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《光學(xué)設(shè)計(jì)》課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐論文
【論文關(guān)鍵詞】《光學(xué)設(shè)計(jì)》 教學(xué)改革 探索與實(shí)踐
【論文摘要】《光學(xué)設(shè)計(jì)》是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，是光學(xué)工程和光信息科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的主修課。本文對(duì)《光學(xué)設(shè)計(jì)》課堂教學(xué)內(nèi)容的組織、教學(xué)方法的改進(jìn)以及考核方式的改革等進(jìn)行了探討，以期對(duì)該課程的教學(xué)改革提供方法與思路。
《光學(xué)設(shè)計(jì)》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(zhuān)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(zhuān)業(yè)在應(yīng)用光學(xué)、物理光學(xué)等必修課基礎(chǔ)上也開(kāi)設(shè)了這門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)選修課。《光學(xué)設(shè)計(jì)》是一門(mén)將幾何光學(xué)與物理光學(xué)知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合的學(xué)科，通過(guò)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(jì)方面的知識(shí)，了解一些最常用的光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，以及了解光學(xué)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。該課程的特點(diǎn)是應(yīng)用性較強(qiáng)，涉及的內(nèi)容較多，如何在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)，通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生熟練設(shè)計(jì)各種光學(xué)系統(tǒng)的能力，提高學(xué)生的分析能力和實(shí)踐能力，這對(duì)授課教師提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。該課程一般通過(guò)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)兩個(gè)環(huán)節(jié)完成教學(xué)內(nèi)容，本文將幾年來(lái)的課堂教學(xué)工作所積累下來(lái)的心得與體會(huì)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(jìn)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(diǎn)。
光學(xué)設(shè)計(jì)課程囊括的知識(shí)點(diǎn)比較多，面向不同的教學(xué)對(duì)象，因?yàn)槠浔旧碇R(shí)積累就不同，而不同的教材組織方式，調(diào)強(qiáng)的知識(shí)重點(diǎn)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(zhuān)業(yè)將該課程核定為32學(xué)時(shí)，在這么短的課時(shí)內(nèi)，如何選擇講授的知識(shí)點(diǎn)來(lái)保證教學(xué)活動(dòng)的完成，根據(jù)本專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)，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(diǎn)。光學(xué)設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)自動(dòng)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(jì)算就是基于高斯光學(xué)理論的；像差理論是光學(xué)設(shè)計(jì)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(jì)光學(xué)系統(tǒng)；典型光學(xué)系統(tǒng)包括放大鏡、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡等系統(tǒng)，是了解實(shí)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(jì)算的理論基礎(chǔ)；而計(jì)算機(jī)自動(dòng)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(shí)踐性很強(qiáng)的內(nèi)容，也是把上述理論知識(shí)與實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程聯(lián)系的紐帶。只有理清了這些內(nèi)容的知識(shí)體系，才能有的放矢，條理清楚的講授。我們經(jīng)過(guò)探索，發(fā)現(xiàn)在授課時(shí)選擇一個(gè)實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)（如開(kāi)普勒望遠(yuǎn)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(diǎn)，用高斯光學(xué)知識(shí)分析其放大率、視場(chǎng)角等參數(shù)，再引申到實(shí)際系統(tǒng)像差對(duì)像質(zhì)的影響，最后講授怎樣設(shè)計(jì)這樣一個(gè)系統(tǒng)以及設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的問(wèn)題。這樣就能把所有要講授的內(nèi)容串聯(lián)起來(lái)，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(shí)不能一概而論，必須突出重點(diǎn)，每個(gè)知識(shí)模塊的學(xué)時(shí)要分配得當(dāng)。比如像差理論是本課程的重點(diǎn)，需要占用較多的學(xué)時(shí)講解；而且像差理論這一部分應(yīng)該把重點(diǎn)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(duì)色散等）對(duì)初級(jí)像差的影響上，因?yàn)檫@是一個(gè)優(yōu)秀光學(xué)設(shè)計(jì)工程師必須練好的最重要的基本功。最后，處理好知識(shí)點(diǎn)與實(shí)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(shí)點(diǎn)都要結(jié)合與實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)（包括加工、檢測(cè)）的關(guān)系來(lái)學(xué)習(xí)，做到有的放矢、思路清晰。
二、教學(xué)方法的改進(jìn)
1．課堂教學(xué)與課外科技創(chuàng)新實(shí)踐相結(jié)合
學(xué)習(xí)基本原理知識(shí)的目的是為了更好地應(yīng)用到實(shí)際生活中。我們積極鼓勵(lì)學(xué)生參加各種科技創(chuàng)新活動(dòng)，堅(jiān)持課堂教學(xué)與課外創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)相結(jié)合，強(qiáng)化實(shí)踐能力培養(yǎng)，提高學(xué)生的設(shè)計(jì)與綜合分析能力。比如，在學(xué)習(xí)了照相系統(tǒng)基本知識(shí)以后，我們鼓勵(lì)學(xué)生調(diào)研如今市場(chǎng)上的各種照相機(jī)（包括數(shù)碼相機(jī)、傳統(tǒng)相機(jī)、攝像機(jī)等），讓學(xué)生考察照相機(jī)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(jì)一臺(tái)照相機(jī)系統(tǒng)。這樣，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性得到大大提高，他們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中遇到很多問(wèn)題，再重新回過(guò)頭在課堂找答案，被動(dòng)接收變?yōu)橹鲃?dòng)學(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(jì)算機(jī)為核心的教學(xué)手段，能交互的綜合處理文本、圖形、圖像、動(dòng)畫(huà)、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(duì)全面提高教學(xué)質(zhì)量，增進(jìn)教學(xué)效果起著不可替代的推進(jìn)作用�；诙嗝襟w的光學(xué)設(shè)計(jì)課程教學(xué)優(yōu)勢(shì)包括：第一，圖文并茂，簡(jiǎn)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(dòng)性。比如在講授望遠(yuǎn)系統(tǒng)時(shí)，我們把目前世界上的各種望遠(yuǎn)系統(tǒng)圖片投影到黑板上，并列舉各系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，使學(xué)生頓時(shí)產(chǎn)生了濃厚的學(xué)習(xí)興趣。第二，把教師從繁重的板書(shū)中解放出來(lái)，更有利于教師語(yǔ)言、人格魅力的發(fā)揮，學(xué)生可以在相同的時(shí)間內(nèi)獲取更多的知識(shí)，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(shí)，由于目鏡的種類(lèi)很多，有惠更斯目鏡、冉斯登目鏡、凱涅爾目鏡、對(duì)稱(chēng)式目鏡以及廣角目鏡等，一一板書(shū)這些目鏡結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)非�；〞r(shí)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(diǎn)，從而把更多時(shí)間放到講授目鏡選型以及設(shè)計(jì)中去。第三，教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體，二者相互有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的良性互動(dòng)。比如，在學(xué)習(xí)球差與系統(tǒng)相對(duì)孔徑以及光闌的關(guān)系這部分內(nèi)容時(shí)，我們讓學(xué)生自己提出各種參數(shù)，然后現(xiàn)場(chǎng)用多媒體計(jì)算光線軌跡并畫(huà)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(gè)過(guò)程中，教師與學(xué)生不再是填鴨式的灌輸與接受知識(shí)，而是很好的互動(dòng)，并激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。
3．光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用
在光學(xué)設(shè)計(jì)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(chǎng)時(shí)的輸出光場(chǎng)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(guò)程中演示復(fù)雜的光學(xué)現(xiàn)象，即使有人花大量時(shí)間和精力編制出一些，也因?yàn)楣δ懿粡?qiáng)、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(qiáng)大的商業(yè)光學(xué)設(shè)計(jì)軟件引入光學(xué)設(shè)計(jì)課程的教學(xué)過(guò)程，可以減小設(shè)計(jì)工作量，并且使課程課件的深度得到加強(qiáng)，從而擴(kuò)大學(xué)生的感性認(rèn)知和視野，增強(qiáng)教學(xué)效果。
現(xiàn)有的成像光學(xué)分析與設(shè)計(jì)軟件主要有三種，分別為：美國(guó)OpticalResearchAssociation公司的CODE－V軟件；LambdaResearchCorporation公司的OSLO軟件；FocusSoftwareInc開(kāi)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(chǎng)最大份額；我們?cè)谡n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(jì)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(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概念、優(yōu)化、分析、公差以及報(bào)表集成在一起的一套綜合性的光學(xué)設(shè)計(jì)仿真軟件。課堂利用ZEMAX的計(jì)算與模擬功能，鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)自主探索，在掌握理論知識(shí)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(guò)自己輸入?yún)?shù)去完成對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的形象化和具體化，并對(duì)光學(xué)系統(tǒng)像差進(jìn)行詳細(xì)了解，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)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(chǎng)角40°）的結(jié)構(gòu)以及性能，通過(guò)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(huà)出，而且所選三個(gè)視場(chǎng)（0視場(chǎng)、10°視場(chǎng)、20°視場(chǎng)）的光線軌跡也可以準(zhǔn)確畫(huà)出，這樣就使得學(xué)生有更形象、直觀的認(rèn)識(shí)。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(jì)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(jiàn)圖2所示，這里只顯示了四種像差圖：點(diǎn)列圖、波像差圖、調(diào)制傳遞函數(shù)圖和場(chǎng)曲、像散及畸變圖。根據(jù)這些像差圖，學(xué)生可以對(duì)該系統(tǒng)的像差有個(gè)全面的認(rèn)識(shí)，可以更進(jìn)一步改進(jìn)并優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)。而計(jì)算實(shí)際像差利用傳統(tǒng)的手工計(jì)算花費(fèi)時(shí)間是巨大的。 總之，利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，可以使光學(xué)設(shè)計(jì)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(shí)施方法相輔相成，從而更客觀地反映教與學(xué)的效果，達(dá)到拓展學(xué)生的個(gè)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(shí)成績(jī)相結(jié)合的方式進(jìn)行考核。針對(duì)《光學(xué)設(shè)計(jì)》的課程特點(diǎn)，我們采用了以考核綜合知識(shí)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(xiě)小論文。比如讓學(xué)生們調(diào)研目前流行的單反相機(jī)的原理并進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，學(xué)生通過(guò)查資料，深入調(diào)研，強(qiáng)化學(xué)生自己思考的過(guò)程，同時(shí)也能考察一個(gè)學(xué)生的綜合素質(zhì)。②開(kāi)展課堂討論，給予總結(jié)評(píng)價(jià)。這部分的考核主要是通過(guò)討論來(lái)考察學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用和具體解決問(wèn)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(duì)理論基本知識(shí)的理解和掌握。
通過(guò)這三種方式來(lái)全面綜合地考察、評(píng)定學(xué)生對(duì)該門(mén)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(huì)更客觀合理，能夠真實(shí)全面反映學(xué)生的學(xué)習(xí)情況與能力水平，有利于對(duì)學(xué)生的知識(shí)和能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。
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(zhǎng)與課程的建設(shè)發(fā)展密切相關(guān)。教師的專(zhuān)業(yè)成長(zhǎng)不僅僅是教學(xué)經(jīng)歷和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的累積與豐富，更是教師由被動(dòng)到主動(dòng)參與課程決策、課程運(yùn)作和課程評(píng)價(jià)，促進(jìn)課程、教師和學(xué)生共同發(fā)展的過(guò)程。在不斷變革的社會(huì)大環(huán)境下，教師應(yīng)樹(shù)立終身教育和終身學(xué)習(xí)的觀念，即“教育既是為了促進(jìn)個(gè)人的終身全面發(fā)展，又是為了促進(jìn)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展和全面進(jìn)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(wèn)題，才能建構(gòu)新課程條件下的目標(biāo)、教學(xué)、評(píng)價(jià)體系。另外，很多人對(duì)于光學(xué)設(shè)計(jì)存在錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)，認(rèn)為只要學(xué)好幾種光學(xué)設(shè)計(jì)軟件就可以進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)。其實(shí)，光學(xué)設(shè)計(jì)是一種創(chuàng)造性的工作，它需要經(jīng)驗(yàn)也需要設(shè)計(jì)人員有正確的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)理念，而軟件只是工具而已。光學(xué)設(shè)計(jì)總要從像差補(bǔ)償開(kāi)始，如果沒(méi)有對(duì)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(jì)則成了完全的技術(shù)工作，毫無(wú)思想性可言。對(duì)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(jì)的基礎(chǔ)，打好光學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。光學(xué)設(shè)計(jì)是一門(mén)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(shí)實(shí)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(jì)經(jīng)驗(yàn)，這樣才能更好地講授好這門(mén)課。
五、結(jié)束語(yǔ)
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)系統(tǒng)的作用越來(lái)越被重視，迫切需要光學(xué)設(shè)計(jì)的專(zhuān)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(jì)人才的重任。本文對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)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(wèn)題進(jìn)行了研究與討論，為學(xué)生更好地掌握光學(xué)設(shè)計(jì)知識(shí)、將來(lái)更好地服務(wù)于社會(huì)打下良好的基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)
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