淺談手機拍照功能在應用光學課程教學中的應用

周偉平 吳熳 劉瓊 姜春蕾 柴一峰 劉明偉

摘 要：隨著移動通信技術(shù)的高速發(fā)展，手機成為人們生活中必備的電子產(chǎn)品，在課堂玩手機已嚴重地影響了教學質(zhì)量。通常拍照是手機具備的基本功能之一，而應用光學課程主要講解成像相關(guān)知識，利用手機的拍照功能在理論教學中引入實踐操作，使得課程學習與日常生活緊密聯(lián)系，極大地提高學生的學習積極性和學習效果。本文根據(jù)教學實踐舉例介紹怎樣結(jié)合智能手機的拍照功能講解應用光學的相關(guān)知識點，促進課程教學改革，提高教學質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：應用光學;手機拍照;教學方法

一、概述

伴隨著5G網(wǎng)絡(luò)時代的發(fā)展，智能手機逐漸成為日常生活的必需品。智能手機的普及也顯著改變了人們生活、學習、工作等習慣。人們使用手機的時間也越來越多。據(jù)相關(guān)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)大學生使用手機時間最長，并且頻率也最高。大學生中每天使用手機2小時以上的達到98%左右[1]。隨著使用時間的增加，使用手機的場所也越來越多。除了生活中，課堂上使用手機的頻率也變高。因此社會各界也高度關(guān)注智能手機對高校課堂教學的影響。如何處理智能手機對課堂教學的影響是一個值得深思的問題。如果在教學中能合理利用，不僅促進師生互動，而且能提高教學效果。

應用光學是高等學校光電測控、光學儀器、光電信息工程等專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是光電子技術(shù)、光纖通信、激光原理等專業(yè)課程的基礎(chǔ)課程之一，同時也是光學相關(guān)專業(yè)的考研專業(yè)課，從這可以看出其重要性不言而喻[2]。應用光學以幾何光學的基本定律為基礎(chǔ)，利用幾何射線的方法研究光的傳播規(guī)律、成像特性、相關(guān)光學原理以及光學系統(tǒng)的設(shè)計。應用光學這門課程的特點是概念和公式繁多、同時抽象易混（比如主點、主平面、焦點、焦平面、節(jié)點、節(jié)平面;垂軸放大率、軸向放大率、角放大率等）。整個課程公式的推導和計算較多，對學生的數(shù)理基礎(chǔ)要求較高。當學生看到大量的公式推導計算和繁多易混的抽象概念時難以對該門課程的學習產(chǎn)生興趣。而目前該門課程的教材內(nèi)容與實際應用聯(lián)系較少。傳統(tǒng)的教學方式主要依賴于教材內(nèi)容，一般主要進行公式的推導和理論的講解。很少將其中的內(nèi)容和日常生活聯(lián)系起來，所以課堂顯得枯燥而乏味。這樣的教學方式較難達到較好的教學效果。有研究對學生進行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，約50%的學生認為光學相關(guān)課程的內(nèi)容過多，理論較難理解和接受;20%的學生認為課程內(nèi)容無趣，對此沒有多少學習興趣[3]。所以需要考慮如何把枯燥的理論知識和日常生活聯(lián)系起來進行講解，提高學生的學習興趣。使得學生易于對課堂知識的消化吸收，并且培養(yǎng)學生運用所學的光學知識分析和解決生活中遇到的光學問題的能力。

目前手機拍照功能發(fā)展迅速。華為手機鏡頭都達到了4000萬像素，接近專業(yè)照相機的水平。針對學生使用手機的特點和應用光學學科內(nèi)容的特點。可以把手機拍照功能引入到應用光學課堂教學中來。所以本文從應用光學課程內(nèi)容的特點出發(fā)，結(jié)合目前智能手機的發(fā)展趨勢及特點。提出在相關(guān)知識點的講解時結(jié)合手機拍照的功能進行直觀易懂的課堂教學和現(xiàn)場實驗。為激發(fā)學生對應用光學課程的學習興趣，培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際的能力提供一種可參考的教學方式。

二、教學實踐及舉例分析

（一）在緒論中引入手機拍照功能介紹

緒論起著總攬教材綱領(lǐng)的作用，緒論課是對學生的啟動與激發(fā)。一門課程的第一章緒論部分的講述能在很大程度上影響學生對這一門的學習興趣。所以緒論部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計及內(nèi)容選擇需要盡可能的吸引學生的注意，培養(yǎng)學生對這門課的興趣和好奇心。尤其理論性比較強的學科更加需要注意這方面的內(nèi)容。應用光學主要涉及的就是物象之間的關(guān)系。在日常中相關(guān)的應用就是攝影和拍照。目前人們拍照用的比較多的是手機拍照，所以在緒論的講述中我們可以基于學生對手機中應用比較多的拍照功能去引出這門課程的學習內(nèi)容與學習意義。比如可以從網(wǎng)上調(diào)侃的別人家男朋友拍的照和自己男朋友拍照的不同去描述學好拍照在日常生活中起的作用，如圖1所示?；蛘咭媚壳笆謾C宣傳的時候描述手機支持廣角超廣角的功能，提問廣角和超廣角具體的區(qū)別是什么，原理是什么。另外在現(xiàn)在很多手機拍照的設(shè)置有專業(yè)模式，里面需要自己選擇光圈大小，或者選擇曝光時間。怎么樣去選擇光圈，怎么樣去選擇曝光時間？這些內(nèi)容都是應用光學里面學習的內(nèi)容。所以要想弄清楚這些問題就需要同學們好好學習我們這門應用光學課程。通過列舉類似的與日常生活相關(guān)的例子引起學生對該門課程的學習興趣。

（二）講解曝光量對拍照的影響

定義曝光量H為照相物鏡的像平面照度E和曝光時間t的乘積。所以曝光量的計算公式為H=Et。曝光量會很直接影響照片的效果。曝光不足的話整個畫面會發(fā)暗甚至發(fā)黑，照片細節(jié)會丟失。曝光過度的話會是整個照片發(fā)白，顏色會失真，同樣細節(jié)也會損失。通過公式可以計算曝光量，但是在講解這個知識點的時候?qū)W生也沒有直觀感覺。目前手機能直接調(diào)節(jié)曝光量，這時可以讓學生打開手機拍照功能拍攝一組照片進行驗證。如圖2所示為不同曝光情況下的拍照效果。通過設(shè)置不同曝光量拍攝的照片有很明顯的區(qū)別。從曝光過度的照片發(fā)白現(xiàn)象到曝光不足畫面發(fā)黑現(xiàn)象可以看出區(qū)別很明顯。通過這樣對比講解讓學生對曝光量對拍照的影響有直觀理解。同時以后在看到類似效果的照片時能知道是為什么產(chǎn)生的這一現(xiàn)象。

（三）光圈知識點的講解

相對孔徑RA為照相物鏡的最大孔徑D與照相物鏡的焦距f′的比值。相對孔徑的倒數(shù)為F數(shù)，而F數(shù)在照相機領(lǐng)域就是所說的光圈了。光圈主要是控制進光量。光圈越大進光量越大，畫面也就越亮;光圈越小進光量越小，畫面也就越暗。同時大光圈景深淺，使對焦點清晰，而其他部分相對模糊。小光圈景深大，不在同一焦平面的整個畫面都清晰。目前手機拍照可以設(shè)置的功能越來越多，其中光圈大小也可調(diào)。在講解該知識點時可以利用手機中光圈可調(diào)的功能去觀察光圈變化對照片的影響。讓學生設(shè)置不同的光圈大小拍攝桌面上的物體。圖3為利用手機在不同光圈下拍攝的照片。分析拍攝的照片，對比不同光圈下照片的區(qū)別。從圖中可以看出，不同光圈下拍攝的照片中后面窗簾的清晰度明顯不一樣。而如何選擇合適的光圈呢？這時就可以引出我們光圈的計算公式。這樣學生在接受這個知識點的時候就有了直觀的印象。

（四）廣角鏡頭與標準鏡頭的區(qū)別

在講解這個知識點的時候可以直接從手機拍照中攝像頭的參數(shù)宣傳引出該知識點的學習。目前手機拍照除了宣傳其像素的提升外還有很多其他功能。比如手機拍照也支持廣角或者超廣角功能。之前利用手機拍照時為了拍攝更寬廣的畫面需要拉遠鏡頭和拍攝物的距離。而有了廣角功能后可以開啟廣角功能就能直接拍攝視野更大的照片。目前有些手機配備廣角甚至超廣角鏡頭。在講解該知識點時也可以讓學生拿出手機來通過切換鏡頭直觀的感受廣角鏡頭在拍照的時候的區(qū)別。如圖4所示，就是利用不同手機鏡頭拍出來的照片。對比發(fā)現(xiàn)很明顯廣角鏡頭的取景范圍要大很多。為什么會大很多呢，這時就可以引出廣角鏡頭參數(shù)的講解。因為廣角鏡頭的視場角不同。視場角2ω大于60度的物鏡稱為廣角物鏡，視場角2ω大于90度的物鏡稱為超廣角物鏡。因為視場角不同所以拍攝的景物范圍有明顯的差別。

三、結(jié)語

應用光學有很大一部分內(nèi)容涉及成像知識。為了提高學生的學習興趣，加深學生對知識點的理解以及直觀的感受，本文列舉了將幾個應用光學中的知識點如何結(jié)合手機拍照功能進行講解。類似的還有很多其他的知識點，比如景深、焦距、成像幅面等。通過結(jié)合手機拍照功能的講解以及學生課堂上現(xiàn)場的實驗，能給相關(guān)知識點的講解提供一種更直觀更有效的方式，同時也能緩解學生利用手機做課堂無關(guān)的事情，以及在之后用到手機拍照功能的時候能進一步復習鞏固相關(guān)知識點，加深對相關(guān)知識點的掌握。這樣既活躍了課堂氣氛，增強了師生之間的互動，同時又能更好地講解和加深學生的理解，啟發(fā)學生從生活實例中思考其中涉及的光學原理。

參考文獻：

[1]黃俊霞，梁雅麗，陳佰鋒，等.大學生手機使用及依賴現(xiàn)狀研究[J].中國衛(wèi)生事業(yè)管理，2018，（7）：534-537.

[2]趙瑞，孔梅梅，彭玲，等.“應用光學”課程教學模式改革[J].電氣電子教學學報，2015，37（3）：33-36.

[3]李桂華，張梅，馬修水，畢濤.在“工程光學”課程教學中開展互動學習的探索和實踐[J].合肥工業(yè)大學學報（社會科學版），2010，24（02）：9-12.

基金項目：2019年湖南省教育廳“普通高等學校教學改革研究項目”（編號：G21916）;2018年湖南科技大學“教學研究與改革項目”（編號：G31819）

作者簡介：周偉平（1987—），男，漢族，湖南隆回人，博士，講師，主要從事激光微納制造、微納器件制備以及光電教學研究。