光學工程類專業光學軟件課程教學模式探索

鄒林兒++范定環++傅繼武++沈云

摘 要：光學工程類專業是一門多學科交叉、綜合性強的專業，其中專業光學軟件教學是實踐教學的一個重要環節。該文從專業課程體系設計、教學方法、學習要求以及考核方式等幾方面探討研究專業光學軟件在光學工程類專業中的教學模式，提出了專業理論知識與軟件教學有機銜接的課程安排和強化軟件專業訓練，實施以實例為主線的教學方法，強調課堂討論的學習方法，采取多樣靈活有效的小作業和小組課題考核方式。該教學模式激發了學生學習興趣，培養了學生綜合知識運用能力，提高了學生光學設計技能。

關鍵詞：專業光學軟件 光學工程類專業 課程教學 教學模式

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

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

專業光學軟件的教學相對光學專業實驗教學（特別是涉及到昂貴專業實驗設備），要求的技術起點低，且能更快地讓學生接觸到實際應用課題。我們在專業光學軟件實踐教學過程中，強調基于光學專業知識的是邏輯分析和編程訓練的結合，提高了學生的光學設計能力。結合近幾年的專業光學軟件教學研究和實踐，我們從專業課程體系設計、課程教學方法、學生學習要求以及考核等幾方面進行探討[6-9]。

1 教學課程體系設計

1.1 專業理論知識與專業軟件教學有機銜接和融合

專業光學軟件的運用需要很強專業理論知識，一般面向于光信息科學與技術本科專業（現歸類為光電信息科學與工程）和光學、光學工程研究生專業。如ZEMAX光學設計軟件，其理論基礎為光學設計的基礎知識和像差理論。軟件中的專業名詞如物面、像面、高斯面等，和計算方法如實際光線計算、近軸光線計算，以及設計時的整體思路和流程等知識點都需要在專業理論課中掌握。因此，專業理論知識和專業軟件課程之間的銜接很重要。它們之間如缺乏有機聯系，在專業軟件課程教學時，學生學習效率和質量下降，同時教師教學辛苦，整個課程進展慢。在我們的課程體系安排中，《工程光學》、《幾何光學》或《應用光學》之類課程放置在大學二年級第一學期，以之為基礎的專業軟件教學，如ZEMAX之類的光學設計軟件課程，放在隨后的大學二年級第二學期。作為更高級的專業理論課程《導波光學》、《光通信原理》、《光波導理論與技術》等之類課程設置在大學三年級第二學期，隨后接下來的學期開設光波導設計或光通信系統仿真等相關專業軟件教學課程（可選修），如OptiBPM、OptiSystem等軟件。同時在學習專業軟件期間還可以安排些系統仿真中涉及到知識點的課程，如涉及到電光調制、四波混頻效應等的《非線性光學》課程，涉及到光學透過率或反射率的《薄膜光學》課程等，這樣有利于這些特殊知識點和軟件教學學習有機融合。采用這樣的安排和緊密的時間間隔，使得學生在軟件學習中，不至于忘記前面學習過的理論知識。同時在軟件教學中，結合實例，將專業理論知識和軟件應用聯系起來，提高了學生的綜合運用能力，學會如何分析問題和解決問題，加深對專業知識的理解和認識，從而更好地實現應用軟件解決問題。

1.2 強化專業訓練

現在許多學校施行三學期制，我們試點把專業光學軟件學習作為實踐設計類集中放在暑假期間（第三學期）進行專業系統學習和培訓，專門作為一項專業技能課程傳授給學生。專業光學軟件課程教學結束后，軟件的實際運用也是實踐環節重要的一步，可以在學生相關實習企業環節或教師指導的畢業論文設計環節中體現，例如讓學生協助參與到實際光學系統產品設計或項目中，了解產品從產品設計或項目的一系列過程。這些將為學生今后在企業科研一線從事光學工程類專業工作起著積極作用，加快學生把專業知識轉化為實際應用的過程。

2 教學方法和學習方式的改進

2.1 以實例為教學主線、結合實際應用的專業光學軟件課程教學方法

傳統軟件教學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，這菜單式的教學方法已不適宜專業軟件教學了。專業光學軟件不是大眾化軟件，教學目的不應停留在軟件操作熟練程度上，而是通過教學方法應把握學習軟件的內涵“如何運用軟件分析問題和解決問題”。在專業光學軟件教學過程中，我們提出以實例教學為主體，從整體設計思路上把握，而對于少量的基本軟件操作串插到實例中講解。

以ZEMAX光學設計軟件為例，需設計一雙膠合透鏡，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，對于初學者來講，這些內容基本上包括整個光學設計所需要的教學內容（如透鏡模型或系統結構參數建立、光線追跡、波前分布、像質評價分析等）以及設計思路和流程。在教學過程中，教師應貫穿整個設計目標是一個等效焦距（總光焦度倒數）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計思路。當涉及到構建透鏡模型時，教師引導學生如何在軟件中操作如參數設置和模型顯示，并改變不同結構參數觀察模型變化。當實現光傳輸時，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，串插地講如何設置光線密度和工作光波長等操作。當講到成像質量分析時，講解波前的物理意義，和衡量成像質量的標準或判據，以及一般有哪些評價函數等，重點應放在如何分析成像質量。最后，談到軟件自動優化設計時，主要講解如何設計優化函數，了解像差自動平衡的方法和有關問題，來提高成像質量，對這個理解和領悟是學生以后逐步走向更高層次的光學設計關鍵。endprint

通過實例教學，一方面讓學生體會到專業軟件與應用緊密結合，激發學生學習興趣，提高學生的課堂參與度。更重要的是培養學生的光學設計整體思路，結合專業知識訓練如何分析問題和解決問題，提高綜合應用專業軟件能力。

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

2.2 堅持課前專業知識鞏固，課堂學習討論，課后上機復習的學習方式

專業光學軟件里面涉及到許多專業名詞，對它們準確理解，利于參數設置時有清晰的物理意義。這些專業名詞的知識來自前期專業理論課程，需要學生課前自主鞏固、查閱資料，比如軟件中的有效焦距、波前、像差、評價函數等專業名詞。在課程上，以實例討論為主，學會分析問題和解決問題。以ZEMAX光學設計軟件為例，可以討論影響像差的因素是哪些，如何通過調整孔徑光闌位置改善像差，以及在設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習方式，除了在課堂上激發學生學習熱情和興趣外，還加強對專業知識綜合理解和提高應用軟件解決問題的能力。課后布置學生上機復習，一是讓學生消化課程上的知識，進一步嘗試解決實例中出現各種情形；二是提高學生對軟件使用熟練程度。這種學習方式讓學生從被動式的課堂聽課、上機練習，改變為主動性的課堂學習討論，課后自主復習和鞏固光學軟件應用思路，鼓勵學生嘗試新的設計方案。對教師而言，一是讓學生認識到專業軟件課程學習的重要性和優勢，充分調動學生的積極性和學習興趣，是主動性學習方法的前提；二是引導課程討論由淺入深，抱磚引玉。近幾年來實踐教學反饋，低年級學生意識到專業光學軟件學習是光學理論知識與實際應用結合的關鍵環節，以及在就業方面占據較大優勢，這已經形成學生的共識，起著良性循環作用，提高了學生學習專業軟件積極性。

3 采用多樣靈活有效的考核評價方式

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

（1） 小作業。平時主要考察學生對專業光學軟件的操作能力和專業知識的理解與應用。這通過課后布置小作業來考察學生平時對知識點掌握情況，同時還兼顧知識小結的復習和鞏固。

（2） 小組課題。學期快結束時，提前三至四周時間，分小組布置不同課題（或項目），如設計光學鏡頭（廣角、微焦距鏡頭等）、光波導器件等。在規定時間內，讓小組學生自主討論，查閱資料，最后形成項目文檔，提交設計報告。這種考核方式，對個別基礎差的學生實現起來有一定難度，但通過小組成員合理搭配（平常成績好的帶動成績較差的），這不僅提高整體學生的專業水平，更重要的是培養學生個人能力，如溝通、管理、創新、團隊協作與領導等。

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

4 實踐教學中相關問題思考

目前專業光學軟件實踐教學表明，上述措施的實施，在教學質量和學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）研究性教學的融合。這主要體現在分小組討論中，如在專業光學軟件教學實踐過程中融合研究性教學，這將進一步提高教學質量，更為重要的是增強學生個人能力和素質修養，如創新能力、科學精神和科學態度以及團隊精神。

（2）專業光學軟件實現創新能力的培養。目前我們使用的基本是國外專業光學軟件，擁有自主知識產權的專業光學軟件很少，其根本原因是在人才培養過程中缺少相關創新能力培養環節。因此，在專業光學軟件教學過程，以此為契機如何培養能實現具有自主知識產權軟件研發、創新能力人才，這也是我們面臨一個重要課題。

參考文獻

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