关于《光学CAD》课程教学的探讨

【摘 要】在工程光学学科教学中，《光学CAD》课程是一门重要的实践性课程。该课程所传授的理论知识能够巩固学生的光学专业基础，所传授的光学设计软件的实际操作能够增强学生的实践动手能力与创新能力。针对该课程及其教学内容的主要特点，主要探讨了加强理论与实践相结合的教学手段，通过学生分组和针对性的任务书下达，引导学生合作完成，掌握光学设计的基本思路，提高学生的就业竞争力和继续深造的学习能力。

【关键词】光学CAD；教学手段；Zemax

【Abstract】In the teaching courses of Engineering Optics， “Optical CAD” is an important practical course. The theory knowledge of the course can impart can strengthen students optical professional foundation， and the practical operation of optical design software can enhance students practical ability and innovation ability. In this paper， the main characteristics of the course and teaching content are presented. The means of strengthening the combination of theory and practice teaching is discussed. Through the student group and targeted tasks， guide students to cooperate to complete the tasks， master the basic ideas of optical design， and the students employability and the ability to further study are improved.

【Key words】Optical CAD；Teaching Means；Zemax

0 引言

《光学CAD》课程是南京邮电大学光电工程学院光信息科学与技术等相关专业的一门专业选修课，是光电信息工程专业的特色课程，是一门重要的实践性课程，所有内容都是基于前期学习过的《应用光学》和《物理光学》的理论知识，该课程与先修的理论基础构成一个完整的体系，完成了由理论学习到工程实践的过渡[1]。其相关知识和工具的使用是该专业本科生今后就业和继续深造经常需要的基本必备能力。南京邮电大学光电工程学院早在2010年就进行了将光学设计软件Zemax应用于《应用光学》双语课程的教学改革[2]，为《光学CAD》课程做好了前期学习的基本铺垫。

1 课程及其教学内容的特点

现代光学仪器的研发离不开成熟的光学设计思想[3]。在工程光学学科中，光学设计是光学发展中关键的一步，对光学发展以及教育有着重要的影响[4]。《光学CAD》课程的目的就是基于先修课程的理论知识，应用于实际的光学软件设计中，使学生能够掌握光学设计的基本思路，对基本光学系统能够进行分析与优化设计。该课程安排在本科生学习的第7个学期进行，共32个学时，一方面，先修课程《应用光学》和《物理光学》早已完成；另一方面，这个学期的学生正面临今后就业和继续深造的抉择期，所以，该课程的学习对学生的影响意义深远。

《光学CAD》课程的主要内容有：光学系统的基本参数建立、光学系统的像质评价、光学系统的优化和建立和基本光学系统的设计（包括双胶合透镜、简单的扩束系统设计等）。为了更好的体现课程的实践性，课程的所有学时都安排在学校的计算机辅助实验室进行，所有的教学内容都是基于先修课程的理论知识，结合光学设计软件Zemax，一边讲解理论知识，一边在软件中进行演示操作或设计，学生和老师同步进行软件的具体操作，基本做到“手把手”的教学效果。

在该课程中选择Zemax软件作为教学中光学设计工具是完全根据目前的实际应用情况来决定的：由于其优越的性价比，近几年来Zemax光学设计软件在光学设计领域所占份额越来越大，在全球已经成为最广泛应用的软件之一，2013年Zemax公司还在上海成立了中国子公司。基本上所有的有关光学工程师的应聘单位已将是否会使用Zemax软件作为招聘的基本条件。所以，该课程的学习，可以使学生在就业中提高竞争力，而且走上工作岗位后，可以少走弯路，直接发挥自己的专业特长。

2 理论与实践教学内容的结合

由于学生对先修课程中有关理论知识可能有些遗忘，在该课程的教学过程中还包含了一部分的理论讲解，结合教育心理学，上课的前几分钟不太适宜新知识的教学，所以，每次上课的刚开始，都是通过一些含有知识点问题的提问，启发学生去思考问题，回顾前面所学的知识，再根据学生的具体反映情况，来对理论知识进行适度的回顾与讲解。在具体的理论知识教学中，例如，像差理论的学习，一边和学生一起回顾课本上的各种像差的概念，一边通过Zemax软件的具体操作学习，分别把各种像差的直观图形和分析功能在Zemax中显示或演示出来，从而既可以加深学生对有关像差理论知识的掌握，又可以让学生熟练软件的具体操作。

该课程的培养目标，是夯实学生的光学专业基础，培养学生灵活运用基础知识的能力，培养学生的分析、发现和解决问题的能力，培养学生的实践动手能力与创新能力，是理论与实践相结合的要求体现。现代科技任务要求人们既具有独立工作能力，又具有团队协作能力，例如，光学设计者要与其他相近领域（如光学机械、制造与检测）人员能成功沟通与相互促进。为此培养目标，老师对学生的光学设计任务的下达既要体现个人对理论知识的运用能力，又要体现实团队的光学设计实践能力。

因此，学生可以2～3人一组、分工协作，老师下达至每一组的任务书都不同，即每个学生的设计任务不同，如光学特性参数要求不同或像差要求不同，这部分任务可巩固学生理解光学系统像质与视场、孔径、焦距等参数之间的关系等等。而且，在技术要求上，模拟工程领域设计实务要求，如必须对曲率半径按国标（如GB3158-82）要求进行规整。通过这些教学方法，避免学生懒惰或相互抄袭，在成绩评定上，将设计结果的创新性程度、对工程设计实务的考虑周全程度等方面作为评分点，并且同设计任务一起，详尽地发到学生手中，引导学生主动设计有用、可制造、成本低的光学系统，培养学生设计中主动考虑工程实践的意识，培养学生的创新设计意识，避免学生仅为完成任务而设计、或仅为创新而设计虚拟无用的光学系统。

在具体的任务完成过程中，每一组学生可以通过讨论协商根据不同的要求来选择初始结构，然后再按照光学设计的基本流程，设置变量、评价函数，对初始结构进行优化设计，每一步具体的操作设计中，都需要学生的合作来完成。在实际的教学过程中，老师通过引导学生，如果在具体是设计过程中出现了设计问题，那么组员间就要相互讨论先从理论知识方面查找原因，再根据光学设计流程查找实践操作上的原因，最后让学生自己找到解决问题的方法，让学生在该课程的学习中得到成就感，积极调动他们学习的主观能动性。

3 结束语

光学设计是光学发展中关键的一步，对光学发展以及教育有着重要的影响。以光学设计为主要教学内容的《光学CAD》课程，在光学专业人才的培养方面具有重要的作用，可增强学生未来的就业竞争力，可为后续光学专业的继续深造学习打下基础。在教学过程中，加强实践设计与理论结合，不仅能够夯实学生对基础知识的理解，真正体会到先修课程中理论知识的应用性，而且能够激发学生的学习兴趣，培养学生的实践设计能力。因此，《光学CAD》课程的学习对学生的影响意义深远，有关的课程教学探讨对老师提高教学水平具有重要的参考价值。

【参考文献】

[1]张继艳，熊飞兵.以工程素质为导向的光学设计CAD教学方法探讨[J].中国电力教育，2013（31）：93-94.

[2]孔梅梅，徐宁，万静，等.Zemax软件在《应用光学》双语课程教学中的应用[J].科技创新导报，2011（1）：185.

[3]谢婧，王晓峰.光学设计，现代光学仪器的灵魂——资深光学设计专家王之江院士访谈[J].激光与光电子学进展，2008，45（12）：68-70.

[4]冷玉国.应用光学教育发展现状分析及研究[J].长春理工大学学报：高教版， 2007，2（3）：91-93

[责任编辑：刘展]