談《光學(xué)設(shè)計》課程教學(xué)改革的探索與實踐
【論文關(guān)鍵詞】《光學(xué)設(shè)計》 教學(xué)改革 探索與實踐
【論文摘 要】《光學(xué)設(shè)計》是一門實踐性很強的課程，是光學(xué)工程和光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的主修課。本文對《光學(xué)設(shè)計》課堂教學(xué)內(nèi)容的組織、教學(xué)方法的改進以及考核方式的改革等進行了探討，以期對該課程的教學(xué)改革提供方法與思路。
《光學(xué)設(shè)計》是許多工科院校的“光信息科學(xué)與技術(shù)”、“光學(xué)工程”等專業(yè)的主修課程，北京信息科技大學(xué)光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)在應(yīng)用光學(xué)、物理光學(xué)等必修課基礎(chǔ)上也開設(shè)了這門重要的專業(yè)選修課。《光學(xué)設(shè)計》是一門將幾何光學(xué)與物理光學(xué)知識與實踐相結(jié)合的學(xué)科，通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以系統(tǒng)的了解光學(xué)設(shè)計方面的知識，了解一些最常用的光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計方法，以及了解光學(xué)設(shè)計的發(fā)展方向。該課程的特點是應(yīng)用性較強，涉及的內(nèi)容較多，如何在有限的學(xué)時內(nèi)，通過該課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生熟練設(shè)計各種光學(xué)系統(tǒng)的能力，提高學(xué)生的分析能力和實踐能力，這對授課教師提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。該課程一般通過理論教學(xué)和實踐教學(xué)兩個環(huán)節(jié)完成教學(xué)內(nèi)容，本文將幾年來的課堂教學(xué)工作所積累下來的心得與體會加以總結(jié)，主要涉及到教學(xué)內(nèi)容的組織，教學(xué)方法的改進與考核方式的變革等。
一、精心組織授課內(nèi)容，理清主線，突出重點。
光學(xué)設(shè)計課程囊括的知識點比較多，面向不同的教學(xué)對象，因為其本身知識積累就不同，而不同的教材組織方式，調(diào)強的知識重點也不盡相同，因此需要教師因人而異、不斷調(diào)整授課內(nèi)容的組織方式。北京信息科技大學(xué)光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)將該課程核定為32學(xué)時，在這么短的課時內(nèi)，如何選擇講授的知識點來保證教學(xué)活動的完成，根據(jù)本專業(yè)的特點，我們精心組織了教學(xué)內(nèi)容，主要為了理清思路，并突出重點。光學(xué)設(shè)計涉及到的內(nèi)容可分為：高斯光學(xué)、像差理論、典型光學(xué)系統(tǒng)、計算機自動優(yōu)化方法、光學(xué)系統(tǒng)公差分析及光學(xué)元件制圖等。高斯光學(xué)是光學(xué)系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)，光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)計算就是基于高斯光學(xué)理論的；像差理論是光學(xué)設(shè)計的重中之重，只有深刻了解了像差理論，才能夠自主、靈活的設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)；典型光學(xué)系統(tǒng)包括放大鏡、顯微鏡、望遠鏡等系統(tǒng)，是了解實際光學(xué)系統(tǒng)的鑰匙，也是光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)計算的理論基礎(chǔ)；而計算機自動優(yōu)化方法、光學(xué)系統(tǒng)公差分析及光學(xué)元件制圖等是實踐性很強的內(nèi)容，也是把上述理論知識與實際設(shè)計過程聯(lián)系的紐帶。只有理清了這些內(nèi)容的知識體系，才能有的放矢，條理清楚的講授。我們經(jīng)過探索，發(fā)現(xiàn)在授課時選擇一個實際的光學(xué)系統(tǒng)（如開普勒望遠鏡系統(tǒng)），從它的基本結(jié)構(gòu)講起，引出物鏡和目鏡的各自特點，用高斯光學(xué)知識分析其放大率、視場角等參數(shù)，再引申到實際系統(tǒng)像差對像質(zhì)的影響，最后講授怎樣設(shè)計這樣一個系統(tǒng)以及設(shè)計中應(yīng)該注意的問題。這樣就能把所有要講授的內(nèi)容串聯(lián)起來，學(xué)生就能更好地理清思路，知道哪部分內(nèi)容的作用以及怎樣學(xué)習(xí)效率更高。另外，講解時不能一概而論，必須突出重點，每個知識模塊的學(xué)時要分配得當(dāng)。比如像差理論是本課程的重點，需要占用較多的學(xué)時講解；而且像差理論這一部分應(yīng)該把重點放在各種系統(tǒng)參數(shù)（比如，光闌大小、位置，材料折射率、相對色散等）對初級像差的影響上，因為這是一個優(yōu)秀光學(xué)設(shè)計工程師必須練好的最重要的基本功。最后，處理好知識點與實際光學(xué)系統(tǒng)之間的關(guān)系。比如要提醒學(xué)生每一部分知識點都要結(jié)合與實際光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計（包括加工、檢測）的關(guān)系來學(xué)習(xí)，做到有的放矢、思路清晰。
二、教學(xué)方法的改進
1．課堂教學(xué)與課外科技創(chuàng)新實踐相結(jié)合
學(xué)習(xí)基本原理知識的目的是為了更好地應(yīng)用到實際生活中。我們積極鼓勵學(xué)生參加各種科技創(chuàng)新活動，堅持課堂教學(xué)與課外創(chuàng)新實踐活動相結(jié)合，強化實踐能力培養(yǎng)，提高學(xué)生的設(shè)計與綜合分析能力。比如，在學(xué)習(xí)了照相系統(tǒng)基本知識以后，我們鼓勵學(xué)生調(diào)研如今市場上的各種照相機（包括數(shù)碼相機、傳統(tǒng)相機、攝像機等），讓學(xué)生考察照相機的基本結(jié)構(gòu)以及重要技術(shù)參數(shù)，并讓學(xué)生嘗試自己設(shè)計一臺照相機系統(tǒng)。這樣，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性得到大大提高，他們在設(shè)計過程中遇到很多問題，再重新回過頭在課堂找答案，被動接收變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)效率大大提高。
2．現(xiàn)代多媒體教學(xué)技術(shù)的使用
多媒體教學(xué)是以計算機為核心的教學(xué)手段，能交互的綜合處理文本、圖形、圖像、動畫、音頻及視頻等多種媒體信息，更豐富、更復(fù)雜的信息多媒體教學(xué)對全面提高教學(xué)質(zhì)量，增進教學(xué)效果起著不可替代的推進作用�；诙嗝襟w的光學(xué)設(shè)計課程教學(xué)優(yōu)勢包括：第一，圖文并茂，簡潔直觀，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。比如在講授望遠系統(tǒng)時，我們把目前世界上的各種望遠系統(tǒng)圖片投影到黑板上，并列舉各系統(tǒng)的優(yōu)缺點，使學(xué)生頓時產(chǎn)生了濃厚的學(xué)習(xí)興趣。第二，把教師從繁重的板書中解放出來，更有利于教師語言、人格魅力的發(fā)揮，學(xué)生可以在相同的時間內(nèi)獲取更多的知識，提高課堂教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量。比如，在講授各種目鏡結(jié)構(gòu)時，由于目鏡的種類很多，有惠更斯目鏡、冉斯登目鏡、凱涅爾目鏡、對稱式目鏡以及廣角目鏡等，一一板書這些目鏡結(jié)構(gòu)和特點非常花時間，而且作用不大。使用多媒體就可以很快的展示各種目鏡結(jié)構(gòu)以及特點，從而把更多時間放到講授目鏡選型以及設(shè)計中去。第三，教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體，二者相互有機結(jié)合，實現(xiàn)教與學(xué)的良性互動。比如，在學(xué)習(xí)球差與系統(tǒng)相對孔徑以及光闌的關(guān)系這部分內(nèi)容時，我們讓學(xué)生自己提出各種參數(shù)，然后現(xiàn)場用多媒體計算光線軌跡并畫出光路圖、像差圖等，學(xué)生再根據(jù)像差圖提出新的修正結(jié)構(gòu)，直到得出滿意的球差。在這個過程中，教師與學(xué)生不再是填鴨式的灌輸與接受知識，而是很好的互動，并激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。
3．光學(xué)設(shè)計軟件的應(yīng)用
在光學(xué)設(shè)計課程教學(xué)中，為了演示光線追跡結(jié)果及光學(xué)系統(tǒng)在各種不同情況下、不同輸入光場時的輸出光場情況等，需要編制相應(yīng)的模塊軟件。但由于編制這樣的模塊軟件工作量大、難度較高，往住使任課老師放棄在教學(xué)過程中演示復(fù)雜的光學(xué)現(xiàn)象，即使有人花大量時間和精力編制出一些，也因為功能不強、效果不佳而影響教學(xué)效果。我們將諸如ZEMAX、OSLO、CODE－V等功能強大的商業(yè)光學(xué)設(shè)計軟件引入光學(xué)設(shè)計課程的教學(xué)過程，可以減小設(shè)計工作量，并且使課程課件的深度得到加強，從而擴大學(xué)生的感性認(rèn)知和視野，增強教學(xué)效果。
現(xiàn)有的成像光學(xué)分析與設(shè)計軟件主要有三種，分別為：美國Optical Research Association 公司的CODE－V軟件；Lambda Research Corporation公司的OSLO軟件；Focus Software Inc開發(fā)的ZEMAX軟件。其中ZEMAX軟件由于界面友好，容易上手，目前占據(jù)市場最大份額；我們在課堂教學(xué)中采用的也是ZEMAX軟件。該軟件可做光學(xué)組件設(shè)計與照明系統(tǒng)的照度分析，也可建立反射、折射、繞射等光學(xué)模型，并結(jié)合優(yōu)化、公差等分析功能，是將實際光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計概念、優(yōu)化、分析、公差以及報表集成在一起的一套綜合性的光學(xué)設(shè)計仿真軟件。課堂利用ZEMAX的計算與模擬功能，鼓勵學(xué)生通過自主探索，在掌握理論知識的前提下，讓學(xué)生建立相應(yīng)的物理模型和數(shù)學(xué)模型，通過自己輸入?yún)?shù)去完成對光學(xué)系統(tǒng)的形象化和具體化，并對光學(xué)系統(tǒng)像差進行詳細(xì)了解，為進一步設(shè)計提供參考依據(jù)。例如，如果要給學(xué)生講授cook三片式透鏡組（入瞳10mm，全視場角40°）的結(jié)構(gòu)以及性能，通過ZEMAX可以很形象地顯示。圖1所示，cook透鏡組的二維和三維結(jié)構(gòu)圖都可以畫出，而且所選三個視場（0視場、10°視場、20°視場）的光線軌跡也可以準(zhǔn)確畫出，這樣就使得學(xué)生有更形象、直觀的認(rèn)識。如果要了解該透鏡組性能，就可以利用ZEMAX光線追跡程序快速計算出每一條光線的軌跡，并算出各種像差值。該cook透鏡組的幾種像差圖見圖2所示，這里只顯示了四種像差圖：點列圖、波像差圖、調(diào)制傳遞函數(shù)圖和場曲、像散及畸變圖。根據(jù)這些像差圖，學(xué)生可以對該系統(tǒng)的像差有個全面的認(rèn)識，可以更進一步改進并優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)。而計算實際像差利用傳統(tǒng)的手工計算花費時間是巨大的。
總之，利用光學(xué)設(shè)計軟件，可以使光學(xué)設(shè)計課程授課效率更高，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣更濃，學(xué)習(xí)效果更好。
三、課程考核方法的改革
考試已成為課程改革的一部分，與課程的實施方法相輔相成，從而更客觀地反映教與學(xué)的效果，達到拓展學(xué)生的個性，激發(fā)其學(xué)習(xí)能力和興趣的目的。傳統(tǒng)理工科課程通常以閉卷筆試加平時成績相結(jié)合的方式進行考核。針對《光學(xué)設(shè)計》的課程特點，我們采用了以考核綜合知識和能力為主導(dǎo)的考試方法。具體包括：①建立小課題，指導(dǎo)學(xué)生撰寫小論文。比如讓學(xué)生們調(diào)研目前流行的單反相機的原理并進行初步設(shè)計，學(xué)生通過查資料，深入調(diào)研，強化學(xué)生自己思考的過程，同時也能考察一個學(xué)生的綜合素質(zhì)。②開展課堂討論，給予總結(jié)評價。這部分的考核主要是通過討論來考察學(xué)生對知識點的應(yīng)用和具體解決問題的能力。③試卷考核。該部分主要考概念題和思考題，加深學(xué)生對理論基本知識的理解和掌握。
通過這三種方式來全面綜合地考察、評定學(xué)生對該門課程的學(xué)習(xí)掌握和理解程度，從而更好地反饋和指導(dǎo)教學(xué)。這樣的考核方法覆蓋指標(biāo)更全面，考核的結(jié)果就會更客觀合理，能夠真實全面反映學(xué)生的學(xué)習(xí)情況與能力水平，有利于對學(xué)生的知識和能力進行綜合評價。
四、教師自身能力提高
教師是課程改革最直接、最關(guān)鍵的群體，因此教師的自身成長與課程的建設(shè)發(fā)展密切相關(guān)。教師的專業(yè)成長不僅僅是教學(xué)經(jīng)歷和教學(xué)經(jīng)驗的累積與豐富，更是教師由被動到主動參與課程決策、課程運作和課程評價，促進課程、教師和學(xué)生共同發(fā)展的過程。在不斷變革的社會大環(huán)境下，教師應(yīng)樹立終身教育和終身學(xué)習(xí)的觀念，即“教育既是為了促進個人的終身全面發(fā)展，又是為了促進社會的持續(xù)發(fā)展和全面進步。”只有具備這樣的觀念，才能不斷解決教育中出現(xiàn)的各種問題，才能建構(gòu)新課程條件下的目標(biāo)、教學(xué)、評價體系。另外，很多人對于光學(xué)設(shè)計存在錯誤的認(rèn)識，認(rèn)為只要學(xué)好幾種光學(xué)設(shè)計軟件就可以進行光學(xué)設(shè)計。其實，光學(xué)設(shè)計是一種創(chuàng)造性的工作，它需要經(jīng)驗也需要設(shè)計人員有正確的設(shè)計思想和設(shè)計理念，而軟件只是工具而已。光學(xué)設(shè)計總要從像差補償開始，如果沒有對基礎(chǔ)像差理論的深入、正確理解，只是按照已有參數(shù)按步就班地操作，光學(xué)設(shè)計則成了完全的技術(shù)工作，毫無思想性可言。對于這部分理論內(nèi)容要有“板凳要坐十年冷”的準(zhǔn)備，從復(fù)雜、枯燥的公式中理解設(shè)計的基礎(chǔ)，打好光學(xué)設(shè)計的基礎(chǔ)。光學(xué)設(shè)計是一門需要慢慢磨的手藝，作為教師的我們就更要負(fù)起責(zé)任，不斷提高自身水平，不浮躁、不圖快，踏踏實實的不斷學(xué)習(xí)，積極地參與科研，積累更多的光學(xué)設(shè)計經(jīng)驗，這樣才能更好地講授好這門課。
五、結(jié)束語
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)系統(tǒng)的作用越來越被重視，迫切需要光學(xué)設(shè)計的專業(yè)人才，為此高校肩負(fù)著培養(yǎng)具有良好光學(xué)設(shè)計人才的重任。本文對光學(xué)設(shè)計教學(xué)內(nèi)容與課程設(shè)置的安排、教學(xué)方式的優(yōu)化改革以及考核方式多樣化等問題進行了研究與討論，為學(xué)生更好地掌握光學(xué)設(shè)計知識、將來更好地服務(wù)于社會打下良好的基礎(chǔ)。
參考文獻
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