光学信息处理课程教学改革思考

王本立

摘  要：光学信息处理是一门理论性和应用性都很强的课程。本文针对近年来该门课程在电子科学与技术专业的教学活动中发现的一些问题，提出了一些针对性的改革措施，包括缩减部分光学信息处理课程和其他课程重复的内容、增加虚拟仿真实验、提高学生在课程中的参与度，以及加大课程的过程考核。通过这些措施的实施，有效地提高了教学效果，提升了学生自主学习的能力。

关键词：光学信息处理  教学改革  虚拟仿真实验  过程考核

中图分类号：G642                             文献标识码：A                    文章编号：1674-098X（2020）11（c）-0171-04

Thoughts on the Teaching Reform of Optical Information Processing Course

WANG Benli*

（College of Mathematics and Physics， Beijing University of Chemical Technology， Beijing， 100029 China）

Abstract： The optical information processing course is highly theoretical and practical.  Some related problems have been found in the teaching activities for electronic science and technology major in recent years. Reform measures including some deletions of this course， adding virtual simulation experiments， increasing student participation and course process assessment are proposed in this paper in order to address the problems. These measures effectively improve the teaching effect and the self-study ability of students.

Key Words： Optical information processing; Teaching reform; Virtual simulation experiment; Process assessment

光，对于地球生物来讲，是非常重要的。我们每个人从一出生就开始接触、观察和利用光，比如反射现象、彩虹和海市蜃楼。人们在观察和研究光的过程中，逐渐发展出了物理学的一个新的学科方向——光学。光学属于物理学的一个重要学科分支，其发展不仅促进了人们对光的本质的认识，而且了衍生出一系列基于此的技术，对现代社会的发展具有重要的意义。特别是自从20世纪60年代初激光器的诞生以后，光学的发展进入了新的时代，以激光器为基础的光学研究成为了非常活跃的研究领域，形成了包括非线性光学、信息光学、量子光学等分支的现代光学[1-2]，而其应用也已渗透到了许多领域，如通信、信息处理、工业生产、生物医学、国防军事等。进入21世纪以后，光学在理论和应用上都得到了迅速的发展，理论上形成了以微纳光学为代表的新的学科分支[3-6]，同时也是非常活跃的前沿研究领域;而实际应用更是渗透到生活的方方面面，如随处可见的扫码技术。可以预见未来光学仍将是非常活跃的学科方向，而其应用也将会与我们的生活更加密切。

1  改革背景

信息光学属于现代光学的一个重要的学科分支，它是将应用光学和信息科学相结合，采用信息学的方法研究光学问题的学科。而对于光学信息处理这门课程来讲，很容易看出来该门课程是讲述采用某些方法对光学信息进行处理的过程，因此该门课程的许多内容和信息光学是一致的，只是侧重点不同，光学信息处理课程强调的是光学信息处理的方法[7]。首先，我们简单回顾下光学信息处理的发展历程。光学信息处理的早期发展可以追溯到1873年德国科学家阿贝的研究工作，即阿贝关于显微镜成像提出的二次成像理论，在该理论的基础上，就有了著名的阿贝-波特实验，从实验上验证了空间滤波;1935年，泽尼克发明了相衬显微镜，通过将相位分布转换为强度分布，使得相位物体可以被观测到，利用空间滤波实现了相位分布到强度分布的转换;近代，光学信息处理发展迅速，1948年，英国科学家丹尼斯提出了波阵面再现理论，即全息术的概念;1955年，光学传递函数的概念得以建立;1960年，激光器诞生;1963年，范德拉提出了复数空间滤波的概念，至此，光学信息处理开始进入广泛应用的阶段。20世纪80年代以后，光学信息处理进入了新的发展阶段，如光电混合系统、光学神经网络、全光计算等。

其次，我们来探讨光学信息处理的课程内容。该门课程包括以下内容，首先为傅里叶光学基础部分，该部分需要讲授常用的几个初等函数，包括它们的形式、特点和性质，傅里叶变换理论、角谱理论以及透镜的傅里叶变换性质，前面两小部分内容偏数学，而后面两小部分则为物理光学内容，偏理论，也比较抽象;其次为经典光学信息处理内容，主要包括空间滤波技术、照相图像的恢复，全息术等;再次为非相干光学信息处理部分，包括杨氏干涉仪和迈克尔逊干涉仪以及对应的空间相干性和时间相干性，该部分属于物理光学部分内容，傅里叶变换光谱仪、消像素技术以及计算层析术等;接下来为光学图像识别部分，主要介绍图像识别技术、Vander Lugt相关器以及联合变换相关器等内容;再次为广义傅里叶变换及其光学实现，包括广义傅里叶变换的定义、性质以及从光学设计上如何实现等内容;再次为小波变换，类似的包括小波变换原理、光学实现方法等;再次為在光学信息处理中经常用到的一种器件——空间光调制器，包括电寻址空间光调制器、光寻址空间光调制器以及分别对应的常用几种空间光调制器的原理、结构等内容;此外，在教材里面还介绍了光纤通信基础、天文观测中的光信息处理等内容[7]。通过以上介绍，很容易发现经过这么多年的发展，光学信息处理的内容已经非常丰富，而且还在不断发展中，同时也可以看出来，如果只是从理论上去讲授这些知识，很多内容都比较抽象。

至此，我们已经对光学信息处理的发展进行了简单的回顾，也对光学信息处理课程内容进行了介绍。接下来我们将结合课程实际情况介绍课程改革的缘由。首先，我们该门课程的授课对象是北京化工大学电子科学与技术专业大三学生，学生们经过大学前两年的学习已经有一定的课程基础，但是一方面由于本专业不是物理类专业，所以学生们的光学知识的储备还是略显不足;另外一方面由于该门课程的相关课程应用光学属于专业选修课，因此学生们的相关知识基础也是不同的。其次，通过前面课程内容的讲述，我们可以看出该门课程的内容还是非常多的，然而我们课程的学时安排只有32学时，如何在这么短的时间内让学生掌握我们的课程内容，就需要在教学过程不断总结经验、调整以及对课程进行一些改革。再次，该门课程是以傅里叶光学为基础，在这部分内容里面，需要讲解傅里叶变换以及空间分布和空间频率分布的转换[7-9]，这些內容都比较抽象，学生理解较为困难，如何让学生能够更好地理解这些物理图像对于教学效果来讲是非常重要的。最后，从专业培养的角度来讲，我们希望培养面向未来的光电复合型人才;而从我们学生的实际就业情况来看，我们专业的学生有许多也进入了光学相关的企业，如京东方。因此，从课程需求来讲，该门课程是非常重要的，同时也需要面向未来不断进行改进。总之，不管是从实际教学角度，还是面向未来培养高素质的科学素养人才的角度，都需要课程不断进行改革，教学现代化，以求取更好的教学效果。

2  改革原则和目标

2.1 从光学信息处理课程的特点出发，解决好两个基本问题

进行该门课程改革的目的，是提高教学效果，培养面向未来的具有高科学素养的人才。我们需要努力解决好该门课程需要面对的两个基本问题，首先是该门课程内容的选择和有限的课时安排导致的问题，其次是部分学生相关知识积累可能不足的问题。

光学信息处理属于现代光学的一个分支，需要学生具有一定的应用光学和傅里叶光学基础，课程内容丰富，涉及到了许多实际的光学应用，如空间滤波、全息术、指纹识别等，这样也导致课程内容分散，不易形成一个完整的体系。因此，在课程改革过程中，既要重视基础的推演和分析，如傅里叶光学的基础和简单的几何光路分析，又要总结和归纳，将4-f系统作为一条基本的线，将课程系统化。此外，注重讲解课程的基础知识和难点，引导学生掌握分析问题和解决问题的能力，而对于部分课程内容，如原理和技术手段相同，只是应用实例不同，可以留给学生自己学习。这样我们就可以解决好上述两个基本问题。

2.2 以学为主，注重过程考核

光学信息处理课程既是电子科学与技术的专业课，又是扩展学生工程实践见识的基础课。在课程活动中，要将传统上的以教为主，转化为以学为主，加强学生课程活动中的参与度，培养学生的自主学习能力和创新能力。

3  改革内容

在具体的教学活动的开展过程中，我们进行了以下几个方面的探索。

（1）考虑到该课程需要在短短的32个学时内完成，在保证课程的培养目标的前提下，我们将课程内容安排做了一些调整，首先傅里叶光学基础部分的内容需要6个学时来完成，在这部分授课过程中，强调基础和应用，淡化数学公式的推导，重视物理概念的理解。通过这一部分课程的学习，使得学生都能满足课程的知识要求。此外，在课程内容上，考虑到有限的学时和教材部分内容与其他课程的重复，我们将广义傅里叶变换、光纤通信等章节作为选学自修内容，这样一方面可以保证我们整个课程内容具有充足的时间，另外一方面由于给基础内容留下较多的时间，这样可以强化学生的基础知识，为后续课程的学习打下牢固的基础。

（2）光学信息处理课程如果只进行理论授课，许多概念往往比较抽象，学生掌握起来比较困难，比如该课程中非常重要的光学系统4-f系统，通过该系统我们可以实现物的空间分布到空间频率分布，再回到空间分布的转换，学生可能从理论上理解了这种转换，然而在实际应用时往往并不能很好地掌握这其中的物理图像。为了使学生更好地掌握该课程的内容，如空间频率分布的形式、空间滤波等，该门课程应该增加专门的实验内容，这样便能够直观地观测各种现象，也能够更深刻地理解光学信息处理涉及的物理概念和方法。但是，由于我校电子科学与技术专业实验室建设进度等客观原因，相关的实验项目还无法开放。结合实际情况，考虑到本专业的仿真实验室已经建设完成，为了更好地促进学生的理解，我们将6个学时专门分配给仿真实验的开展。仿真实验内容主要是完成空间滤波实验，包括阿贝实验模拟以及其他的空间滤波实验，学生需要自己完成滤波器的设计和实现，以及最终完成整个滤波器实验的模拟。此外，我们还尝试在课程中引入更多的仿真实验，当然在不增加课程总学时的前提下，我们引入的其他的仿真实验可以以作业形式留给学生自己完成。考虑到这一情况，我们的仿真实验安排在课程中进行，即讲完经典光学信息处理以后，我们就先开展仿真实验，这样学生可以提前熟悉仿真实验的流程，也方便自己完成其他的仿真实验项目。

（3）作为大三的专业课程，我们不只需要培养学生掌握课程内的内容，而且需要培养学生文献查阅、整理以及自主学习的能力。在课程中，我们会根据课程的进度，安排学生分组查询相关技术的最新发展，最后以小组报告的形式在课上展示给大家。同时，我们加强了过程考核，增加了平时成绩所占比例，通过平时课程的作业，加强学生自主学习的意识，逐步地将以教为主，向以学为主转换。

4  教学效果分析

为了了解我们在光学信息处理课程中所进行的一些改革探索的效果，以及在后续的课程中更有针对性地进行一些课程探索，以更好地提高教学效果，我们分别对2017年、2018年和2019年该门课程的成绩进行了分析。首先，我们来看下该门课程的选课情况，2017年该门课程的选课人数为69，2018年的选课人数为66，2019年的选课人数为61，此3年该门课程的选课人数都超过了整个专业人数的50%，在实际教学活动中，每年都有个别学生因为各种原因没有参加实际教学活动或考试，剔除掉这部分学生以后，2017年的有效学生人数为66，2018年的有效学生人数为65，2019年有效学生人数为59，在后续的分析中，我们以有效学生人数为准。从整体选课情况来看，学生对课程还是比较认可的。其次，我们来说明下这3年该门课程的考核形式，为了强调过程考核，该3年我们过程考核所占成绩比例都为40%，最终考试所占成绩比例为60%，2017年和2018年过程考核形式相同，成绩主要由各种作业和课堂表现决定，而在2019年我们引入了仿真实验，这部分也纳入到了过程考核中。该3年的期末考试内容难易程度相当，都是适中的，主要考察学生对基本知识和方法的掌握。最后，我们来对3年的课程成绩进行简单分析，2017年和2019年平均成绩都在74分左右，2018年的平均成绩为70分，2018年的平均分偏低一些的原因是个别同学虽然在我们的有效计算人数内，但是卷面成绩几乎为0分，我们预期平均分在78分左右，基本达到了我们的预期;此外我们对优秀率也进行了分析，2017年为7人，占比为10.6%，2018年为6人，占比为9.2%，2019年为11人，占比到达了18.6%，2019年优秀率为2018年的两倍多，和2017年相比也几乎达到两倍。由此，我们可以看出，我们在课程中进行的一些改革探索，还是比较成功，首先学生对该门课程是认可的，作为电子科学与技术专业的光学类课程，选课人数超过了专业人数的一半;其次，课程成绩的效果也是比较明显地，特别是在2019年，我们将仿真实验引入了课程中，效果是非常明显的。

5  结语

总之，不管是从我们培养面向未来人才的目的来讲，还是从社会发展的角度来讲，我们的授课方式和授课内容都是需要不断调整，当然课程改革属于系统性的工程，也需要更多的实践去验证和支持，未来针对光学信息处理课程我们将进一步尝试改革，特别是建立更多的仿真实验项目，平衡理论教学和实验教学的关系，进一步提高教学效果。

参考文献

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