以图像识别技术探究物体的共振

高凯 刘彦宁 常诗妤

教学背景

传统分科式课程的学科基础知识往往局限于单个学科，不利于学生融会贯通、应用知识解决实际问题。随着我国教育课程改革的推进，国家开始鼓励跨学科课程等教育模式。参考2020 年版《普通高中通用技术课程标准》《普通高中物理课程标准》，不难发现，综合性素质提升越来越受重视，学科融合概念越来越被提倡。STEM 教育作为跨学科整合课程的一种方式，强调综合运用、解决现实问题，重视创新与实践能力的培养。本项目以学科融合为切入点，带领学生利用图像识别技术探究赛格大厦摇晃的原因，并探究解决该问题的方法，通过学生的自主探究活动，解决实际问题，锻炼学生的编程思维及创新实践能力。

教学主题

本单元课程以STEM 教育理念为依托，强调利用模拟真实情景下的复杂故事呈现问题，营造问题解决的环境，在解决问题过程中，充分发挥学生的主观能动性，帮助他们学习知识，提升技能。在课程内容设计中，以赛格大厦晃动这一热点话题为切入点，将人工智能技术作为有效的探究手段，培养学生创造、分析、评价等高阶思维。

教学实施

情景导入：赛格大厦的摇晃

2021 年5 月18 日中午时分，位处深圳华强北商业区、高达355.8 米的赛格大厦在微风中摇晃了起来，大厦内近1.5 万人撤离现场。与地震引起的大楼晃动不同，此次大楼摇晃的原因是多种因素耦合使大楼产生共振，主要是风的影响，以及地铁运行（2 条地铁从楼下经过）和温度的影响（大厦摇晃前几天气温升高，温差达8℃，对钢结构影响较大）。引导学生思考赛格大厦发生摇晃的原因是什么，以及如何减弱这种晃动？

设计意图 以赛格大厦的晃动新闻作为课程导入，提供真实问题情境，激发学生参与探究的兴趣，并发布单元主题任务。

材料准备

本课的主题为“搭建大楼模拟振动”，学生需使用积木搭建大楼模型，并用摄像头识别大楼顶端二维码中心的坐标，画出“大楼”的振幅- 时间关系图像。材料包括积木（搭建大楼主体）、摄像头（识别二维码）、二维码图（提供较为精确的位置信息），以及USB 数据线。

设计意图 组织学生在组装硬件的同时，理解各部分在项目实现过程中发挥的作用，以便在接下来的案例编程中更加合理地使用这些硬件。

测量大楼振幅

完成大楼模型搭建后，需要记录大楼的振动，测量大楼的振幅，如果直接用肉眼观察大量的振动，很难对摇晃幅度相差不大的情况进行比较，因此需要利用摄像头代替肉眼测量大楼的振幅，不仅能保存数据、反复观看，还能利用图像识别技术测量大楼模型的振幅。为了实现这个功能，需要在大楼顶部做一个合适的标记，当标记偏离摄像头正对区域时，图像会发生变形，不利于识别，但是二维码有定位功能，可自動矫正图片，能更准确地获取信息。为方便识别和记录，可用二维码表示大楼顶部某一点的运动，这样一来，即使摄像头的摆放位置有些偏移，没能正对大楼，图像识别程序也能从视频中确认二维码的位置。

编写二维码定位程序

为了从图片中识别二维码的坐标，锁定二维码的位置，可以通过以下程序：

设计意图 通过了解二维码定位程序的编写，加深对编程模块的理解，为场景式项目实践作铺垫。

探究实践项目

实验目的

利用模型，设计实验探究减小大厦振幅的方法，探究阻尼器对大楼阻尼振动振幅的影响。

实验方案

①在大楼的下方悬挂阻尼器，运行二维码定位程序，用手使大楼倾斜到某一个角度，静止释放，让大楼做阻尼振动，用摄像头记录大楼的振动情况，利用程序画出大楼的振幅- 时间关系图像，对照实验为不使用阻尼器，其他步骤相同。②比较2 种情况下振幅- 时间关系图，观察悬挂阻尼器后大楼振幅是否减弱，填写实验报告。

注意事项

①大楼的倾斜角度不能过大，以免倒塌。②先打开图像识别程序，待弹窗出现稳定且准确的红框时再释放大楼，以免得到错误的坐标，比如图3 中2 张图最左端的波谷应该相同，但左图由于二维码识别不稳定，得到的波谷过小。③将大楼放在光线合适的环境里，过亮或过暗均可能导致二维码识别失败。④避免阻尼器在摇晃过程中撞到大楼主体。

实验结论

在大楼下方悬挂阻尼器，可减小大楼阻尼振动的振幅。

总结与延伸

阻尼器是一种提供物体运动的阻力、耗减物体运动能量、使物体保持稳定状态的装置。建筑工程中广泛应用的是调谐质量阻尼器（tuned mass damper），俗称“风阻尼器”，由弹簧、阻尼器和质量块组成，一般支撑或悬挂在结构上，主要结构形式分为抗垂向振动和抗水平振动两种。

港珠澳大桥成功抵御16 级台风“山竹”的侵袭，其中一个关键技术就是调谐质量减振器（TMD）。港珠澳大桥的TMD 高3 米左右，其频率与钢箱梁频率非常接近。当风引发桥体振动时，挂着的质量块会自动反相位振动，桥往上它往下，桥往下它往上，弹簧进而不断拉长、压缩，与弹簧并连的阻尼器为耗能器，在反相位振动过程中消耗能量并转化为热量，风能也随之转化成为热量。因此，“山竹”台风来袭时，桥体振动很小，桥体安全得到保障。

设计意图 讲解阻尼器的概念和作用，并用生活中的实例说明阻尼器的本质是提供物体运动的反作用力。以港珠澳大桥为例介绍阻尼器在建筑中的作用，让学生感受“大国重器”的魅力。

思考与拓展

结合实验情况，引导学生思考以下问题：还可以用二维码定位技术探究什么问题？关于大楼振动，还有哪些想要研究的问题？

设计意图 培养学生的发散思维，激发学生发现问题的能力和创造能力，让学生能学以致用、举一反三，巩固本课程的学习成果。