大学科技摄影选修课程的内容及教法研究

宋洪晓

（山东大学物理学院<物理国家级实验教学示范中心（山东大学）>，山东 济南 250100）

科技摄影又叫科学摄影，是摄影艺术在科学技术领域的延伸，大量精美的科技摄影作品不仅仅在视觉艺术上让人大饱眼福，也是科研记录、科普宣传的重要方式，是摄影艺术外延跨越学科边界的产物。 摄影通过定格瞬间的方式记录世界，可以提高人眼的时间分辨能力和空间分辨能力。 早在1872年，迈布里奇就通过多个相机连续拍摄方式，终结了斯坦福与科恩关于奔马是否会四蹄腾空的争论[1]。现代的显微镜摄影、望远镜摄影、高速摄影、延时摄影、红外摄影等更是科学研究、工业生产等领域重要的辅助观测手段，更是生物学等领域不可或缺的记录方式[2]。 随着摄影技术和现代科技日新月异的发展，国内科普[3]、科研、教材建设等领域对优秀科技摄影作品的需求也日趋强烈。同时，科技摄影还可以提高学生的艺术素养，培养他们的实践精神与锻炼动手能力。 为此，从2018年起在山东大学物理学院开设了 “科技摄影与物理影像”的选修课程。本文对科技摄影课程知识体系和教学方法等方面内容进行探讨。

1 科技摄影课程知识体系

科技摄影涉及艺术和自然、工程等学科，对课程教学内容的广度和深度，任课教师的艺术素养、科研背景等各方面都提出了较高的要求。 目前，国内在科技摄影教学方面的资料较少，能够搜索到的最近一本《科技摄影》教材还是20世纪90年代出版[4]，各种期刊上相关的文献也不多。

作者根据自己对摄影和科技摄影的理解，主要采用需求倒推的方式确立科技摄影的课程知识体系。因为对物理专业学生开课，所以科技摄影课程主要讲授物理为主及理科相关学科科研及科普中常用的摄影拍摄方法，以及这些拍摄方法需要的摄影理论及实践知识。

1.1 常规摄影知识是科技摄影的基础

科技摄影是摄影艺术在科技领域的扩展和延伸，优先使用的还是常规摄影器材和常见的拍摄方法，当常规的镜头、机身和拍摄方法不能满足科技摄影拍摄题材的要求时，再根据需要使用非常规的设备和拍摄方法。

因此， 常规的摄影知识是科技摄影知识的基础，科技摄影也需要先从摄影的基本理论讲起， 同时构图、光影等美学方面的知识和理论也是必需的。

光学实验室中，为了更好地观察光学现象，往往在暗室中进行操作。记录这些微弱光学现象的弱光摄影拍摄手法类似于夜景拍摄。而弱光摄影拍摄的内容从实验室延伸到大自然户外， 拍摄夜晚的星空银河，以及星空下美妙的地景，就是星野摄影。

1.2 提高人眼空间分辨能力的拍摄方法

从空间分辨能力上来说，人眼在25厘米左右的明视距离上能够分别出间距0.2毫米的条纹， 如果要观察更细小的物体形态则需要借助光学工具。在摄影的习惯分类上， 把传感器上成像和原物等大称为1∶1微距摄影， 成像放大到原物的1倍到5倍之间都在微距（或超微距）摄影范畴内，而实现更大的放大率则需要使用显微镜[5]。借助光学显微镜，人眼的分辨本领能提高1000倍， 到0.2纳米小于微米， 可以看清生物的细胞。显微镜转接相机的时候，只有物镜组起放大作用，空气系物镜放大倍率最高为40倍， 油浸物镜一般为100倍。而使用电子显微镜，能把人眼的分辨本领再提高1000倍，到0.2微米，可以看到物质结构中的原子排列。 一般光学显微镜可以转接普通相机拍摄，原子显微镜则自带数字成像系统。

与微距摄影和显微摄影相对的， 是望远镜摄影。望远镜和显微镜类似，都是放大视角，增加人眼的空间分辨本领， 让人能够看清原来看不清的物体形态，在望远镜后面接上相机，就是望远镜摄影。 使用天文望远镜观察、拍摄天象需要添加可以反向转动抵消地球自转影像的设备，如赤道仪等。 赤道仪作为天文摄影的基础设备，其调整和使用是重要的内容。

1.3 提高人眼时间分辨能力的拍摄方法

从时间分辨能力上来说， 因为人眼的视觉暂留现象，人无法观察到快速变化的瞬间，传统电影每秒播放24帧画面就已经能够让人感觉栩栩如生。高速摄影的诞生才让人有了看清高速变化中的物体瞬间形态的方法。高速摄影主要有两种方法， 一种是以哈罗德·埃杰顿为代表的使用闪光灯凝固瞬间的高速闪光摄影方法[6]，另外一种就是连续高速摄像然后查看单张图片或者慢镜头播放的方法， 民用的高速摄像以SONY黑卡相机为代表，能实现短时间1000帧/秒的记录，以25帧/秒回放就是40倍的慢镜头。 科研使用的高速摄像设备则可以实现更高的采样频率。

与高速摄影相对，延时摄影则可以将缓慢变化的过程采用隔一段时间拍摄一张的方法记录下来，把这些照片制作成视频，按照正常的帧频播放则会产生快镜头的效果。 更容易看出一些改变缓慢的过程的变化规律。

1.4 提高人眼频谱宽度的拍摄方法

人眼能够感受到的可见光只是波长从400微米到760微米之间的一小段电磁波， 常规的成像传感器也工作在这一范围。将其响应频谱扩展就是不可见光摄影，例如，红外摄影、X光摄影等。 X光属于高能射线，按照规定操作相关仪器需要有辐射人员资格证书，一般高年级研究生才会根据研究需要参加相关培训和考取。 但是作为理论知识学习，尤其是辐射安全等方面的知识学习仍然是很有必要的。

1.5 科技摄影课程知识体系的构建

通过前面的分析，根据科研和生产、科普的需要，可以列出一个科技摄影课程的知识清单。首先是摄影基础知识（相机操作、光圈、快门、构图、光影等）和常规器材的应用拓展（光学暗室摄影、星野摄影等），然后是对人眼观察能力的各种扩展。扩展人眼空间分辨率的：微距摄影、显微摄影、望远镜摄影（生态动物、天体）。 扩展人眼时间分辨率的：高速摄影（闪光高速摄影、高速摄像）、延时摄影。 扩展人眼频谱宽度的不可见光摄影（红外摄影、X光摄影）等，以及相关的图片、视频后期处理、剪辑等知识。

结合物理专业学科特色和学生需求， 加入了物理科普图像、图像的物理意义等方面的一些内容，将课程名称定为了“科技摄影与物理影像”。 章节安排见表1。

表1 “科技摄影与物理影像”课程章节安排

2 科技摄影教学与授课

2.1 组织授课内容

确定“科技摄影与物理影像”课程讲授内容的框架之后， 每一个拍摄题材都包括相关领域的基础知识、拍摄器材、拍摄方法和技巧等内容。作者从各个方面进行内容的搜集整理，例如，借鉴天文学的天体摄影、医学的显微摄影、军事学的高速摄影等部分内容，并收集整理了国内外摄影网站上如闪光拍摄高速运动等零散摄影技巧，也参考了部分科研仪器影像采集系统的说明书。很多内容的广度与深度都在进行探索与磨合。

式中，VH 为临界不冲流速，m/s；dcp为渠床土粒平均粒径，m；A为与渠床土壤密实程度有关的经验系数；R为水力半径，m。

2.2 开课时间及授课方式

课程第一次开课安排在秋季学期，选课学生为大三上。学生对其中的天文、星野摄影等内容兴趣很高，刚刚讲完就有学生利用周末到郊区户外整晚拍摄星空，这时北方已经进入冬天，非常辛苦。为了便于户外实践， 后续开课时作者申请将课程更改到大二下，春季学期开课，这样学生到户外进行星空实践拍摄也是夏季夜晚，户外环境更舒适一些。

科技摄影使用各种特殊摄影器材较多，很多器材学生比较陌生。 为了提高教学效果，作者在理论授课中将体积较小，便于移动携带的拍摄器材如三目显微镜、体视显微镜、微距镜头和补光灯、星野赤道仪、激光触发控制器、航拍无人机等设备带入课堂，现场进行操作演示，增强学生对实物的认识和理解。

2020年上半年疫情期间， 正赶上课程第三轮开课，笔者采用校内教学平台直播和录播结合的方式进行了一个学期线上授课，为进一步建设线上课程打下了良好的基础。

2.3 拍摄实践及课程考察

科技摄影拍摄内容比较广泛，有些受天气等因素影像比较大，如星野、天文摄影；有些贵重科研仪器只能讲授原理，实践需要研究生阶段以后，如电子显微镜、X光摄影等。 受各种条件制约，目前开设单独的实验课程条件还不太成熟，因此课内只安排了一次到物理演示实验室参观、拍摄，大量拍摄实践由学生课后自行安排时间进行。 小型的拍摄设备如光学显微镜、望远镜等可以由学生借回宿舍轮流使用，实践部分的讲义正在编写完善中。

在考察方式上，以平时作业与最终实践拍摄以及课程论文结合的方式进行评价。

3 授课效果及学生评价

经过三轮授课，在授课时间安排、课程知识体系、授课内容等方面进行了大量探索和磨合，目前已经相对稳定。 选课人数也越来越多，物理学院每年学生数大约150人，第一轮开课有30人选课，第二轮开课选课人数为47人，第三轮开课选课人数为55人。

学生们对新开设的课程给予了非常大的包容和较高的评价， 积极参与到课程实践拍摄等环节中来。选课学生在课程中动手能力、实践能力得到了有效提高，科技摄影水平明显提高，参加学校摄影比赛也取得较好成绩，拍摄的光学实验室照片被选入学院宣传画册。

在课程内容建设和学生拍摄实践的选题中， 作者结合大学物理教材建设， 有意识地在目前影像资料较少的章节自主拍摄或者引导学生拍摄， 希望通过一段时间， 建设一个内容比较丰富全面的物理科技影像资料库。学生虽然拍摄器材和摄影水平不够完美，但是通过发散的思维和宽阔的知识涉猎提出了很多精彩的创意，可以为资料库进一步创作完善提供宝贵的思路。

4 结语

“科技摄影与物理影像”课程在摄影艺术与理科教学结合方面进行了探索。 可以提高学生艺术素养、培养创新精神、实践精神，锻炼动手能力和团队协作能力。 等他们走向科研一线，也将能拍摄创作出更多的科技摄影作品。 有必要对科技摄影的教学和应用进一步推广，助力应用型、复合型人才的培养，也推动我国科技、 科普领域摄影作品数量的增多和质量的提升。