科技館光學展品研究

高月 溫琳琳

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201720003

摘要：從古至今，在光學領域的科技發展對世界的影響也非常明顯。在科技館內，光學類的展品推陳出現，雖不能全面展現出光學的博大精深，但是也能起到為大眾進行基礎經典光學的科普作用。本文將從光學學科在科技館內的展示方式來淺談一下光學展品的發展演變。

關鍵詞：科技館；光學；展品；發展

光學是物理學的一個重要分支學科。圭表是人類最早創造并使用的光學儀器，由圭和表兩部分組成。中國西周丞相周公旦（公元前約1105年）在河南登封縣設置了世界上最早的計時器圭表。人們可以從太陽照射圭的影子對照表上的刻度來計時了。

約在公元前400多年（先秦年代），中國的《墨經》中就記載了世界上最早的光學知識，中國科技館主展廳不但有墨子像，還有“小孔成像”和“光是什么”兩件展品介紹墨子的光學成就[1]。 它有8條關于光學的記載，它們依次是：影子生成的道理；光線與影的關系；光線直線行進實驗；光的反射特性；從物體與光源的相對位置關系確定影子大??；平面鏡的反射現象；凹面鏡的反射現象；凸面鏡的反射現象。在這些敘述中，說明了影的定義和生成，光的直線傳播性和針孔成像，并且以嚴謹的文字討論了在平面鏡、凹球面鏡和凸球面鏡中物和像的關系，這些知識都遠早于世界其他國家。《墨經》是人類最早的光學書籍，是我們中華民族的祖先對人類早期文明的巨大貢獻。

在《墨經》之后，漢代的劉安、王充，張衡都對光學的發展起到了推動作用。晉代的張華、唐朝的譚峭等道士、也分別繼承了先賢的知識并且開始涉獵透鏡。宋代的沈括是推進光學的代表人物，他不但對先賢的原理進行了準確生動的描述，并且嘗試提出光學理論即格術。明清時代的學者對西洋光學也進行了總結和發揮，但是中國古人對光學的研究雖然比較早，但是主要是一些觀察和簡單制作，缺乏嚴謹的光學幾何知識的支撐并沒有將我國的光學發揚光大乃至與世界先進水平相差巨大。我國在近代對于光學的研究基本上難以突破，直到新中國成立后，中國光學才取得了重大的進展，在中國邁向信息社會的進程中和四個現代化建設中作出了應有的貢獻，并在國際光學界占有一席之地[2]。

1 我國科技館的光學經典展品

在我國科技館的展品中，每個科技館都會有一些光學類的展品，或多或少的展示出了以上光學的基本原理。光沿直線傳播/影子類別的展品有《光影》、《小孔成像》等，在遼寧省科學技術館內對應的展品是《月亮、光、影子》和《我們的眼睛》。平面鏡反射類別的展品有《潛望鏡》、《望遠鏡》等，在遼寧省科學技術館內對應的展品是《鏡子迷宮》和《迷你鏡陣》。凹球面鏡和凸球面鏡中物和像的關系類別的展品有《哈哈鏡》等，在遼寧省科學技術館內對應的展品是《看得見摸不著》和《凹面鏡成像》。

2 科技館中的新興光學類展品

我國的科技館中的光學類展品大多以此類光學基本原理為主，向現代科學中的光學引申不多。但是隨著科學技術的發展，科技館的從業人員也開始逐漸的展示出一些新型的光學展品：

一類是偏振光（偏振片疊加、液晶玻璃、調光玻璃）、電腦摳像技術、全息圖像等類展品，這些類展品已經逐漸出現在很多科技館的展廳內，對于大型科技館已經是標配展品，對于光學展品展示最齊全的科技館是長春中國光學科學技術館，是我國唯一的國家級光學專題科技館，是由王大珩、丁衡高、周炳琨、母國光四位院士向溫家寶總理提議，溫總理親自批示建立的大型光學科普基礎設施。遼寧省科學技術館中的探索發現展廳內的所有光學展品均由德國阿基米德公司設計，德國賀廷根公司和荷蘭BRUNS公司制作，展品原理準確，展示方法和展品制作質量與國際接軌，將很多國內的老式光學類展品的展示方式提高了一個臺階，例如《加色法》、《光具座》、《丁達爾現象》、《衍射格柵》、《偏振光》、《鏡子迷宮》、《潛望鏡》、《三棱鏡折射》等。

另一類是新興的全息投影、增強現實（Augmented Reality，AR）和虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術類展品，這些展品融合了光學、傳感器、通信、信息處理和計算機圖形等技術，這些展品代表了科技館中的光學類展品的最高水準。目前尤其以虛擬現實能最好的為體驗者提供一個關于視覺、聽覺、肢體感覺等感官的模擬，有知足的“沉浸感”與“身臨其境”[3]。以下分別介紹：

全息特指一種技術，可以讓從物體發射的衍射光能夠被重現，其位置和大小同之前一模一樣。從不同的位置觀測此物體，其顯示的像也會變化。因此，這種技術拍下來的照片是三維的。全息這項技術可以被用于光學儲存、重現，同時可以用來處理信息。我國科技館中制作此類展品都是通過全息投影的方式進行展示，部分科技館也在科普影院中采用了真人演員與全息投影結合的方式進行科普舞臺劇演示，效果很好。

增強現實技術是由虛擬現實技術發展而來，增強現實技術能夠把虛擬信息（物體、圖片、視頻、聲音等等）融合在現實環境中，將現實世界豐富起來，構建一個更加全面、更加美好的世界（例如遼寧省科學技術館的《“增強的”未來》展品）。增強現實在科技館中的應用最好莫過于科學歷史陳列類展品的應用，觀眾不但可以聽過高清視頻眼鏡看到解說詞，還在參觀展品時通過AR技術看到展品重要部件的數據，身臨其境的感受陳列展品的宏大魅力，并且能夠與展品進行交互體驗。

虛擬現實技術利用計算機創造一個虛擬空間，利用虛擬現實眼鏡能夠使用戶完全沉浸在一個虛擬的合成環境中，無法看到真實環境；利用雙目視覺原理，虛擬世界在眼鏡中是3D立體的。目前國內很多科技館都在展廳內展示了VR展品，雖然目前都是一些運動體驗類或者游戲類的體驗內容，但是VR未來在科技館展品上應用還是很遠大的，例如將一些抽象的科學原理、互動很危險很復雜、空間原因造成無法互動的一些原本只能靠制作大型固定展品讓觀眾館看的展品通過VR的方式展示給觀眾。

為了能與觀眾進行互動，在互動中讓觀眾體會到科學發展史和科學內容，在科技館中無法將光學在所有行業中的發展和應用展示出來，例如醫學、能源、存儲、信息傳輸、量子技術、顯微技術、天文望遠鏡和國防等，比較遺憾，但是我相信光學作為一門如此重要的學科必定在科技館、人類生活和科學發展史中逐步發展壯大。

參考文獻：

[1]王洪鵬，白欣.光學史坐標上的古代中國科學家[J].現代物理知識，2016，（4）.

[2]王大珩.中國光學發展歷程的若干思考[J].科技與產業，2002，2（4）.

[3]楊治國.VR虛擬現實技術對現代化科技館的作用[J].科技視界，2017，（2）：18.