浅谈手机拍照功能在应用光学课程教学中的应用

2023.06.06

周伟平吴熳刘琼姜春蕾柴一峰刘明伟

摘要：随着移动通信技术的高速发展，手机成为人们生活中必备的电子产品，在课堂玩手机已严重地影响了教学质量。通常拍照是手机具备的基本功能之一，而应用光学课程主要讲解成像相关知识，利用手机的拍照功能在理论教学中引入实践操作，使得课程学习与日常生活紧密联系，极大地提高学生的学习积极性和学习效果。本文根据教学实践举例介绍怎样结合智能手机的拍照功能讲解应用光学的相关知识点，促进课程教学改革，提高教学质量。

关键词：应用光学;手机拍照;教学方法

一、概述

伴随着5G网络时代的发展，智能手机逐渐成为日常生活的必需品。智能手机的普及也显著改变了人们生活、学习、工作等习惯。人们使用手机的时间也越来越多。据相关的调查发现大学生使用手机时间最长，并且频率也最高。大学生中每天使用手机2小时以上的达到98%左右[1]。随着使用时间的增加，使用手机的场所也越来越多。除了生活中，课堂上使用手机的频率也变高。因此社会各界也高度关注智能手机对高校课堂教学的影响。如何处理智能手机对课堂教学的影响是一个值得深思的问题。如果在教学中能合理利用，不仅促进师生互动，而且能提高教学效果。

应用光学是高等学校光电测控、光学仪器、光电信息工程等专业的专业基础课，是光电子技术、光纤通信、激光原理等专业课程的基础课程之一，同时也是光学相关专业的考研专业课，从这可以看出其重要性不言而喻[2]。应用光学以几何光学的基本定律为基础，利用几何射线的方法研究光的传播规律、成像特性、相关光学原理以及光学系统的设计。应用光学这门课程的特点是概念和公式繁多、同时抽象易混（比如主点、主平面、焦点、焦平面、节点、节平面;垂轴放大率、轴向放大率、角放大率等）。整个课程公式的推导和计算较多，对学生的数理基础要求较高。当学生看到大量的公式推导计算和繁多易混的抽象概念时难以对该门课程的学习产生兴趣。而目前该门课程的教材内容与实际应用联系较少。传统的教学方式主要依赖于教材内容，一般主要进行公式的推导和理论的讲解。很少将其中的内容和日常生活聯系起来，所以课堂显得枯燥而乏味。这样的教学方式较难达到较好的教学效果。有研究对学生进行调查后发现，约50%的学生认为光学相关课程的内容过多，理论较难理解和接受;20%的学生认为课程内容无趣，对此没有多少学习兴趣[3]。所以需要考虑如何把枯燥的理论知识和日常生活联系起来进行讲解，提高学生的学习兴趣。使得学生易于对课堂知识的消化吸收，并且培养学生运用所学的光学知识分析和解决生活中遇到的光学问题的能力。

目前手机拍照功能发展迅速。华为手机镜头都达到了4000万像素，接近专业照相机的水平。针对学生使用手机的特点和应用光学学科内容的特点。可以把手机拍照功能引入到应用光学课堂教学中来。所以本文从应用光学课程内容的特点出发，结合目前智能手机的发展趋势及特点。提出在相关知识点的讲解时结合手机拍照的功能进行直观易懂的课堂教学和现场实验。为激发学生对应用光学课程的学习兴趣，培养学生理论联系实际的能力提供一种可参考的教学方式。

二、教学实践及举例分析

（一）在绪论中引入手机拍照功能介绍

绪论起着总揽教材纲领的作用，绪论课是对学生的启动与激发。一门课程的第一章绪论部分的讲述能在很大程度上影响学生对这一门的学习兴趣。所以绪论部分的结构设计及内容选择需要尽可能的吸引学生的注意，培养学生对这门课的兴趣和好奇心。尤其理论性比较强的学科更加需要注意这方面的内容。应用光学主要涉及的就是物象之间的关系。在日常中相关的应用就是摄影和拍照。目前人们拍照用的比较多的是手机拍照，所以在绪论的讲述中我们可以基于学生对手机中应用比较多的拍照功能去引出这门课程的学习内容与学习意义。比如可以从网上调侃的别人家男朋友拍的照和自己男朋友拍照的不同去描述学好拍照在日常生活中起的作用，如图1所示。或者引用目前手机宣传的时候描述手机支持广角超广角的功能，提问广角和超广角具体的区别是什么，原理是什么。另外在现在很多手机拍照的设置有专业模式，里面需要自己选择光圈大小，或者选择曝光时间。怎么样去选择光圈，怎么样去选择曝光时间？这些内容都是应用光学里面学习的内容。所以要想弄清楚这些问题就需要同学们好好学习我们这门应用光学课程。通过列举类似的与日常生活相关的例子引起学生对该门课程的学习兴趣。

（二）讲解曝光量对拍照的影响

定义曝光量H为照相物镜的像平面照度E和曝光时间t的乘积。所以曝光量的计算公式为H=Et。曝光量会很直接影响照片的效果。曝光不足的话整个画面会发暗甚至发黑，照片细节会丢失。曝光过度的话会是整个照片发白，颜色会失真，同样细节也会损失。通过公式可以计算曝光量，但是在讲解这个知识点的时候学生也没有直观感觉。目前手机能直接调节曝光量，这时可以让学生打开手机拍照功能拍摄一组照片进行验证。如图2所示为不同曝光情况下的拍照效果。通过设置不同曝光量拍摄的照片有很明显的区别。从曝光过度的照片发白现象到曝光不足画面发黑现象可以看出区别很明显。通过这样对比讲解让学生对曝光量对拍照的影响有直观理解。同时以后在看到类似效果的照片时能知道是为什么产生的这一现象。

（三）光圈知识点的讲解

相对孔径RA为照相物镜的最大孔径D与照相物镜的焦距f′的比值。相对孔径的倒数为F数，而F数在照相机领域就是所说的光圈了。光圈主要是控制进光量。光圈越大进光量越大，画面也就越亮;光圈越小进光量越小，画面也就越暗。同时大光圈景深浅，使对焦点清晰，而其他部分相对模糊。小光圈景深大，不在同一焦平面的整个画面都清晰。目前手机拍照可以设置的功能越来越多，其中光圈大小也可调。在讲解该知识点时可以利用手机中光圈可调的功能去观察光圈变化对照片的影响。让学生设置不同的光圈大小拍摄桌面上的物体。图3为利用手机在不同光圈下拍摄的照片。分析拍摄的照片，对比不同光圈下照片的区别。从图中可以看出，不同光圈下拍摄的照片中后面窗帘的清晰度明显不一样。而如何选择合适的光圈呢？这时就可以引出我们光圈的计算公式。这样学生在接受这个知识点的时候就有了直观的印象。

（四）广角镜头与标准镜头的区别

在讲解这个知识点的时候可以直接从手机拍照中摄像头的参数宣传引出该知识点的学习。目前手机拍照除了宣传其像素的提升外还有很多其他功能。比如手机拍照也支持广角或者超广角功能。之前利用手机拍照时为了拍摄更宽广的画面需要拉远镜头和拍摄物的距离。而有了广角功能后可以开启广角功能就能直接拍摄视野更大的照片。目前有些手机配备广角甚至超广角镜头。在讲解该知识点时也可以让学生拿出手机来通过切换镜头直观的感受广角镜头在拍照的时候的区别。如图4所示，就是利用不同手机镜头拍出来的照片。对比发现很明显广角镜头的取景范围要大很多。为什么会大很多呢，这时就可以引出广角镜头参数的讲解。因为广角镜头的视场角不同。视场角2ω大于60度的物镜称为广角物镜，视场角2ω大于90度的物镜称为超广角物镜。因为视场角不同所以拍攝的景物范围有明显的差别。

三、结语

应用光学有很大一部分内容涉及成像知识。为了提高学生的学习兴趣，加深学生对知识点的理解以及直观的感受，本文列举了将几个应用光学中的知识点如何结合手机拍照功能进行讲解。类似的还有很多其他的知识点，比如景深、焦距、成像幅面等。通过结合手机拍照功能的讲解以及学生课堂上现场的实验，能给相关知识点的讲解提供一种更直观更有效的方式，同时也能缓解学生利用手机做课堂无关的事情，以及在之后用到手机拍照功能的时候能进一步复习巩固相关知识点，加深对相关知识点的掌握。这样既活跃了课堂气氛，增强了师生之间的互动，同时又能更好地讲解和加深学生的理解，启发学生从生活实例中思考其中涉及的光学原理。

参考文献：

[1]黄俊霞，梁雅丽，陈佰锋，等.大学生手机使用及依赖现状研究[J].中国卫生事业管理，2018，（7）：534-537.

[2]赵瑞，孔梅梅，彭玲，等.“应用光学”课程教学模式改革[J].电气电子教学学报，2015，37（3）：33-36.

[3]李桂华，张梅，马修水，毕涛.在“工程光学”课程教学中开展互动学习的探索和实践[J].合肥工业大学学报（社会科学版），2010，24（02）：9-12.

基金项目：2019年湖南省教育厅“普通高等学校教学改革研究项目”（编号：G21916）;2018年湖南科技大学“教学研究与改革项目”（编号：G31819）