光学工程类专业光学软件课程教学模式探索

2015-03-11邹林儿范定环傅继武沈云

科技创新导报 2014年36期

邹林儿++范定环++傅继武++沈云

摘要：光学工程类专业是一门多学科交叉、综合性强的专业，其中专业光学软件教学是实践教学的一个重要环节。该文从专业课程体系设计、教学方法、学习要求以及考核方式等几方面探讨研究专业光学软件在光学工程类专业中的教学模式，提出了专业理论知识与软件教学有机衔接的课程安排和强化软件专业训练，实施以实例为主线的教学方法，强调课堂讨论的学习方法，采取多样灵活有效的小作业和小组课题考核方式。该教学模式激发了学生学习兴趣，培养了学生综合知识运用能力，提高了学生光学设计技能。

关键词：专业光学软件光学工程类专业课程教学教学模式

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）12（c）-0127-02

光学工程类专业是以光学、应用光学、量子光学、非线性光学、激光技术和光电子学等为理论基础，结合物理电子与微电子学、固体物理学、计算机技术以及信息与通信工程等的一门综合性强专业[1]。近年来，随光电信息产业的迅速发展，该专业类的人才需求增多，就如何办好该类专业，以适应产业需求，是许多高校乃至整个国家需要解决的课题[2]。其中，专业光学软件课程是光学工程类专业教学的重要组成部分。学生掌握一至二门专业光学软件，利于提高专业知识与实际应用的综合运用水平，助于增强就业竞争力，更为重要的是将来相关专业工作的必备技能之一。专业光学软件依据应用领域大致可分为：以经典光学和现代光学为基本原理的应用在各种光学仪器或仪器系统的光学设计类软件[3]，目前它们主要有ZEMAX、CODE V、ASAP和 OSLO等光学设计软件；以导波光学和光通信为理论的应用在光通信领域的器件或系统仿真设计的光通信类软件[4]，如OptiBPM、 Beamprop等光波导设计软件，以及OptiSystem等光通信系统仿真软件；另外，其它一些计算软件也可以用在光学方面的，如Matlab在光信息处理中的应用[5]。

专业光学软件的教学相对光学专业实验教学（特别是涉及到昂贵专业实验设备），要求的技术起点低，且能更快地让学生接触到实际应用课题。我们在专业光学软件实践教学过程中，强调基于光学专业知识的是逻辑分析和编程训练的结合，提高了学生的光学设计能力。结合近几年的专业光学软件教学研究和实践，我们从专业课程体系设计、课程教学方法、学生学习要求以及考核等几方面进行探讨[6-9]。

1 教学课程体系设计

1.1 专业理论知识与专业软件教学有机衔接和融合

专业光学软件的运用需要很强专业理论知识，一般面向于光信息科学与技术本科专业（现归类为光电信息科学与工程）和光学、光学工程研究生专业。如ZEMAX光学设计软件，其理论基础为光学设计的基础知识和像差理论。软件中的专业名词如物面、像面、高斯面等，和计算方法如实际光线计算、近轴光线计算，以及设计时的整体思路和流程等知识点都需要在专业理论课中掌握。因此，专业理论知识和专业软件课程之间的衔接很重要。它们之间如缺乏有机联系，在专业软件课程教学时，学生学习效率和质量下降，同时教师教学辛苦，整个课程进展慢。在我们的课程体系安排中，《工程光学》、《几何光学》或《应用光学》之类课程放置在大学二年级第一学期，以之为基础的专业软件教学，如ZEMAX之类的光学设计软件课程，放在随后的大学二年级第二学期。作为更高级的专业理论课程《导波光学》、《光通信原理》、《光波导理论与技术》等之类课程设置在大学三年级第二学期，随后接下来的学期开设光波导设计或光通信系统仿真等相关专业软件教学课程（可选修），如OptiBPM、OptiSystem等软件。同时在学习专业软件期间还可以安排些系统仿真中涉及到知识点的课程，如涉及到电光调制、四波混频效应等的《非线性光学》课程，涉及到光学透过率或反射率的《薄膜光学》课程等，这样有利于这些特殊知识点和软件教学学习有机融合。采用这样的安排和紧密的时间间隔，使得学生在软件学习中，不至于忘记前面学习过的理论知识。同时在软件教学中，结合实例，将专业理论知识和软件应用联系起来，提高了学生的综合运用能力，学会如何分析问题和解决问题，加深对专业知识的理解和认识，从而更好地实现应用软件解决问题。

1.2 强化专业训练

现在许多学校施行三学期制，我们试点把专业光学软件学习作为实践设计类集中放在暑假期间（第三学期）进行专业系统学习和培训，专门作为一项专业技能课程传授给学生。专业光学软件课程教学结束后，软件的实际运用也是实践环节重要的一步，可以在学生相关实习企业环节或教师指导的毕业论文设计环节中体现，例如让学生协助参与到实际光学系统产品设计或项目中，了解产品从产品设计或项目的一系列过程。这些将为学生今后在企业科研一线从事光学工程类专业工作起着积极作用，加快学生把专业知识转化为实际应用的过程。

2 教学方法和学习方式的改进

2.1 以实例为教学主线、结合实际应用的专业光学软件课程教学方法

传统软件教学方法一般是先介绍菜单的各项功能，然后逐步展开软件操作步骤等，这菜单式的教学方法已不适宜专业软件教学了。专业光学软件不是大众化软件，教学目的不应停留在软件操作熟练程度上，而是通过教学方法应把握学习软件的内涵“如何运用软件分析问题和解决问题”。在专业光学软件教学过程中，我们提出以实例教学为主体，从整体设计思路上把握，而对于少量的基本软件操作串插到实例中讲解。

以ZEMAX光学设计软件为例，需设计一双胶合透镜，对于632.8 nm波长的光，其焦距为100 mm，相对孔径为1：5，而波像差小于λ/4。在这个实例中，对于初学者来讲，这些内容基本上包括整个光学设计所需要的教学内容（如透镜模型或系统结构参数建立、光线追迹、波前分布、像质评价分析等）以及设计思路和流程。在教学过程中，教师应贯穿整个设计目标是一个等效焦距（总光焦度倒数）为定值的光组，着重把握如何合理分配两个透镜的光焦度为设计思路。当涉及到构建透镜模型时，教师引导学生如何在软件中操作如参数设置和模型显示，并改变不同结构参数观察模型变化。当实现光传输时，重点讲解光线密度概念和物理意义等，以及光线在软件中追迹算法，串插地讲如何设置光线密度和工作光波长等操作。当讲到成像质量分析时，讲解波前的物理意义，和衡量成像质量的标准或判据，以及一般有哪些评价函数等，重点应放在如何分析成像质量。最后，谈到软件自动优化设计时，主要讲解如何设计优化函数，了解像差自动平衡的方法和有关问题，来提高成像质量，对这个理解和领悟是学生以后逐步走向更高层次的光学设计关键。endprint

通过实例教学，一方面让学生体会到专业软件与应用紧密结合，激发学生学习兴趣，提高学生的课堂参与度。更重要的是培养学生的光学设计整体思路，结合专业知识训练如何分析问题和解决问题，提高综合应用专业软件能力。

同时，教师对实例的筛选，要具有经典性和适宜的难易度。我们知道专业光学软件功能强大，涉及面广，如ZEMAX光学设计软件大致包括照明和成像两个范围。在专业光学软件的学习训练中一般分为初级、中级、高级三个层次。在中、高级层次训练中是针对特定设计目标，比如照相镜头设计、光谱仪系统的设计等，在这里需要更高级光学专业知识，如《高等光学》、《傅里叶光学》等。因此，教师在教学过程中针对不同学生层次，要把握教学难度和深度。

2.2 坚持课前专业知识巩固，课堂学习讨论，课后上机复习的学习方式

专业光学软件里面涉及到许多专业名词，对它们准确理解，利于参数设置时有清晰的物理意义。这些专业名词的知识来自前期专业理论课程，需要学生课前自主巩固、查阅资料，比如软件中的有效焦距、波前、像差、评价函数等专业名词。在课程上，以实例讨论为主，学会分析问题和解决问题。以ZEMAX光学设计软件为例，可以讨论影响像差的因素是哪些，如何通过调整孔径光阑位置改善像差，以及在设计中如何平衡和分配各类像差等问题。通过实例讲解和讨论的学习方式，除了在课堂上激发学生学习热情和兴趣外，还加强对专业知识综合理解和提高应用软件解决问题的能力。课后布置学生上机复习，一是让学生消化课程上的知识，进一步尝试解决实例中出现各种情形；二是提高学生对软件使用熟练程度。这种学习方式让学生从被动式的课堂听课、上机练习，改变为主动性的课堂学习讨论，课后自主复习和巩固光学软件应用思路，鼓励学生尝试新的设计方案。对教师而言，一是让学生认识到专业软件课程学习的重要性和优势，充分调动学生的积极性和学习兴趣，是主动性学习方法的前提；二是引导课程讨论由浅入深，抱砖引玉。近几年来实践教学反馈，低年级学生意识到专业光学软件学习是光学理论知识与实际应用结合的关键环节，以及在就业方面占据较大优势，这已经形成学生的共识，起着良性循环作用，提高了学生学习专业软件积极性。

3 采用多样灵活有效的考核评价方式

专业光学软件课程有着自身的内容特点和教学规律，仅仅采用传统的笔试、上机考试的考核方式是不能很好适应专业光学软件教学考核要求。专业光学软件课程的教学目的是不仅仅让学生熟练使用软件，更为主要的是能结合专业知识应用软件进行光学项目分析和设计。因此，专业光学软件课程的考察就是评价学生的专业知识综合运用与分析能力，包括专业知识的理解、项目的分析和解决能力、计算编程水平等几方面综合素质表现。基于此，我们在教学过程中采取多样灵活有效的考核方式。

（1）小作业。平时主要考察学生对专业光学软件的操作能力和专业知识的理解与应用。这通过课后布置小作业来考察学生平时对知识点掌握情况，同时还兼顾知识小结的复习和巩固。

（2）小组课题。学期快结束时，提前三至四周时间，分小组布置不同课题（或项目），如设计光学镜头（广角、微焦距镜头等）、光波导器件等。在规定时间内，让小组学生自主讨论，查阅资料，最后形成项目文档，提交设计报告。这种考核方式，对个别基础差的学生实现起来有一定难度，但通过小组成员合理搭配（平常成绩好的带动成绩较差的），这不仅提高整体学生的专业水平，更重要的是培养学生个人能力，如沟通、管理、创新、团队协作与领导等。

还要强调的是，教师在最后考核结束时，给予学生提交的项目报告进行点评，应重点评价学生的思维过程，同时帮助学生得到合理的答案，使得对学生的考核成为课堂教学的延伸。

4 实践教学中相关问题思考

目前专业光学软件实践教学表明，上述措施的实施，在教学质量和学生受欢迎度方面有很大提高。但仍存在一些更高层次的问题，值得思考与进一步完善。

（1）研究性教学的融合。这主要体现在分小组讨论中，如在专业光学软件教学实践过程中融合研究性教学，这将进一步提高教学质量，更为重要的是增强学生个人能力和素质修养，如创新能力、科学精神和科学态度以及团队精神。

（2）专业光学软件实现创新能力的培养。目前我们使用的基本是国外专业光学软件，拥有自主知识产权的专业光学软件很少，其根本原因是在人才培养过程中缺少相关创新能力培养环节。因此，在专业光学软件教学过程，以此为契机如何培养能实现具有自主知识产权软件研发、创新能力人才，这也是我们面临一个重要课题。

参考文献

[1] 孔伟金，云茂金，黄家寅，等.光信息科学与技术专业实践教学创新体系的研究[J].实验技术与管理，2010，27（3）：19-21.

[2] 郁道银，蔡怀宇，葛宝臻，等.光电信息工程专业建设的探索与实践[J].光学技术，2007（33）：293294.

[3] 戴斌飞，武文远，任建锋.用ZEMAX软件辅助迈克耳孙干涉仪实验教学[J].大学物理，2008，27（7）：28-33.

[4] 孙一翎，黄昌清.基于BeamPROP软件的集成光学虚拟实验室构建[J].电气电子教学学报，2010，32（1）：82-83.

[5] 秦怡，巩琼，李根全，等.基于Matlab的光学信息安全教学实践[J].实验室研究与探索，2013，32（5）：134-136.

[6] 李翠梅，张兄武，徐宗宁.专业软件支持下的工科研究性教学探究[J].黑龙江高教研究，2012（1）：157-159.