浙江大学分营：光与影之歌

赵爱军 夏孟华

活动特色

浙江大学光学工程学科是国家重点学科，也是浙江大学最具影响力的优势学科之一。科学营特邀浙江大学现代光学仪器国家重点实验室组织相关教师和优秀研究生，采用线上直播交流互动的方式，带领来自全国各地的52 名中学生在5 堂风格各异的奇妙课程中领略光学工程学科的魅力。

活动介绍

会跳舞的线

主要介绍生活中常见的光学现象——莫尔条纹，由此引出光栅动画的工作原理，并设计3 种方法进行实验教学，教会营员使用各种软件制作“会跳舞的线”。主讲教师从典型光学系统介绍开始，引出最精密的光学系统——人眼，并向营员展示了许多有趣的视错觉现象。从人眼视觉暂留效应出发，介绍了生活中常见的莫尔纹现象，包括手机拍摄屏幕的图片、小虎队解密卡与自动扶梯等，并为实验部分的光栅动画埋下伏笔。随后，主讲教师为营员揭秘莫尔条纹的形成条件与机理，展示了条纹周期的计算过程，并邀请营员一同推导莫尔条纹的光学放大效应，帮助他们更好地理解课程内容及莫尔条纹的应用方向。最后的实验环节，主讲教师“手把手”教学，帮助营员快速上手MATLAB 编程，助教在线协助解决营员提出的各种问题，短短的半个小时，大多数营员都能较为顺利地完成例程的调试，部分营员上手很快，已经能够自行调整参数改变动画样式。

走进“机器之眼”

主讲教师带领营员使用电脑摄像头搭建人脸识别器，助教辅助讲授和答疑。主讲教师从日常生活中的应用出发，激发营员对人脸识别技术的兴趣，简要说明摄像头进行图像采集的原理和流程，并围绕1 个典型案例展开，详细介绍了神经网络发展史和通用人脸识别算法的处理流程。为了帮助营员理解算法中的数学方法，主讲教师变身灵魂画手，耐心地向营员讲解具体的计算过程。

本环节注重理论与实践的结合，理论部分结束后，主讲教师从电脑环境配置，到调用摄像头，再到最终识别人脸，手把手教营员搭建自己的人脸识别器，并向营员展示了最后的效果。营员在上课和调试程序的过程中积极提出问题，气氛活跃。针对营员的问题，主讲教师和助教也一一解答。经过不懈的努力，有15 位营员当堂完成了人脸识别器的搭建。

让光流动起来

水沿着水管流动时，使用水表可以捕捉水的运动；电沿着导线流动时，使用电表可以捕捉电的运动；有没有思考过，光是否像流体一样，也能以某种方式捕捉它的运动呢？在本环节中，将使用摄像机定格光的瞬间，施展计算机编程的魔法， 让光流动起来。

主讲教师和助教带领营员一同探究光流的奥秘。首先从日常生活中随处可见的一些例子引入流体的概念，例如水流、电流等，让营员首先对流体有一个感性的认知。随后，主讲教师对光的基本概念进行讲解， 将营员带入“光是否也可以像其他物体一样具有流动性”的疑问中。带着这个疑问，主讲教师随即展开了对光流模型及光流算法的具体讲解。1 小时左右的理论讲解后， 还为营员准备了2 个有趣的实验。

第1 个实验是让营员观察1 个旋转运动球体上各点的运动信息，并将运动信息用颜色表示出来，不同的运动方向对应不同的颜色。营员完成球体运动的可视化实验后，又通过修改滤波窗口大小、正则化系数及滤波器类型等不同参数，观察修改参数后的结果差异，并进行相应的对比分析。

第2 个实验包含基于光流法的目标跟踪及粒子图像测速PIV。主讲教师提供了示例视频，同时也鼓励营员自己拍摄视频进行实验，让营员完成对车辆的跟踪及粒子图像测速。其中，有部分营员还完成了对飞机的跟踪，效果非常不错。

手机物理工坊

智能手机发展至今，已经集成了相当多且灵敏的传感器，它们在不同方面可以实现不同的功用。比如光学传感器可以让手机感知环境的光线强度，从而调节手机屏幕的亮度；陀螺仪可以检测三维方向的角速度，可以用来导航；加速度传感器通过压电效应检测手机的加速度，可以用来计步。除此之外，还有距离传感器、麦克风、扬声器、相机、GPS、指纹传感器等。

本环节为营员讲解手机内置常用的多種传感器的基本原理及其常见用途，同时介绍了德国亚琛工业大学第二物理研究所开发的软件Phyphox，该软件利用手机自带的传感器，把智能手机打造成了一座便携式科学探究实验室，为物理创新实验教学活动提供了无限可能。本环节不仅向营员介绍了传感器的使用方法，还和营员一起做了几个基于手机传感器的物理小实验，分别是测量薄膜的透过率、测重力加速度、磁性标尺、声呐测距和自制乐器。

比如“自制乐器”实验是通过给杯子添加适量的水改变杯子的发声频率，利用“手机物理工坊”的声音频谱模块调音，制作出不同的音阶。主讲教师为营员讲解和演示了这个实验的操作思路和步骤，助教则为营员演奏了《小星星》和《欢乐颂》的片段。

在实验过程中，主讲教师带领营员深入探究影响实验结果的因素，以及如何改进实验条件以获得更加精确的测量结果，减小系统误差。营员在课程中踊跃发言，深入思考，纷纷将自己的实验结果发送到课程群中，助教耐心为营员解疑答惑，课堂气氛十分活跃。

神奇的偏振光

光是自由的，弹跳无常，各个方向都可以有，也有圆形、椭圆形等节奏。在生活中，消除反光提高摄影质量，防止汽车行驶过程中对面车灯晃眼，乃至电影院观看3D 电影等都与光的“弹跳无常”有关，本环节围绕生活中各种不同类型的光，开启了一场趣味无穷的光学之旅。

主讲教师从麦克斯韦方程切入，向营员介绍了电磁波、偏振及偏振片的概念，为后续的偏振光理论学习奠定了基础。为了让营员更加深入地认识偏振光，主讲教师依托光波的最简单形式，介绍了方程中各个参量的物理意义。

随后的小实验依托手机摄像头和偏振片就可以拍摄消除反光的图像，用塑料透明尺和偏振片就能获得缤纷绚丽的偏振图像，营员积极尝试，纷纷在活动群里晒出了自己的实验成果。

经过5 个晚上的学习和实践，营员收获满满，充分领略了光电科技的魅力，获得了前所未有的科学体验。