光學(xué)工程類專業(yè)光學(xué)軟件課程教學(xué)模式探索

鄒林兒++范定環(huán)++傅繼武++沈云

摘 要：光學(xué)工程類專業(yè)是一門多學(xué)科交叉、綜合性強的專業(yè)，其中專業(yè)光學(xué)軟件教學(xué)是實踐教學(xué)的一個重要環(huán)節(jié)。該文從專業(yè)課程體系設(shè)計、教學(xué)方法、學(xué)習(xí)要求以及考核方式等幾方面探討研究專業(yè)光學(xué)軟件在光學(xué)工程類專業(yè)中的教學(xué)模式，提出了專業(yè)理論知識與軟件教學(xué)有機銜接的課程安排和強化軟件專業(yè)訓(xùn)練，實施以實例為主線的教學(xué)方法，強調(diào)課堂討論的學(xué)習(xí)方法，采取多樣靈活有效的小作業(yè)和小組課題考核方式。該教學(xué)模式激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生綜合知識運用能力，提高了學(xué)生光學(xué)設(shè)計技能。

關(guān)鍵詞：專業(yè)光學(xué)軟件 光學(xué)工程類專業(yè) 課程教學(xué) 教學(xué)模式

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）12（c）-0127-02

光學(xué)工程類專業(yè)是以光學(xué)、應(yīng)用光學(xué)、量子光學(xué)、非線性光學(xué)、激光技術(shù)和光電子學(xué)等為理論基礎(chǔ)，結(jié)合物理電子與微電子學(xué)、固體物理學(xué)、計算機技術(shù)以及信息與通信工程等的一門綜合性強專業(yè)[1]。近年來，隨光電信息產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，該專業(yè)類的人才需求增多，就如何辦好該類專業(yè)，以適應(yīng)產(chǎn)業(yè)需求，是許多高校乃至整個國家需要解決的課題[2]。其中，專業(yè)光學(xué)軟件課程是光學(xué)工程類專業(yè)教學(xué)的重要組成部分。學(xué)生掌握一至二門專業(yè)光學(xué)軟件，利于提高專業(yè)知識與實際應(yīng)用的綜合運用水平，助于增強就業(yè)競爭力，更為重要的是將來相關(guān)專業(yè)工作的必備技能之一。專業(yè)光學(xué)軟件依據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域大致可分為：以經(jīng)典光學(xué)和現(xiàn)代光學(xué)為基本原理的應(yīng)用在各種光學(xué)儀器或儀器系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計類軟件[3]，目前它們主要有ZEMAX、CODE V、ASAP和 OSLO等光學(xué)設(shè)計軟件；以導(dǎo)波光學(xué)和光通信為理論的應(yīng)用在光通信領(lǐng)域的器件或系統(tǒng)仿真設(shè)計的光通信類軟件[4]，如OptiBPM、 Beamprop等光波導(dǎo)設(shè)計軟件，以及OptiSystem等光通信系統(tǒng)仿真軟件；另外，其它一些計算軟件也可以用在光學(xué)方面的，如Matlab在光信息處理中的應(yīng)用[5]。

專業(yè)光學(xué)軟件的教學(xué)相對光學(xué)專業(yè)實驗教學(xué)（特別是涉及到昂貴專業(yè)實驗設(shè)備），要求的技術(shù)起點低，且能更快地讓學(xué)生接觸到實際應(yīng)用課題。我們在專業(yè)光學(xué)軟件實踐教學(xué)過程中，強調(diào)基于光學(xué)專業(yè)知識的是邏輯分析和編程訓(xùn)練的結(jié)合，提高了學(xué)生的光學(xué)設(shè)計能力。結(jié)合近幾年的專業(yè)光學(xué)軟件教學(xué)研究和實踐，我們從專業(yè)課程體系設(shè)計、課程教學(xué)方法、學(xué)生學(xué)習(xí)要求以及考核等幾方面進行探討[6-9]。

1 教學(xué)課程體系設(shè)計

1.1 專業(yè)理論知識與專業(yè)軟件教學(xué)有機銜接和融合

專業(yè)光學(xué)軟件的運用需要很強專業(yè)理論知識，一般面向于光信息科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)（現(xiàn)歸類為光電信息科學(xué)與工程）和光學(xué)、光學(xué)工程研究生專業(yè)。如ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件，其理論基礎(chǔ)為光學(xué)設(shè)計的基礎(chǔ)知識和像差理論。軟件中的專業(yè)名詞如物面、像面、高斯面等，和計算方法如實際光線計算、近軸光線計算，以及設(shè)計時的整體思路和流程等知識點都需要在專業(yè)理論課中掌握。因此，專業(yè)理論知識和專業(yè)軟件課程之間的銜接很重要。它們之間如缺乏有機聯(lián)系，在專業(yè)軟件課程教學(xué)時，學(xué)生學(xué)習(xí)效率和質(zhì)量下降，同時教師教學(xué)辛苦，整個課程進展慢。在我們的課程體系安排中，《工程光學(xué)》、《幾何光學(xué)》或《應(yīng)用光學(xué)》之類課程放置在大學(xué)二年級第一學(xué)期，以之為基礎(chǔ)的專業(yè)軟件教學(xué)，如ZEMAX之類的光學(xué)設(shè)計軟件課程，放在隨后的大學(xué)二年級第二學(xué)期。作為更高級的專業(yè)理論課程《導(dǎo)波光學(xué)》、《光通信原理》、《光波導(dǎo)理論與技術(shù)》等之類課程設(shè)置在大學(xué)三年級第二學(xué)期，隨后接下來的學(xué)期開設(shè)光波導(dǎo)設(shè)計或光通信系統(tǒng)仿真等相關(guān)專業(yè)軟件教學(xué)課程（可選修），如OptiBPM、OptiSystem等軟件。同時在學(xué)習(xí)專業(yè)軟件期間還可以安排些系統(tǒng)仿真中涉及到知識點的課程，如涉及到電光調(diào)制、四波混頻效應(yīng)等的《非線性光學(xué)》課程，涉及到光學(xué)透過率或反射率的《薄膜光學(xué)》課程等，這樣有利于這些特殊知識點和軟件教學(xué)學(xué)習(xí)有機融合。采用這樣的安排和緊密的時間間隔，使得學(xué)生在軟件學(xué)習(xí)中，不至于忘記前面學(xué)習(xí)過的理論知識。同時在軟件教學(xué)中，結(jié)合實例，將專業(yè)理論知識和軟件應(yīng)用聯(lián)系起來，提高了學(xué)生的綜合運用能力，學(xué)會如何分析問題和解決問題，加深對專業(yè)知識的理解和認(rèn)識，從而更好地實現(xiàn)應(yīng)用軟件解決問題。

1.2 強化專業(yè)訓(xùn)練

現(xiàn)在許多學(xué)校施行三學(xué)期制，我們試點把專業(yè)光學(xué)軟件學(xué)習(xí)作為實踐設(shè)計類集中放在暑假期間（第三學(xué)期）進行專業(yè)系統(tǒng)學(xué)習(xí)和培訓(xùn)，專門作為一項專業(yè)技能課程傳授給學(xué)生。專業(yè)光學(xué)軟件課程教學(xué)結(jié)束后，軟件的實際運用也是實踐環(huán)節(jié)重要的一步，可以在學(xué)生相關(guān)實習(xí)企業(yè)環(huán)節(jié)或教師指導(dǎo)的畢業(yè)論文設(shè)計環(huán)節(jié)中體現(xiàn)，例如讓學(xué)生協(xié)助參與到實際光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計或項目中，了解產(chǎn)品從產(chǎn)品設(shè)計或項目的一系列過程。這些將為學(xué)生今后在企業(yè)科研一線從事光學(xué)工程類專業(yè)工作起著積極作用，加快學(xué)生把專業(yè)知識轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用的過程。

2 教學(xué)方法和學(xué)習(xí)方式的改進

2.1 以實例為教學(xué)主線、結(jié)合實際應(yīng)用的專業(yè)光學(xué)軟件課程教學(xué)方法

傳統(tǒng)軟件教學(xué)方法一般是先介紹菜單的各項功能，然后逐步展開軟件操作步驟等，這菜單式的教學(xué)方法已不適宜專業(yè)軟件教學(xué)了。專業(yè)光學(xué)軟件不是大眾化軟件，教學(xué)目的不應(yīng)停留在軟件操作熟練程度上，而是通過教學(xué)方法應(yīng)把握學(xué)習(xí)軟件的內(nèi)涵“如何運用軟件分析問題和解決問題”。在專業(yè)光學(xué)軟件教學(xué)過程中，我們提出以實例教學(xué)為主體，從整體設(shè)計思路上把握，而對于少量的基本軟件操作串插到實例中講解。

以ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件為例，需設(shè)計一雙膠合透鏡，對于632.8 nm波長的光，其焦距為100 mm，相對孔徑為1：5，而波像差小于λ/4。在這個實例中，對于初學(xué)者來講，這些內(nèi)容基本上包括整個光學(xué)設(shè)計所需要的教學(xué)內(nèi)容（如透鏡模型或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)建立、光線追跡、波前分布、像質(zhì)評價分析等）以及設(shè)計思路和流程。在教學(xué)過程中，教師應(yīng)貫穿整個設(shè)計目標(biāo)是一個等效焦距（總光焦度倒數(shù)）為定值的光組，著重把握如何合理分配兩個透鏡的光焦度為設(shè)計思路。當(dāng)涉及到構(gòu)建透鏡模型時，教師引導(dǎo)學(xué)生如何在軟件中操作如參數(shù)設(shè)置和模型顯示，并改變不同結(jié)構(gòu)參數(shù)觀察模型變化。當(dāng)實現(xiàn)光傳輸時，重點講解光線密度概念和物理意義等，以及光線在軟件中追跡算法，串插地講如何設(shè)置光線密度和工作光波長等操作。當(dāng)講到成像質(zhì)量分析時，講解波前的物理意義，和衡量成像質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)或判據(jù)，以及一般有哪些評價函數(shù)等，重點應(yīng)放在如何分析成像質(zhì)量。最后，談到軟件自動優(yōu)化設(shè)計時，主要講解如何設(shè)計優(yōu)化函數(shù)，了解像差自動平衡的方法和有關(guān)問題，來提高成像質(zhì)量，對這個理解和領(lǐng)悟是學(xué)生以后逐步走向更高層次的光學(xué)設(shè)計關(guān)鍵。endprint

通過實例教學(xué)，一方面讓學(xué)生體會到專業(yè)軟件與應(yīng)用緊密結(jié)合，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的課堂參與度。更重要的是培養(yǎng)學(xué)生的光學(xué)設(shè)計整體思路，結(jié)合專業(yè)知識訓(xùn)練如何分析問題和解決問題，提高綜合應(yīng)用專業(yè)軟件能力。

同時，教師對實例的篩選，要具有經(jīng)典性和適宜的難易度。我們知道專業(yè)光學(xué)軟件功能強大，涉及面廣，如ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件大致包括照明和成像兩個范圍。在專業(yè)光學(xué)軟件的學(xué)習(xí)訓(xùn)練中一般分為初級、中級、高級三個層次。在中、高級層次訓(xùn)練中是針對特定設(shè)計目標(biāo)，比如照相鏡頭設(shè)計、光譜儀系統(tǒng)的設(shè)計等，在這里需要更高級光學(xué)專業(yè)知識，如《高等光學(xué)》、《傅里葉光學(xué)》等。因此，教師在教學(xué)過程中針對不同學(xué)生層次，要把握教學(xué)難度和深度。

2.2 堅持課前專業(yè)知識鞏固，課堂學(xué)習(xí)討論，課后上機復(fù)習(xí)的學(xué)習(xí)方式

專業(yè)光學(xué)軟件里面涉及到許多專業(yè)名詞，對它們準(zhǔn)確理解，利于參數(shù)設(shè)置時有清晰的物理意義。這些專業(yè)名詞的知識來自前期專業(yè)理論課程，需要學(xué)生課前自主鞏固、查閱資料，比如軟件中的有效焦距、波前、像差、評價函數(shù)等專業(yè)名詞。在課程上，以實例討論為主，學(xué)會分析問題和解決問題。以ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件為例，可以討論影響像差的因素是哪些，如何通過調(diào)整孔徑光闌位置改善像差，以及在設(shè)計中如何平衡和分配各類像差等問題。通過實例講解和討論的學(xué)習(xí)方式，除了在課堂上激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和興趣外，還加強對專業(yè)知識綜合理解和提高應(yīng)用軟件解決問題的能力。課后布置學(xué)生上機復(fù)習(xí)，一是讓學(xué)生消化課程上的知識，進一步嘗試解決實例中出現(xiàn)各種情形；二是提高學(xué)生對軟件使用熟練程度。這種學(xué)習(xí)方式讓學(xué)生從被動式的課堂聽課、上機練習(xí)，改變?yōu)橹鲃有缘恼n堂學(xué)習(xí)討論，課后自主復(fù)習(xí)和鞏固光學(xué)軟件應(yīng)用思路，鼓勵學(xué)生嘗試新的設(shè)計方案。對教師而言，一是讓學(xué)生認(rèn)識到專業(yè)軟件課程學(xué)習(xí)的重要性和優(yōu)勢，充分調(diào)動學(xué)生的積極性和學(xué)習(xí)興趣，是主動性學(xué)習(xí)方法的前提；二是引導(dǎo)課程討論由淺入深，抱磚引玉。近幾年來實踐教學(xué)反饋，低年級學(xué)生意識到專業(yè)光學(xué)軟件學(xué)習(xí)是光學(xué)理論知識與實際應(yīng)用結(jié)合的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以及在就業(yè)方面占據(jù)較大優(yōu)勢，這已經(jīng)形成學(xué)生的共識，起著良性循環(huán)作用，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)軟件積極性。

3 采用多樣靈活有效的考核評價方式

專業(yè)光學(xué)軟件課程有著自身的內(nèi)容特點和教學(xué)規(guī)律，僅僅采用傳統(tǒng)的筆試、上機考試的考核方式是不能很好適應(yīng)專業(yè)光學(xué)軟件教學(xué)考核要求。專業(yè)光學(xué)軟件課程的教學(xué)目的是不僅僅讓學(xué)生熟練使用軟件，更為主要的是能結(jié)合專業(yè)知識應(yīng)用軟件進行光學(xué)項目分析和設(shè)計。因此，專業(yè)光學(xué)軟件課程的考察就是評價學(xué)生的專業(yè)知識綜合運用與分析能力，包括專業(yè)知識的理解、項目的分析和解決能力、計算編程水平等幾方面綜合素質(zhì)表現(xiàn)。基于此，我們在教學(xué)過程中采取多樣靈活有效的考核方式。

（1） 小作業(yè)。平時主要考察學(xué)生對專業(yè)光學(xué)軟件的操作能力和專業(yè)知識的理解與應(yīng)用。這通過課后布置小作業(yè)來考察學(xué)生平時對知識點掌握情況，同時還兼顧知識小結(jié)的復(fù)習(xí)和鞏固。

（2） 小組課題。學(xué)期快結(jié)束時，提前三至四周時間，分小組布置不同課題（或項目），如設(shè)計光學(xué)鏡頭（廣角、微焦距鏡頭等）、光波導(dǎo)器件等。在規(guī)定時間內(nèi)，讓小組學(xué)生自主討論，查閱資料，最后形成項目文檔，提交設(shè)計報告。這種考核方式，對個別基礎(chǔ)差的學(xué)生實現(xiàn)起來有一定難度，但通過小組成員合理搭配（平常成績好的帶動成績較差的），這不僅提高整體學(xué)生的專業(yè)水平，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生個人能力，如溝通、管理、創(chuàng)新、團隊協(xié)作與領(lǐng)導(dǎo)等。

還要強調(diào)的是，教師在最后考核結(jié)束時，給予學(xué)生提交的項目報告進行點評，應(yīng)重點評價學(xué)生的思維過程，同時幫助學(xué)生得到合理的答案，使得對學(xué)生的考核成為課堂教學(xué)的延伸。

4 實踐教學(xué)中相關(guān)問題思考

目前專業(yè)光學(xué)軟件實踐教學(xué)表明，上述措施的實施，在教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生受歡迎度方面有很大提高。但仍存在一些更高層次的問題，值得思考與進一步完善。

（1）研究性教學(xué)的融合。這主要體現(xiàn)在分小組討論中，如在專業(yè)光學(xué)軟件教學(xué)實踐過程中融合研究性教學(xué)，這將進一步提高教學(xué)質(zhì)量，更為重要的是增強學(xué)生個人能力和素質(zhì)修養(yǎng)，如創(chuàng)新能力、科學(xué)精神和科學(xué)態(tài)度以及團隊精神。

（2）專業(yè)光學(xué)軟件實現(xiàn)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。目前我們使用的基本是國外專業(yè)光學(xué)軟件，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的專業(yè)光學(xué)軟件很少，其根本原因是在人才培養(yǎng)過程中缺少相關(guān)創(chuàng)新能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)。因此，在專業(yè)光學(xué)軟件教學(xué)過程，以此為契機如何培養(yǎng)能實現(xiàn)具有自主知識產(chǎn)權(quán)軟件研發(fā)、創(chuàng)新能力人才，這也是我們面臨一個重要課題。

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