浅谈在工程光学教学中引入光学仿真的教改方法

覃翠 张健

【摘要】工程光学是光电信息科学与工程专业的基础课。根据课程的内容、性质和特点，本文结合教学经验提出在工程光学的理论教学和实验教学环节之间引入光学仿真的教改方法。加强直观教学，有利于提高学生的学习主动性和有效性，以及培养学生的学习能力和创新能力。

【关键词】工程光学 光学仿真 教学改革

【中图分类号】O435.1 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）14-0070-01

1、引言

光电信息科学与工程专业是由光学、光电子、微电子等技术结合而成的多学科综合技术专业。为了培养学生在光电信息工程领域具有光纤传输系统与光电传感技术、光电检测与控制技术、信息光电子应用技术与光电图像处理技术等方面的专业知识。光电信息科学与工程专业所开设的课程包括工程光学、光电子技术、信息光学、光纤通信技术、激光原理与器件等基础课[1]。

工程光学是光电信息科学与工程专业的必修基础课，也是光学设计、光电检测、光学测量和光电成像技术等其他专业课的先修课程，所以课程在学科中的地位极其重要。通过这门课程的学习，学生能对光学的基本概念、基本原理和典型光学系统的结构有较为深刻的认识，为学生今后学习光学系统的设计、光信息理论和从事光学研究打下坚实的基础[2-3]。工程光学是本专业学生所接触的第一门光学专业基础课，由于课程具有知识点多，理论性强，公式多等特点，让学生学习起来难以理解通透，并且感到乏味。为了提高教学质量、培养学生的学习兴趣与学习能力，有必要对该门课程的教学方法做出适当的改革。该门课程传统的教学方法是讲授法，我们在教授法的基础上引入了对光学的基本原理和基本现象进行仿真模拟的实践教学内容，让学生在仿真模拟中对课程里重要的公式内涵有更深刻的理解以及对一些重要光学现象有直观认识。

2、仿真模拟的教学内容

工程光学的内容包含两部分：应用光学和物理光学。应用光学部分介绍了几何光学的基本定律与成像理论，理想光学系统和平面成像系统的光学参数和成像特性、光度学和色度学的基本原理、光线光路计算和像差基本理论以及典型的光学系统的成像特性和设计。物理光学部分介绍了光的电磁性质、光在各向同性介质界面上的传播规律和光波的叠加与分析、光波的干涉和衍射的基本原理以及光的偏振。在教学内容中选取的仿真模拟内容即要是一些重点知识点同时内容的模拟难度还不能太大。因为学生刚进入大学二年级，接触的计算机语言是C语言，对语言的熟练程度尚不足以模拟复杂的物理问题。因此，我们选择了以下内容进行仿真模拟：

（1）实际光学系统的光路计算。通过课堂的学习，学生知道可以用图解法和解析法求解一个光学系统的基点和基面，这两种方法各有利弊。图解法能让学生直观的看到光线经过光学系统之后的光路，但是利用这种方法求解多个光组组合系统的基点和基面是很复杂和繁琐的。解析法没有图解法那样直观，但是通过对公式的反复利用，可以求解出每组光组的像方截距和像方孔径角以及整个光组的基点的位置参数。而在解析法中对公式的反复计算问题利用计算机程序语言中的循环和迭代运算可以很轻松的解决。通过这个例子不仅让学生加深公式的理解，同时体会到程序设计的优势。此外，有能力的学生可以将其做成界面交互的软件形式，启发学生的创新意识，体会创作的乐趣。

（2）光的衍射和干涉现象。这部分知识是物理光学的主要内容，也是重点和难点知识所在，在实验课上会有相关的验证实验。在理论授课和实验课程中增加仿真模拟环节，可以让学生将生涩的数学表达形式转化为图像的表现形式，同时也使学生能更清楚的理解实验原理的来龙去脉。在实验中采用单色光源和白光光源，得到不同光源的干涉与衍射图像。首先编写出光栅衍射仿真程序，然后通过改变输入参数而达到利用一个程序同时仿真干涉与衍射实验的目的。最后编写操作性很强的人机交互界面，具有很強的实践性。

（3）光纤中的光传播特性。对于学有余力的学生，可以让学生尝试光纤或者激光器专题的仿真模拟。这部分知识在理论课上只做了浅显的讲解，学生若感兴趣，可以通过仿真模拟进一步学习光波导的知识。学生可以模拟光场的传播演化过程，考虑不同的光纤结构对光场损耗的影响。此外，可以模拟高斯光束与光纤耦合的情况。从光纤端面辐射到自由空间中的光场是发散的，对于单模光纤其端面辐射光场可以近似为高斯光束，因此，要深入了解高斯光束的传输特性，以及它与光纤连接的光功率损耗情况。

总之，在选择模拟仿真内容时应根据学生的能力，注重理论联系实际。突出课程的工程应用背景，为了培养学生的动手设计能力，积极利用一些仿真软件（例如zemax）加强学生的技能。此外，自60年代激光器发明以来，在光学领域涌现出新课题、新概念和新技术，使光学知识更加斑斓多彩。为了拓宽学生的知识面，应向学生介绍本领域的最新科研成果以及基础知识在生产实践的应用，开展光学前沿知识讲座，讲授与光学相关的知识点，使枯燥的理论学习变得丰富生动，既调动了学生的积极性又开阔了视野，使他们的知识结构更趋合理，让学生意识到这门课程的价值。

3、结束

工程光学作为光电信息工程专业的基础课，在培养学生的素质和专业能力方面发挥重要的作用。本文针对课程的特点，提出在工程光学教学中引入光学仿真的教改方法，并列举了部分仿真模拟的内容，希望通过教学手段和教学内容的改进，找出适合人才发展的课程教学方法，可以更好的提高教学水平，达到教学效果，为社会培养优秀的、需要的人才，为光信息专业人才培养奠定良好的基础。

参考文献

[1]郭婧.运用现代教学手段，改进工程光学教学.中国现代教育装备[J].2010，1：57～59

[2]雷丽巧，夏豪杰. 《工程光学》探究式多媒体网络教学方法研究. 中国科教创新导刊[J].2010，34

[3] 张军，陈哲，钟金钢. 光电信息工程专业基础课工程光学的教学方法研究.科技信息[J].2008，22