宋洪曉

（山東大學(xué)物理學(xué)院<物理國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心（山東大學(xué)）>，山東 濟(jì)南 250100）

科技攝影又叫科學(xué)攝影，是攝影藝術(shù)在科學(xué)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(jué)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(xué)科邊界的產(chǎn)物。 攝影通過(guò)定格瞬間的方式記錄世界，可以提高人眼的時(shí)間分辨能力和空間分辨能力。 早在1872年，邁布里奇就通過(guò)多個(gè)相機(jī)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(huì)四蹄騰空的爭(zhēng)論[1]。現(xiàn)代的顯微鏡攝影、望遠(yuǎn)鏡攝影、高速攝影、延時(shí)攝影、紅外攝影等更是科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域重要的輔助觀測(cè)手段，更是生物學(xué)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(guó)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(qiáng)烈。同時(shí)，科技攝影還可以提高學(xué)生的藝術(shù)素養(yǎng)，培養(yǎng)他們的實(shí)踐精神與鍛煉動(dòng)手能力。 為此，從2018年起在山東大學(xué)物理學(xué)院開(kāi)設(shè)了 “科技攝影與物理影像”的選修課程。本文對(duì)科技攝影課程知識(shí)體系和教學(xué)方法等方面內(nèi)容進(jìn)行探討。

1 科技攝影課程知識(shí)體系

科技攝影涉及藝術(shù)和自然、工程等學(xué)科，對(duì)課程教學(xué)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(guó)內(nèi)在科技攝影教學(xué)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(jì)90年代出版[4]，各種期刊上相關(guān)的文獻(xiàn)也不多。

作者根據(jù)自己對(duì)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(shí)體系。因?yàn)閷?duì)物理專業(yè)學(xué)生開(kāi)課，所以科技攝影課程主要講授物理為主及理科相關(guān)學(xué)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(shí)踐知識(shí)。

1.1 常規(guī)攝影知識(shí)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(kuò)展和延伸，優(yōu)先使用的還是常規(guī)攝影器材和常見(jiàn)的拍攝方法，當(dāng)常規(guī)的鏡頭、機(jī)身和拍攝方法不能滿足科技攝影拍攝題材的要求時(shí)，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(shí)是科技攝影知識(shí)的基礎(chǔ)，科技攝影也需要先從攝影的基本理論講起， 同時(shí)構(gòu)圖、光影等美學(xué)方面的知識(shí)和理論也是必需的。

光學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，為了更好地觀察光學(xué)現(xiàn)象，往往在暗室中進(jìn)行操作。記錄這些微弱光學(xué)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(shí)驗(yàn)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(lái)說(shuō)，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(xì)小的物體形態(tài)則需要借助光學(xué)工具。在攝影的習(xí)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(shí)現(xiàn)更大的放大率則需要使用顯微鏡[5]。借助光學(xué)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(xì)胞。顯微鏡轉(zhuǎn)接相機(jī)的時(shí)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(xué)顯微鏡可以轉(zhuǎn)接普通相機(jī)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(duì)的， 是望遠(yuǎn)鏡攝影。望遠(yuǎn)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(lái)看不清的物體形態(tài)，在望遠(yuǎn)鏡后面接上相機(jī)，就是望遠(yuǎn)鏡攝影。 使用天文望遠(yuǎn)鏡觀察、拍攝天象需要添加可以反向轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)間分辨能力的拍攝方法

從時(shí)間分辨能力上來(lái)說(shuō)， 因?yàn)槿搜鄣囊曈X(jué)暫留現(xiàn)象，人無(wú)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(jué)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(jī)為代表，能實(shí)現(xiàn)短時(shí)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(shí)現(xiàn)更高的采樣頻率。

與高速攝影相對(duì)，延時(shí)攝影則可以將緩慢變化的過(guò)程采用隔一段時(shí)間拍攝一張的方法記錄下來(lái)，把這些照片制作成視頻，按照正常的幀頻播放則會(huì)產(chǎn)生快鏡頭的效果。 更容易看出一些改變緩慢的過(guò)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(jiàn)光只是波長(zhǎng)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(kuò)展就是不可見(jiàn)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(jí)研究生才會(huì)根據(jù)研究需要參加相關(guān)培訓(xùn)和考取。 但是作為理論知識(shí)學(xué)習(xí)，尤其是輻射安全等方面的知識(shí)學(xué)習(xí)仍然是很有必要的。

1.5 科技攝影課程知識(shí)體系的構(gòu)建

通過(guò)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(gè)科技攝影課程的知識(shí)清單。首先是攝影基礎(chǔ)知識(shí)（相機(jī)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(xué)暗室攝影、星野攝影等），然后是對(duì)人眼觀察能力的各種擴(kuò)展。擴(kuò)展人眼空間分辨率的：微距攝影、顯微攝影、望遠(yuǎn)鏡攝影（生態(tài)動(dòng)物、天體）。 擴(kuò)展人眼時(shí)間分辨率的：高速攝影（閃光高速攝影、高速攝像）、延時(shí)攝影。 擴(kuò)展人眼頻譜寬度的不可見(jiàn)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(shí)。

結(jié)合物理專業(yè)學(xué)科特色和學(xué)生需求， 加入了物理科普?qǐng)D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(jiàn)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(xué)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(gè)拍攝題材都包括相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識(shí)、拍攝器材、拍攝方法和技巧等內(nèi)容。作者從各個(gè)方面進(jìn)行內(nèi)容的搜集整理，例如，借鑒天文學(xué)的天體攝影、醫(yī)學(xué)的顯微攝影、軍事學(xué)的高速攝影等部分內(nèi)容，并收集整理了國(guó)內(nèi)外攝影網(wǎng)站上如閃光拍攝高速運(yùn)動(dòng)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(shuō)明書。很多內(nèi)容的廣度與深度都在進(jìn)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(shí)程度有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；R為水力半徑，m。

2.2 開(kāi)課時(shí)間及授課方式

課程第一次開(kāi)課安排在秋季學(xué)期，選課學(xué)生為大三上。學(xué)生對(duì)其中的天文、星野攝影等內(nèi)容興趣很高，剛剛講完就有學(xué)生利用周末到郊區(qū)戶外整晚拍攝星空，這時(shí)北方已經(jīng)進(jìn)入冬天，非常辛苦。為了便于戶外實(shí)踐， 后續(xù)開(kāi)課時(shí)作者申請(qǐng)將課程更改到大二下，春季學(xué)期開(kāi)課，這樣學(xué)生到戶外進(jìn)行星空實(shí)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(xué)生比較陌生。 為了提高教學(xué)效果，作者在理論授課中將體積較小，便于移動(dòng)攜帶的拍攝器材如三目顯微鏡、體視顯微鏡、微距鏡頭和補(bǔ)光燈、星野赤道儀、激光觸發(fā)控制器、航拍無(wú)人機(jī)等設(shè)備帶入課堂，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行操作演示，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)物的認(rèn)識(shí)和理解。

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

2.3 拍攝實(shí)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(shí)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(kāi)設(shè)單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室參觀、拍攝，大量拍攝實(shí)踐由學(xué)生課后自行安排時(shí)間進(jìn)行。 小型的拍攝設(shè)備如光學(xué)顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡等可以由學(xué)生借回宿舍輪流使用，實(shí)踐部分的講義正在編寫完善中。

在考察方式上，以平時(shí)作業(yè)與最終實(shí)踐拍攝以及課程論文結(jié)合的方式進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3 授課效果及學(xué)生評(píng)價(jià)

經(jīng)過(guò)三輪授課，在授課時(shí)間安排、課程知識(shí)體系、授課內(nèi)容等方面進(jìn)行了大量探索和磨合，目前已經(jīng)相對(duì)穩(wěn)定。 選課人數(shù)也越來(lái)越多，物理學(xué)院每年學(xué)生數(shù)大約150人，第一輪開(kāi)課有30人選課，第二輪開(kāi)課選課人數(shù)為47人，第三輪開(kāi)課選課人數(shù)為55人。

學(xué)生們對(duì)新開(kāi)設(shè)的課程給予了非常大的包容和較高的評(píng)價(jià)， 積極參與到課程實(shí)踐拍攝等環(huán)節(jié)中來(lái)。選課學(xué)生在課程中動(dòng)手能力、實(shí)踐能力得到了有效提高，科技攝影水平明顯提高，參加學(xué)校攝影比賽也取得較好成績(jī)，拍攝的光學(xué)實(shí)驗(yàn)室照片被選入學(xué)院宣傳畫冊(cè)。

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

4 結(jié)語(yǔ)

“科技攝影與物理影像”課程在攝影藝術(shù)與理科教學(xué)結(jié)合方面進(jìn)行了探索。 可以提高學(xué)生藝術(shù)素養(yǎng)、培養(yǎng)創(chuàng)新精神、實(shí)踐精神，鍛煉動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)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(duì)科技攝影的教學(xué)和應(yīng)用進(jìn)一步推廣，助力應(yīng)用型、復(fù)合型人才的培養(yǎng)，也推動(dòng)我國(guó)科技、 科普領(lǐng)域攝影作品數(shù)量的增多和質(zhì)量的提升。