浙江大學(xué)分營：光與影之歌

趙愛軍 夏孟華

活動特色

浙江大學(xué)光學(xué)工程學(xué)科是國家重點學(xué)科，也是浙江大學(xué)最具影響力的優(yōu)勢學(xué)科之一?？茖W(xué)營特邀浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器國家重點實驗室組織相關(guān)教師和優(yōu)秀研究生，采用線上直播交流互動的方式，帶領(lǐng)來自全國各地的52 名中學(xué)生在5 堂風(fēng)格各異的奇妙課程中領(lǐng)略光學(xué)工程學(xué)科的魅力。

活動介紹

會跳舞的線

主要介紹生活中常見的光學(xué)現(xiàn)象——莫爾條紋，由此引出光柵動畫的工作原理，并設(shè)計3 種方法進行實驗教學(xué)，教會營員使用各種軟件制作“會跳舞的線”。主講教師從典型光學(xué)系統(tǒng)介紹開始，引出最精密的光學(xué)系統(tǒng)——人眼，并向營員展示了許多有趣的視錯覺現(xiàn)象。從人眼視覺暫留效應(yīng)出發(fā)，介紹了生活中常見的莫爾紋現(xiàn)象，包括手機拍攝屏幕的圖片、小虎隊解密卡與自動扶梯等，并為實驗部分的光柵動畫埋下伏筆。隨后，主講教師為營員揭秘莫爾條紋的形成條件與機理，展示了條紋周期的計算過程，并邀請營員一同推導(dǎo)莫爾條紋的光學(xué)放大效應(yīng)，幫助他們更好地理解課程內(nèi)容及莫爾條紋的應(yīng)用方向。最后的實驗環(huán)節(jié)，主講教師“手把手”教學(xué)，幫助營員快速上手MATLAB 編程，助教在線協(xié)助解決營員提出的各種問題，短短的半個小時，大多數(shù)營員都能較為順利地完成例程的調(diào)試，部分營員上手很快，已經(jīng)能夠自行調(diào)整參數(shù)改變動畫樣式。

走進“機器之眼”

主講教師帶領(lǐng)營員使用電腦攝像頭搭建人臉識別器，助教輔助講授和答疑。主講教師從日常生活中的應(yīng)用出發(fā)，激發(fā)營員對人臉識別技術(shù)的興趣，簡要說明攝像頭進行圖像采集的原理和流程，并圍繞1 個典型案例展開，詳細介紹了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展史和通用人臉識別算法的處理流程。為了幫助營員理解算法中的數(shù)學(xué)方法，主講教師變身靈魂畫手，耐心地向營員講解具體的計算過程。

本環(huán)節(jié)注重理論與實踐的結(jié)合，理論部分結(jié)束后，主講教師從電腦環(huán)境配置，到調(diào)用攝像頭，再到最終識別人臉，手把手教營員搭建自己的人臉識別器，并向營員展示了最后的效果。營員在上課和調(diào)試程序的過程中積極提出問題，氣氛活躍。針對營員的問題，主講教師和助教也一一解答。經(jīng)過不懈的努力，有15 位營員當(dāng)堂完成了人臉識別器的搭建。

讓光流動起來

水沿著水管流動時，使用水表可以捕捉水的運動；電沿著導(dǎo)線流動時，使用電表可以捕捉電的運動；有沒有思考過，光是否像流體一樣，也能以某種方式捕捉它的運動呢？在本環(huán)節(jié)中，將使用攝像機定格光的瞬間，施展計算機編程的魔法， 讓光流動起來。

主講教師和助教帶領(lǐng)營員一同探究光流的奧秘。首先從日常生活中隨處可見的一些例子引入流體的概念，例如水流、電流等，讓營員首先對流體有一個感性的認(rèn)知。隨后，主講教師對光的基本概念進行講解， 將營員帶入“光是否也可以像其他物體一樣具有流動性”的疑問中。帶著這個疑問，主講教師隨即展開了對光流模型及光流算法的具體講解。1 小時左右的理論講解后， 還為營員準(zhǔn)備了2 個有趣的實驗。

第1 個實驗是讓營員觀察1 個旋轉(zhuǎn)運動球體上各點的運動信息，并將運動信息用顏色表示出來，不同的運動方向?qū)?yīng)不同的顏色。營員完成球體運動的可視化實驗后，又通過修改濾波窗口大小、正則化系數(shù)及濾波器類型等不同參數(shù)，觀察修改參數(shù)后的結(jié)果差異，并進行相應(yīng)的對比分析。

第2 個實驗包含基于光流法的目標(biāo)跟蹤及粒子圖像測速PIV。主講教師提供了示例視頻，同時也鼓勵營員自己拍攝視頻進行實驗，讓營員完成對車輛的跟蹤及粒子圖像測速。其中，有部分營員還完成了對飛機的跟蹤，效果非常不錯。

手機物理工坊

智能手機發(fā)展至今，已經(jīng)集成了相當(dāng)多且靈敏的傳感器，它們在不同方面可以實現(xiàn)不同的功用。比如光學(xué)傳感器可以讓手機感知環(huán)境的光線強度，從而調(diào)節(jié)手機屏幕的亮度；陀螺儀可以檢測三維方向的角速度，可以用來導(dǎo)航；加速度傳感器通過壓電效應(yīng)檢測手機的加速度，可以用來計步。除此之外，還有距離傳感器、麥克風(fēng)、揚聲器、相機、GPS、指紋傳感器等。

本環(huán)節(jié)為營員講解手機內(nèi)置常用的多種傳感器的基本原理及其常見用途，同時介紹了德國亞琛工業(yè)大學(xué)第二物理研究所開發(fā)的軟件Phyphox，該軟件利用手機自帶的傳感器，把智能手機打造成了一座便攜式科學(xué)探究實驗室，為物理創(chuàng)新實驗教學(xué)活動提供了無限可能。本環(huán)節(jié)不僅向營員介紹了傳感器的使用方法，還和營員一起做了幾個基于手機傳感器的物理小實驗，分別是測量薄膜的透過率、測重力加速度、磁性標(biāo)尺、聲吶測距和自制樂器。

比如“自制樂器”實驗是通過給杯子添加適量的水改變杯子的發(fā)聲頻率，利用“手機物理工坊”的聲音頻譜模塊調(diào)音，制作出不同的音階。主講教師為營員講解和演示了這個實驗的操作思路和步驟，助教則為營員演奏了《小星星》和《歡樂頌》的片段。

在實驗過程中，主講教師帶領(lǐng)營員深入探究影響實驗結(jié)果的因素，以及如何改進實驗條件以獲得更加精確的測量結(jié)果，減小系統(tǒng)誤差。營員在課程中踴躍發(fā)言，深入思考，紛紛將自己的實驗結(jié)果發(fā)送到課程群中，助教耐心為營員解疑答惑，課堂氣氛十分活躍。

神奇的偏振光

光是自由的，彈跳無常，各個方向都可以有，也有圓形、橢圓形等節(jié)奏。在生活中，消除反光提高攝影質(zhì)量，防止汽車行駛過程中對面車燈晃眼，乃至電影院觀看3D 電影等都與光的“彈跳無?！庇嘘P(guān)，本環(huán)節(jié)圍繞生活中各種不同類型的光，開啟了一場趣味無窮的光學(xué)之旅。

主講教師從麥克斯韋方程切入，向營員介紹了電磁波、偏振及偏振片的概念，為后續(xù)的偏振光理論學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。為了讓營員更加深入地認(rèn)識偏振光，主講教師依托光波的最簡單形式，介紹了方程中各個參量的物理意義。

隨后的小實驗依托手機攝像頭和偏振片就可以拍攝消除反光的圖像，用塑料透明尺和偏振片就能獲得繽紛絢麗的偏振圖像，營員積極嘗試，紛紛在活動群里曬出了自己的實驗成果。

經(jīng)過5 個晚上的學(xué)習(xí)和實踐，營員收獲滿滿，充分領(lǐng)略了光電科技的魅力，獲得了前所未有的科學(xué)體驗。