以圖像識別技術(shù)探究物體的共振

高凱 劉彥寧 常詩妤

教學(xué)背景

傳統(tǒng)分科式課程的學(xué)科基礎(chǔ)知識往往局限于單個學(xué)科，不利于學(xué)生融會貫通、應(yīng)用知識解決實際問題。隨著我國教育課程改革的推進，國家開始鼓勵跨學(xué)科課程等教育模式。參考2020 年版《普通高中通用技術(shù)課程標準》《普通高中物理課程標準》，不難發(fā)現(xiàn)，綜合性素質(zhì)提升越來越受重視，學(xué)科融合概念越來越被提倡。STEM 教育作為跨學(xué)科整合課程的一種方式，強調(diào)綜合運用、解決現(xiàn)實問題，重視創(chuàng)新與實踐能力的培養(yǎng)。本項目以學(xué)科融合為切入點，帶領(lǐng)學(xué)生利用圖像識別技術(shù)探究賽格大廈搖晃的原因，并探究解決該問題的方法，通過學(xué)生的自主探究活動，解決實際問題，鍛煉學(xué)生的編程思維及創(chuàng)新實踐能力。

教學(xué)主題

本單元課程以STEM 教育理念為依托，強調(diào)利用模擬真實情景下的復(fù)雜故事呈現(xiàn)問題，營造問題解決的環(huán)境，在解決問題過程中，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，幫助他們學(xué)習知識，提升技能。在課程內(nèi)容設(shè)計中，以賽格大廈晃動這一熱點話題為切入點，將人工智能技術(shù)作為有效的探究手段，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造、分析、評價等高階思維。

教學(xué)實施

情景導(dǎo)入：賽格大廈的搖晃

2021 年5 月18 日中午時分，位處深圳華強北商業(yè)區(qū)、高達355.8 米的賽格大廈在微風中搖晃了起來，大廈內(nèi)近1.5 萬人撤離現(xiàn)場。與地震引起的大樓晃動不同，此次大樓搖晃的原因是多種因素耦合使大樓產(chǎn)生共振，主要是風的影響，以及地鐵運行（2 條地鐵從樓下經(jīng)過）和溫度的影響（大廈搖晃前幾天氣溫升高，溫差達8℃，對鋼結(jié)構(gòu)影響較大）。引導(dǎo)學(xué)生思考賽格大廈發(fā)生搖晃的原因是什么，以及如何減弱這種晃動？

設(shè)計意圖 以賽格大廈的晃動新聞作為課程導(dǎo)入，提供真實問題情境，激發(fā)學(xué)生參與探究的興趣，并發(fā)布單元主題任務(wù)。

材料準備

本課的主題為“搭建大樓模擬振動”，學(xué)生需使用積木搭建大樓模型，并用攝像頭識別大樓頂端二維碼中心的坐標，畫出“大樓”的振幅- 時間關(guān)系圖像。材料包括積木（搭建大樓主體）、攝像頭（識別二維碼）、二維碼圖（提供較為精確的位置信息），以及USB 數(shù)據(jù)線。

設(shè)計意圖 組織學(xué)生在組裝硬件的同時，理解各部分在項目實現(xiàn)過程中發(fā)揮的作用，以便在接下來的案例編程中更加合理地使用這些硬件。

測量大樓振幅

完成大樓模型搭建后，需要記錄大樓的振動，測量大樓的振幅，如果直接用肉眼觀察大量的振動，很難對搖晃幅度相差不大的情況進行比較，因此需要利用攝像頭代替肉眼測量大樓的振幅，不僅能保存數(shù)據(jù)、反復(fù)觀看，還能利用圖像識別技術(shù)測量大樓模型的振幅。為了實現(xiàn)這個功能，需要在大樓頂部做一個合適的標記，當標記偏離攝像頭正對區(qū)域時，圖像會發(fā)生變形，不利于識別，但是二維碼有定位功能，可自動矯正圖片，能更準確地獲取信息。為方便識別和記錄，可用二維碼表示大樓頂部某一點的運動，這樣一來，即使攝像頭的擺放位置有些偏移，沒能正對大樓，圖像識別程序也能從視頻中確認二維碼的位置。

編寫二維碼定位程序

為了從圖片中識別二維碼的坐標，鎖定二維碼的位置，可以通過以下程序：

設(shè)計意圖 通過了解二維碼定位程序的編寫，加深對編程模塊的理解，為場景式項目實踐作鋪墊。

探究實踐項目

實驗?zāi)康?/p>

利用模型，設(shè)計實驗探究減小大廈振幅的方法，探究阻尼器對大樓阻尼振動振幅的影響。

實驗方案

①在大樓的下方懸掛阻尼器，運行二維碼定位程序，用手使大樓傾斜到某一個角度，靜止釋放，讓大樓做阻尼振動，用攝像頭記錄大樓的振動情況，利用程序畫出大樓的振幅- 時間關(guān)系圖像，對照實驗為不使用阻尼器，其他步驟相同。②比較2 種情況下振幅- 時間關(guān)系圖，觀察懸掛阻尼器后大樓振幅是否減弱，填寫實驗報告。

注意事項

①大樓的傾斜角度不能過大，以免倒塌。②先打開圖像識別程序，待彈窗出現(xiàn)穩(wěn)定且準確的紅框時再釋放大樓，以免得到錯誤的坐標，比如圖3 中2 張圖最左端的波谷應(yīng)該相同，但左圖由于二維碼識別不穩(wěn)定，得到的波谷過小。③將大樓放在光線合適的環(huán)境里，過亮或過暗均可能導(dǎo)致二維碼識別失敗。④避免阻尼器在搖晃過程中撞到大樓主體。

實驗結(jié)論

在大樓下方懸掛阻尼器，可減小大樓阻尼振動的振幅。

總結(jié)與延伸

阻尼器是一種提供物體運動的阻力、耗減物體運動能量、使物體保持穩(wěn)定狀態(tài)的裝置。建筑工程中廣泛應(yīng)用的是調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（tuned mass damper），俗稱“風阻尼器”，由彈簧、阻尼器和質(zhì)量塊組成，一般支撐或懸掛在結(jié)構(gòu)上，主要結(jié)構(gòu)形式分為抗垂向振動和抗水平振動兩種。

港珠澳大橋成功抵御16 級臺風“山竹”的侵襲，其中一個關(guān)鍵技術(shù)就是調(diào)諧質(zhì)量減振器（TMD）。港珠澳大橋的TMD 高3 米左右，其頻率與鋼箱梁頻率非常接近。當風引發(fā)橋體振動時，掛著的質(zhì)量塊會自動反相位振動，橋往上它往下，橋往下它往上，彈簧進而不斷拉長、壓縮，與彈簧并連的阻尼器為耗能器，在反相位振動過程中消耗能量并轉(zhuǎn)化為熱量，風能也隨之轉(zhuǎn)化成為熱量。因此，“山竹”臺風來襲時，橋體振動很小，橋體安全得到保障。

設(shè)計意圖 講解阻尼器的概念和作用，并用生活中的實例說明阻尼器的本質(zhì)是提供物體運動的反作用力。以港珠澳大橋為例介紹阻尼器在建筑中的作用，讓學(xué)生感受“大國重器”的魅力。

思考與拓展

結(jié)合實驗情況，引導(dǎo)學(xué)生思考以下問題：還可以用二維碼定位技術(shù)探究什么問題？關(guān)于大樓振動，還有哪些想要研究的問題？

設(shè)計意圖 培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維，激發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的能力和創(chuàng)造能力，讓學(xué)生能學(xué)以致用、舉一反三，鞏固本課程的學(xué)習成果。