017，（2）：18.