大學科技攝影選修課程的內(nèi)容及教法研究

宋洪曉

（山東大學物理學院<物理國家級實驗教學示范中心（山東大學）>，山東 濟南 250100）

科技攝影又叫科學攝影，是攝影藝術(shù)在科學技術(shù)領(lǐng)域的延伸，大量精美的科技攝影作品不僅僅在視覺藝術(shù)上讓人大飽眼福，也是科研記錄、科普宣傳的重要方式，是攝影藝術(shù)外延跨越學科邊界的產(chǎn)物。 攝影通過定格瞬間的方式記錄世界，可以提高人眼的時間分辨能力和空間分辨能力。 早在1872年，邁布里奇就通過多個相機連續(xù)拍攝方式，終結(jié)了斯坦福與科恩關(guān)于奔馬是否會四蹄騰空的爭論[1]?，F(xiàn)代的顯微鏡攝影、望遠鏡攝影、高速攝影、延時攝影、紅外攝影等更是科學研究、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域重要的輔助觀測手段，更是生物學等領(lǐng)域不可或缺的記錄方式[2]。 隨著攝影技術(shù)和現(xiàn)代科技日新月異的發(fā)展，國內(nèi)科普[3]、科研、教材建設(shè)等領(lǐng)域?qū)?yōu)秀科技攝影作品的需求也日趨強烈。同時，科技攝影還可以提高學生的藝術(shù)素養(yǎng)，培養(yǎng)他們的實踐精神與鍛煉動手能力。 為此，從2018年起在山東大學物理學院開設(shè)了 “科技攝影與物理影像”的選修課程。本文對科技攝影課程知識體系和教學方法等方面內(nèi)容進行探討。

1 科技攝影課程知識體系

科技攝影涉及藝術(shù)和自然、工程等學科，對課程教學內(nèi)容的廣度和深度，任課教師的藝術(shù)素養(yǎng)、科研背景等各方面都提出了較高的要求。 目前，國內(nèi)在科技攝影教學方面的資料較少，能夠搜索到的最近一本《科技攝影》教材還是20世紀90年代出版[4]，各種期刊上相關(guān)的文獻也不多。

作者根據(jù)自己對攝影和科技攝影的理解，主要采用需求倒推的方式確立科技攝影的課程知識體系。因為對物理專業(yè)學生開課，所以科技攝影課程主要講授物理為主及理科相關(guān)學科科研及科普中常用的攝影拍攝方法，以及這些拍攝方法需要的攝影理論及實踐知識。

1.1 常規(guī)攝影知識是科技攝影的基礎(chǔ)

科技攝影是攝影藝術(shù)在科技領(lǐng)域的擴展和延伸，優(yōu)先使用的還是常規(guī)攝影器材和常見的拍攝方法，當常規(guī)的鏡頭、機身和拍攝方法不能滿足科技攝影拍攝題材的要求時，再根據(jù)需要使用非常規(guī)的設(shè)備和拍攝方法。

因此， 常規(guī)的攝影知識是科技攝影知識的基礎(chǔ)，科技攝影也需要先從攝影的基本理論講起， 同時構(gòu)圖、光影等美學方面的知識和理論也是必需的。

光學實驗室中，為了更好地觀察光學現(xiàn)象，往往在暗室中進行操作。記錄這些微弱光學現(xiàn)象的弱光攝影拍攝手法類似于夜景拍攝。而弱光攝影拍攝的內(nèi)容從實驗室延伸到大自然戶外， 拍攝夜晚的星空銀河，以及星空下美妙的地景，就是星野攝影。

1.2 提高人眼空間分辨能力的拍攝方法

從空間分辨能力上來說，人眼在25厘米左右的明視距離上能夠分別出間距0.2毫米的條紋， 如果要觀察更細小的物體形態(tài)則需要借助光學工具。在攝影的習慣分類上， 把傳感器上成像和原物等大稱為1∶1微距攝影， 成像放大到原物的1倍到5倍之間都在微距（或超微距）攝影范疇內(nèi)，而實現(xiàn)更大的放大率則需要使用顯微鏡[5]。借助光學顯微鏡，人眼的分辨本領(lǐng)能提高1000倍， 到0.2納米小于微米， 可以看清生物的細胞。顯微鏡轉(zhuǎn)接相機的時候，只有物鏡組起放大作用，空氣系物鏡放大倍率最高為40倍， 油浸物鏡一般為100倍。而使用電子顯微鏡，能把人眼的分辨本領(lǐng)再提高1000倍，到0.2微米，可以看到物質(zhì)結(jié)構(gòu)中的原子排列。 一般光學顯微鏡可以轉(zhuǎn)接普通相機拍攝，原子顯微鏡則自帶數(shù)字成像系統(tǒng)。

與微距攝影和顯微攝影相對的， 是望遠鏡攝影。望遠鏡和顯微鏡類似，都是放大視角，增加人眼的空間分辨本領(lǐng)， 讓人能夠看清原來看不清的物體形態(tài)，在望遠鏡后面接上相機，就是望遠鏡攝影。 使用天文望遠鏡觀察、拍攝天象需要添加可以反向轉(zhuǎn)動抵消地球自轉(zhuǎn)影像的設(shè)備，如赤道儀等。 赤道儀作為天文攝影的基礎(chǔ)設(shè)備，其調(diào)整和使用是重要的內(nèi)容。

1.3 提高人眼時間分辨能力的拍攝方法

從時間分辨能力上來說， 因為人眼的視覺暫留現(xiàn)象，人無法觀察到快速變化的瞬間，傳統(tǒng)電影每秒播放24幀畫面就已經(jīng)能夠讓人感覺栩栩如生。高速攝影的誕生才讓人有了看清高速變化中的物體瞬間形態(tài)的方法。高速攝影主要有兩種方法， 一種是以哈羅德·埃杰頓為代表的使用閃光燈凝固瞬間的高速閃光攝影方法[6]，另外一種就是連續(xù)高速攝像然后查看單張圖片或者慢鏡頭播放的方法， 民用的高速攝像以SONY黑卡相機為代表，能實現(xiàn)短時間1000幀/秒的記錄，以25幀/秒回放就是40倍的慢鏡頭。 科研使用的高速攝像設(shè)備則可以實現(xiàn)更高的采樣頻率。

與高速攝影相對，延時攝影則可以將緩慢變化的過程采用隔一段時間拍攝一張的方法記錄下來，把這些照片制作成視頻，按照正常的幀頻播放則會產(chǎn)生快鏡頭的效果。 更容易看出一些改變緩慢的過程的變化規(guī)律。

1.4 提高人眼頻譜寬度的拍攝方法

人眼能夠感受到的可見光只是波長從400微米到760微米之間的一小段電磁波， 常規(guī)的成像傳感器也工作在這一范圍。將其響應(yīng)頻譜擴展就是不可見光攝影，例如，紅外攝影、X光攝影等。 X光屬于高能射線，按照規(guī)定操作相關(guān)儀器需要有輻射人員資格證書，一般高年級研究生才會根據(jù)研究需要參加相關(guān)培訓和考取。 但是作為理論知識學習，尤其是輻射安全等方面的知識學習仍然是很有必要的。

1.5 科技攝影課程知識體系的構(gòu)建

通過前面的分析，根據(jù)科研和生產(chǎn)、科普的需要，可以列出一個科技攝影課程的知識清單。首先是攝影基礎(chǔ)知識（相機操作、光圈、快門、構(gòu)圖、光影等）和常規(guī)器材的應(yīng)用拓展（光學暗室攝影、星野攝影等），然后是對人眼觀察能力的各種擴展。擴展人眼空間分辨率的：微距攝影、顯微攝影、望遠鏡攝影（生態(tài)動物、天體）。 擴展人眼時間分辨率的：高速攝影（閃光高速攝影、高速攝像）、延時攝影。 擴展人眼頻譜寬度的不可見光攝影（紅外攝影、X光攝影）等，以及相關(guān)的圖片、視頻后期處理、剪輯等知識。

結(jié)合物理專業(yè)學科特色和學生需求， 加入了物理科普圖像、圖像的物理意義等方面的一些內(nèi)容，將課程名稱定為了“科技攝影與物理影像”。 章節(jié)安排見表1。

表1 “科技攝影與物理影像”課程章節(jié)安排

2 科技攝影教學與授課

2.1 組織授課內(nèi)容

確定“科技攝影與物理影像”課程講授內(nèi)容的框架之后， 每一個拍攝題材都包括相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識、拍攝器材、拍攝方法和技巧等內(nèi)容。作者從各個方面進行內(nèi)容的搜集整理，例如，借鑒天文學的天體攝影、醫(yī)學的顯微攝影、軍事學的高速攝影等部分內(nèi)容，并收集整理了國內(nèi)外攝影網(wǎng)站上如閃光拍攝高速運動等零散攝影技巧，也參考了部分科研儀器影像采集系統(tǒng)的說明書。很多內(nèi)容的廣度與深度都在進行探索與磨合。

式中，VH 為臨界不沖流速，m/s；dcp為渠床土粒平均粒徑，m；A為與渠床土壤密實程度有關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)；R為水力半徑，m。

2.2 開課時間及授課方式

課程第一次開課安排在秋季學期，選課學生為大三上。學生對其中的天文、星野攝影等內(nèi)容興趣很高，剛剛講完就有學生利用周末到郊區(qū)戶外整晚拍攝星空，這時北方已經(jīng)進入冬天，非常辛苦。為了便于戶外實踐， 后續(xù)開課時作者申請將課程更改到大二下，春季學期開課，這樣學生到戶外進行星空實踐拍攝也是夏季夜晚，戶外環(huán)境更舒適一些。

科技攝影使用各種特殊攝影器材較多，很多器材學生比較陌生。 為了提高教學效果，作者在理論授課中將體積較小，便于移動攜帶的拍攝器材如三目顯微鏡、體視顯微鏡、微距鏡頭和補光燈、星野赤道儀、激光觸發(fā)控制器、航拍無人機等設(shè)備帶入課堂，現(xiàn)場進行操作演示，增強學生對實物的認識和理解。

2020年上半年疫情期間， 正趕上課程第三輪開課，筆者采用校內(nèi)教學平臺直播和錄播結(jié)合的方式進行了一個學期線上授課，為進一步建設(shè)線上課程打下了良好的基礎(chǔ)。

2.3 拍攝實踐及課程考察

科技攝影拍攝內(nèi)容比較廣泛，有些受天氣等因素影像比較大，如星野、天文攝影；有些貴重科研儀器只能講授原理，實踐需要研究生階段以后，如電子顯微鏡、X光攝影等。 受各種條件制約，目前開設(shè)單獨的實驗課程條件還不太成熟，因此課內(nèi)只安排了一次到物理演示實驗室參觀、拍攝，大量拍攝實踐由學生課后自行安排時間進行。 小型的拍攝設(shè)備如光學顯微鏡、望遠鏡等可以由學生借回宿舍輪流使用，實踐部分的講義正在編寫完善中。

在考察方式上，以平時作業(yè)與最終實踐拍攝以及課程論文結(jié)合的方式進行評價。

3 授課效果及學生評價

經(jīng)過三輪授課，在授課時間安排、課程知識體系、授課內(nèi)容等方面進行了大量探索和磨合，目前已經(jīng)相對穩(wěn)定。 選課人數(shù)也越來越多，物理學院每年學生數(shù)大約150人，第一輪開課有30人選課，第二輪開課選課人數(shù)為47人，第三輪開課選課人數(shù)為55人。

學生們對新開設(shè)的課程給予了非常大的包容和較高的評價， 積極參與到課程實踐拍攝等環(huán)節(jié)中來。選課學生在課程中動手能力、實踐能力得到了有效提高，科技攝影水平明顯提高，參加學校攝影比賽也取得較好成績，拍攝的光學實驗室照片被選入學院宣傳畫冊。

在課程內(nèi)容建設(shè)和學生拍攝實踐的選題中， 作者結(jié)合大學物理教材建設(shè)， 有意識地在目前影像資料較少的章節(jié)自主拍攝或者引導學生拍攝， 希望通過一段時間， 建設(shè)一個內(nèi)容比較豐富全面的物理科技影像資料庫。學生雖然拍攝器材和攝影水平不夠完美，但是通過發(fā)散的思維和寬闊的知識涉獵提出了很多精彩的創(chuàng)意，可以為資料庫進一步創(chuàng)作完善提供寶貴的思路。

4 結(jié)語

“科技攝影與物理影像”課程在攝影藝術(shù)與理科教學結(jié)合方面進行了探索。 可以提高學生藝術(shù)素養(yǎng)、培養(yǎng)創(chuàng)新精神、實踐精神，鍛煉動手能力和團隊協(xié)作能力。 等他們走向科研一線，也將能拍攝創(chuàng)作出更多的科技攝影作品。 有必要對科技攝影的教學和應(yīng)用進一步推廣，助力應(yīng)用型、復合型人才的培養(yǎng)，也推動我國科技、 科普領(lǐng)域攝影作品數(shù)量的增多和質(zhì)量的提升。