研究型课题在光学学科教学中的应用

窦 健 泰

(江苏科技大学，江苏 镇江 212003)

光电信息科学与工程专业是一个致力于将学生培养成光学工程师的专业，其专业基础课程包含了几何光学、物理光学、像差理论与光学系统、光学CAD课程设计等基础课程，涵盖了光学基本理论和实际工程应用技术，这些课程可将学生逐步从一个知识接受者转变成知识应用者直至光学工程师。在这个转变过程中，学生需以一个工程师的思维方式，将本专业特有的知识应用到解决实际问题，进而培养自身研究和解决问题的能力。但是，常规的教育方式多是教师传授知识、学生接受教师提供的现成知识和题目答案，同时通过题海战术，掌握课堂和书本上的知识，学生以应付考试为主要学习目标。这种教学模式可能致使光电信息科学与工程专业学生面对复杂实际问题时无从下手，不能将所学知识合理应用，使学生产生自我否定，产生所学专业在实际应用中无用论的想法。同时，相比理论型课程，如力学和电磁学等，光电信息科学与工程专业的光学专业教程具有以下特点：一是光学的理论知识内容繁杂，学生不容易把握重点；二是光学的实用性强，虽在传统教学中给出了部分实例，但是学生很少接触实际应用，不能将知识活学活用[1]。

为改变光学学科现有教学现状，需正确处理基础理论和实际应用的关系，突出所需知识的实用性，并在实际应用中进一步强化基础理论学习，同时使学生加深对本专业的应用前景的了解，激发他们学习和科研的兴趣[2][3]。本文针对上述问题，提出将研究型课题引入到相应的光学学科教学中的教学模式，将其传统教学与科研、实际应用相结合，将授课的基本原理与光学中涉及的前沿科学问题以及当前社会对该学科需求的技术相结合，阐述所授基础知识在研究型课题中的重要性，培养学生科研和解决实际问题的创新思维模式，增强学生运用知识的能力。

一、引入研究型课题的教学模式

(一)更新课程内容，提高教师学术水平

现有高等学校教材内容比较稳定，每版内容变化不大。但是，随着光学学科的发展，现有教材存在很大的滞后性和局限性，不能满足本学科的发展，也不能将本学科技术发展动态和新知识传达给学生，这就需要高校教师及时更新与学科有关的研究进展和新技术的内容。引入研究型课题的教学模式对高校教师提出了更高的要求，高校教师不仅要具有扎实的专业知识，还要具有一定的科研和学术能力。同时，高校教师要紧跟学科前沿，实时关注学科发展动态，不断完善学科出现的新知识，并用基础理论知识解释最新研究进展。在解释最新研究内容时，可将当前最新具有代表性的创新科研成果融入到教学中，从而保证学生能够及时了解、学习、掌握到最新的研究内容。

以笔者所在课题组为例，本课题组主要从事光学系统设计和计算成像方面的研究，这些研究内容涵盖了几何光学、物理光学、光学系统、像差等基础理论。在讲授几何光学中光直线传播、物像关系和成像系统时，可引入近轴光学隐身的概念，将隐身原理教给学生，同时提出系统参数要求，设定一个关于研究光学隐身范围和影响因素的课题。通过该课题，学生可以进一步理解光的传播和物像关系，增强学生装调光学系统的操作能力；在讲授物理光学中衍射传播时，可引入笔者研究的计算成像中迭代复原相位的课题，向学生介绍光场的组成、衍射过程以及如何计算任意距离处的衍射光场，同时给学生分派关于不同迭代算法的课题，让学生通过matlab等仿真软件模拟衍射过程以及相位复原过程，通过这些课题，学生可以根据衍射距离合理选择衍射公式、计算任意距离处的衍射光场以及由记录的光强信息复原光场的相位。教师通过设置研究型课题的方式，可鼓励学生走进实验室，参与课题的设计和研究，将所学的理论知识应用到实际中，进一步巩固加深所学知识，不仅如此，还可丰富课程内容，增加其先进性和实用性，学生通过参与课题、研究设计和实验操作等途径可培养自身的研究能力和创新思维。

(二)培养学生科研和解决实际问题的能力

引入研究型课题的教学模式是将科研、前沿学术内容引入到专业教学中，旨在培养学生知识活学活用和解决实际问题的能力。在传统的教学影响下，学生多为被动接受，不习惯主动发现问题、提出问题以及解决问题，而新教学模式可弥补这一问题，此模式是让学生成为教学中的主角，学生通过参与研究型课题，可在研究过程中自主发现问题，并随着研究的问题被解决，同时养成良好的科研精神。在自主发现问题、解决问题的过程中，学生主动探究、动手操作可以增强学生克服问题的信心。在设定研究型课题后，教师需为学生提供充足的研究时间和空间，充分发挥学生的潜力，鼓励学生动手实践、自主研究、团队合作以及相互交流，在理论学习、现象观察(目标设定)、设计研究内容、实验验证、交流问题、完善实验等过程中实现目标，解决实际问题。教师也要多给学生一些学术思想和科研方法，让学生了解、学习更多解决问题的途径。同时，要引导学生形成反思的习惯，在研究课题时总会遇到瓶颈和各种各样的问题，要通过反思，分析得出阻碍的原因。反思的过程中，学生可积累更丰富的处理科研问题的方法和经验。教师除了精心设计问题和丰富教学内容外，也应鼓励、支持学生积极参加学术活动以及申报和开展各种创新项目，也可定期开办一些学术科普讲座，让学生有更多的机会去了解前沿知识。通过以上内容，可进一步强化学生科研和解决实际问题的能力。

二、举例分析如何在学科中设置研究型课题

(一)设定基于Zemax软件的研究型课题

应用光学、像差理论以及光学CAD课程设计等课程重在培养学生光学设计的能力，光学设计的目标要求源于实际生产应用中的具体需求，与实际问题紧密联系。Zemax作为辅助设计的软件，通过其生动的图形设计界面，可让学生对光学知识有一定的直观了解，提高对课题学习的兴趣。如在应用光学中，可通过Zemax设计透镜的几何参数，然后计算物像距离，以及组合透镜系统的成像特点；在学习像差理论时，可在Zemax中设置不同的像差，并在像面或轴向位置观察不同像差对光线的影响以及实际图像与理想的图像的区别，让学生更好地理解像差的作用；在光学CAD课程设计中，Zemax可用于优化光学系统的几何参数，可帮助学生理解各参数对光学系统评价指标的影响。

本文将工业双远心光学系统设计设置为像差理论和光学CAD课程设计的研究型课题，双远心光学系统具有高分辨率、超宽景深、低畸变等独特的光学特性被广泛应用到光电检测和视觉测量中，其可对目标物体的形为参数进行高分辨非接触检测。将双远心光学系统作为研究型课题，可让学生深入了解光学设计过程以及当前热门机械视觉中的光学系统结构和大视场像差校正。双远心镜头的设计方法通常有三种，第一，先设计一个像方远心系统，然后对优化好的像方远心系统的结构进行对称变换，便可得到物方远心系统，将两个系统组合，即可形成双远心光学系统；第二，分别设计像方远心系统和物方远心系统，组合两个系统，形成双远心光学系统；第三，选取双高斯结构或反远距等光阑位于系统中部的普通成像系统作为初始结构，对其优化后，前半部分形成物方远心系统，后半部分形成像方远心系统，从而组合构成双远心光学系统。不同的设计方法对像差校正的方式不同，学生可自由选择设计方法。具体的设计指标如下：可见光波长；物方线视场y/mm：60mm放大倍率：-0.18；系统总长：<260mm;物距：100mm；F数：8；远心度：<0.02；畸变：<0.1%；MTF：>0.4(77.5 lp/mm)。由于该指标中物方线视场较大，属于宽光束，与光学CAD课程设计中主讲的近轴光学系统像差校正方法不同，学生需深刻理解像差的定义和公式，然后根据公式研究高级球差、色球差的控制函数、宽光束子午慧差与场曲的控制函数、弧矢宽光束场曲的控制函数以及垂轴色差的控制函数。在该研究型课题中，学生可以深入理解像差产生的原因、对系统的影响以及如何校正像差，同时，掌握光学系统设计的一般过程，即根据系统设计目标，计算并选取初始结构，设置优化函数，挑选优化几何参数，优化后调整优化函数以及需优化的参数，直至获得满足设计要求的光学系统。

(二)设定基于Matlab软件的研究型课题

在物理光学和信息光学这些课程中有很多繁琐的理论公式和复杂的光场分布，学生在上理论课时很难理解并应用这些公式，所以在教学时可通过Matlab软件对课程中的经典光学问题和案例进行模拟仿真，并以图片、动画和视频等形式将结果展示给学生，从而提高教学效果。如在讲授物理光学中衍射传输时，可用Matlab软件模拟光束的传输过程以及任意位置处的光场分布；在讲授信息光学中全息概念时，可用Matlab软件模拟全息形成的过程以及如何从全息图中解算相位信息。

上述的Matlab软件的应用都属于强化知识训练，为设置研究型课题，需选择当前热门、前沿的技术，本文选取基于结构光的三维测量技术作为研究型课题，该技术服务于当前热门的人脸识别技术，如苹果手机中的人脸识别。高精度、高灵敏的人脸识别技术主要采集的是人脸的三维轮廓信息，本文选用的基于结构光的三维测量技术提取三维信息，为人脸识别提供数据。首先，需用Matlab软件模拟成像过程，即通过投射结构光到待测物体上，然后在反射方向用相机捕获结构光的图像。由于待测物体表面的形貌，相机接收到的结构光图像会产生形变，通过形变量可提取三维形貌信息。求解三维形貌信息的方法有很多种，如四步移相、三步移相、彩色编码等，具体方法可由学生自由选择。在该研究型课题中，学生还需研究光场的传输、傅里叶透镜的成像过程以及结构光(全息图的形成)等内容。通过该课题，学生可深入理解衍射公式以及熟练Matlab软件编程语言。

三、结语

研究型课题的引进，是连接基础知识与前沿技术的一个纽带，它可以巩固、加深学生对理论知识的理解，培养学生的科研素养和能力，增强学生的观察、动手和思考能力。同时，该教学模式可以促进学生从一个理论学习者向一个实践应用者转变，增强学生面对现实问题时的应对能力。该教学模式满足社会对光学方面学生的需求，可培养符合时代发展的新型、研究能力强的光学人才。