基于Zemax软件的光学仿真实验平台的设计探究

许晓赋，杨秀珍，郑飞杰，高忠坚，张锐戈

(三明学院 机电工程学院, 福建 三明 365004)

研究型人才和应用型人才的培养是目前我国高等教育发展的两条培养路径[1-2].研究型人才在专业深度上属于厚知识结构，提倡知识必要原则；应用型人才在专业广度上属于宽知识结构，提倡知识够用原则.应用型人才培养和工程实践活动是紧密联系的.工程实践是一种需要观察和动手的实践活动，因而实践是未来工程师培养的重要环节[3]，而实践教学是培养应用型人才的重要教学手段之一.为此，未来工程师的培养有必要减少理论学时，增加实践环节学时.同时，现代工程师的培养任务应当由个人独立学习转变到分组合作学习，让学生参与系统的构思、设计、实现和运行中的全部过程.因此，将工程师的培养需求应用到专业教学，是应用型人才培养的未来发展趋势.

光电信息科学与工程是一门培养未来工程师的专业.该专业由于实践性强和对数理基础要求高的特点，因而在理论环节和实践环节的要求较高[4].光学设计是光电信息科学与工程专业的核心课程之一[5]，且其是一门运用理论知识结合上机实践操作、突出学生知识的应用能力和创新能力的课程.而知识的应用能力和创新能力是现代工科大学生创新实践能力的体现[6].推进创新教育改革，是国家实施创新驱动的发展战略，是高校推进教育综合改革和高校促进毕业生更高质量就业的重要举措[7].当下，全国各个高校试行以培养学生工程素质与综合创新能力为基本目标，将学生培养为既具有坚实理论基础又具有相当实践能力的复合型实用人才.同时，采用合适的教学方法，提高学生的实践动手能力，是高校教师值得思考的问题.例如，结合创新创业、第二课堂、教师科研及学生毕业论文等实践环节，提高学生实践动手能力，培养学生独立分析问题、解决问题的能力，以提升学生自身的创新创业能力及工程训练能力，从而为学生在未来更好地从事光学设计方面的工作打下坚实基础.为此，本文从光学设计课程在实践教学的角度出发，对该课程实践教学部分存在的问题进行了研究和解决方案探索.

1 光学设计实践教学中存在的问题

目前，在开设有光学信息科学与工程专业的高校中，光学设计的课程实践教学效果往往不太理想.其主要原因在于：专业实践的教学体系不合理[8-9]，实践教学方法单一[10-11]，“双师型”师资队伍薄弱[12-13]，以及实践教学设施和校企合作不足[14-17]等.这些因素在一定程度上限制了实践教学课程的推进与提升.其中，实践教学设施的不足，归根结底还是经费原因.虽然高校经费容易受各方面因素的限制，但是大部分高校仍会积极采取各种措施改进实验平台，以保证教学的正常进行.目前，在全国各高校开设光电信息科学与工程专业中的光学设计实践教学平台中，普遍采用由一台教师端的电脑和一系列学生端的电脑通过交换机及网线等辅助设备构成，优化前的光学设计仿真实验平台结构图如图1所示.同时，在硬件搭建完成后，需要在每一台电脑上安装课程教学软件Zemax.Zemax软件分为：标准版(Standard)、专业版(Professional)以及旗舰版(Premium).其中，Zemax软件旗舰版在功能上最齐全.目前，该旗舰版软件的市场价格大约为20万元.一套Zemax软件的序列号，只允许在同一局域网内10个用户同步使用，而一个正常的教学班级人数为50人左右.因此，要完成一个班级的正常教学需要购买五个序列号，才能达到教学的基本条件.而同时使用多个序列号，容易造成管理上的困难，并会存在账号遗失或转移的风险.并且地方应用型本科院校的教学经费相对有限.因此，一次性购买五个系列号的方案难以实现.

图1 优化前的光学设计仿真实验平台

笔者针对传统光学设计仿真实验平台存在的问题，提出了一种在光学设计课程实践中使用Zemax软件的仿真实验平台搭建的解决方案.

2 光学设计仿真实验平台的设计及搭建

在只有单个序列号的Zemax软件的限制下，要能够完成50人左右教学班级的正常教学活动，可通过提升光学设计仿真实验平台的硬件来替代购置多套Zemax软件的方案.整个方案如图2所示.其中，虚线框的教师端，用于安装Zemax软件及授权码.两台高端的服务器作为主机且同时安装Zemax软件.服务器上的软件是同一局域网上教师端主程序的分发席位.

图2 优化后的光学设计仿真实验平台

表1 Zemax软件的系统要求

2.1 系统硬件的设计搭建

对于服务器的配置，需要根据Zemax软件的要求.一方面，根据Zemax软件提供方提供的数据可知，要达到多用户同步操作服务器上的Zemax软件，其服务器平台可采用Windows Server 2019操作系统.另一方面，根据Zemax软件提供方提供的数据可知，一个用户正常使用Zemax软件至少得使用双核CPU及2G内存.而50个客户端同步远程访问服务器，服务器至少得拥有100核CPU及100G内存.根据这些条件，需要配置两台服务器.每台服务器大体可采用如下配置：CPU采用4个Intel Xeon Gold 615，总核心数为72核；服务器内存配置5个64GB的R-ECC DDR4内存(频率为2666MHz)；其他(如主板、显卡等)按支持的CPU来配置.根据这个配置，两台服务器分配给50个用户数中的每个用户双核CPU及8G内存.剩下的44核CPU及240G内存由服务器上的其他程序运行使用.两个服务器的配置总价格大概在30万元，这样可以节约一半的教学经费.

2.2 系统软件的设计搭建

在上述的硬件基础上，还需要软件的支撑.对于校内访问而言，学生通过校内局域网的连接，可以在机房的客户端直接远程访问服务器上的Zemax软件进行软件的学习、操作和设计等环节，也可以在宿舍通过本人的电脑远程访问服务器.电脑上的远程桌面访问服务器的界面(以Win 7为例)，如图3所示.设置服务器的IP地址及预先在服务器上设置允许访问的账号及密码等就可以顺利访问.客户端的远程桌面连接界面如图3所示.

表2 运行Zemax软件的硬件最低要求

如若学生访问端不在校内网，想在外部环境下使用校内的Zemax软件，则可按照以下流程进行操作.首先，在个人电脑上安装Easy Connect软件.此处选用的Easy Connect(版本号为7.6.7)；其次，在打开的软件[界面如图4(a)所示]中输入学校的VPN网址；再次，在之后弹出的的界面上[如图4(b)所示]，学生通过自己的网络账号及密码进入校内网；最后，学生通过远程桌面(如图3所示)即可正常访问服务器上的Zemax软件.

图3 客户端的远程桌面连接界面

图4 VPN连接校园网界面

以上的设计方案实施，可解决Zemax软件在单套用户数少、多套价格昂贵等问题，且学生还可随时随地使用正版软件，从而在技术上可以保证学校的教学及学生的学习正常化.

3 结语

光学设计课程是一门与工程实践结合很紧密的学科，其实践教学内容也要不断改进，以适应当今光学设计人才培养的需求.Zemax软件是高校光电信息科学与工程专业光学设计虚拟仿真实验课程的主流软件，也是该专业学生未来从事光学设计工作的重要实践工具.针对Zemax软件使用人数限制的特点，建设以服务光电专业学生学习为目的的虚拟仿真实验平台，让学生在校内自由通过远程桌面实现平台系统的访问，在校外也可通过VPN结合远程桌面实现平台系统的访问.该方案的设计及搭建可保证实践教学的正常开展及学生课后学习、毕业设计等环节的使用，从而大大节省学校教学经费的支出，并保证该仿真实验平台系统的利用率得到有效提高.