淺談在工程光學教學中引入光學仿真的教改方法

覃翠 張健

【摘要】工程光學是光電信息科學與工程專業的基礎課。根據課程的內容、性質和特點，本文結合教學經驗提出在工程光學的理論教學和實驗教學環節之間引入光學仿真的教改方法。加強直觀教學，有利于提高學生的學習主動性和有效性，以及培養學生的學習能力和創新能力。

【關鍵詞】工程光學 光學仿真 教學改革

【中圖分類號】O435.1 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）14-0070-01

1、引言

光電信息科學與工程專業是由光學、光電子、微電子等技術結合而成的多學科綜合技術專業。為了培養學生在光電信息工程領域具有光纖傳輸系統與光電傳感技術、光電檢測與控制技術、信息光電子應用技術與光電圖像處理技術等方面的專業知識。光電信息科學與工程專業所開設的課程包括工程光學、光電子技術、信息光學、光纖通信技術、激光原理與器件等基礎課[1]。

工程光學是光電信息科學與工程專業的必修基礎課，也是光學設計、光電檢測、光學測量和光電成像技術等其他專業課的先修課程，所以課程在學科中的地位極其重要。通過這門課程的學習，學生能對光學的基本概念、基本原理和典型光學系統的結構有較為深刻的認識，為學生今后學習光學系統的設計、光信息理論和從事光學研究打下堅實的基礎[2-3]。工程光學是本專業學生所接觸的第一門光學專業基礎課，由于課程具有知識點多，理論性強，公式多等特點，讓學生學習起來難以理解通透，并且感到乏味。為了提高教學質量、培養學生的學習興趣與學習能力，有必要對該門課程的教學方法做出適當的改革。該門課程傳統的教學方法是講授法，我們在教授法的基礎上引入了對光學的基本原理和基本現象進行仿真模擬的實踐教學內容，讓學生在仿真模擬中對課程里重要的公式內涵有更深刻的理解以及對一些重要光學現象有直觀認識。

2、仿真模擬的教學內容

工程光學的內容包含兩部分：應用光學和物理光學。應用光學部分介紹了幾何光學的基本定律與成像理論，理想光學系統和平面成像系統的光學參數和成像特性、光度學和色度學的基本原理、光線光路計算和像差基本理論以及典型的光學系統的成像特性和設計。物理光學部分介紹了光的電磁性質、光在各向同性介質界面上的傳播規律和光波的疊加與分析、光波的干涉和衍射的基本原理以及光的偏振。在教學內容中選取的仿真模擬內容即要是一些重點知識點同時內容的模擬難度還不能太大。因為學生剛進入大學二年級，接觸的計算機語言是C語言，對語言的熟練程度尚不足以模擬復雜的物理問題。因此，我們選擇了以下內容進行仿真模擬：

（1）實際光學系統的光路計算。通過課堂的學習，學生知道可以用圖解法和解析法求解一個光學系統的基點和基面，這兩種方法各有利弊。圖解法能讓學生直觀的看到光線經過光學系統之后的光路，但是利用這種方法求解多個光組組合系統的基點和基面是很復雜和繁瑣的。解析法沒有圖解法那樣直觀，但是通過對公式的反復利用，可以求解出每組光組的像方截距和像方孔徑角以及整個光組的基點的位置參數。而在解析法中對公式的反復計算問題利用計算機程序語言中的循環和迭代運算可以很輕松的解決。通過這個例子不僅讓學生加深公式的理解，同時體會到程序設計的優勢。此外，有能力的學生可以將其做成界面交互的軟件形式，啟發學生的創新意識，體會創作的樂趣。

（2）光的衍射和干涉現象。這部分知識是物理光學的主要內容，也是重點和難點知識所在，在實驗課上會有相關的驗證實驗。在理論授課和實驗課程中增加仿真模擬環節，可以讓學生將生澀的數學表達形式轉化為圖像的表現形式，同時也使學生能更清楚的理解實驗原理的來龍去脈。在實驗中采用單色光源和白光光源，得到不同光源的干涉與衍射圖像。首先編寫出光柵衍射仿真程序，然后通過改變輸入參數而達到利用一個程序同時仿真干涉與衍射實驗的目的。最后編寫操作性很強的人機交互界面，具有很強的實踐性。

（3）光纖中的光傳播特性。對于學有余力的學生，可以讓學生嘗試光纖或者激光器專題的仿真模擬。這部分知識在理論課上只做了淺顯的講解，學生若感興趣，可以通過仿真模擬進一步學習光波導的知識。學生可以模擬光場的傳播演化過程，考慮不同的光纖結構對光場損耗的影響。此外，可以模擬高斯光束與光纖耦合的情況。從光纖端面輻射到自由空間中的光場是發散的，對于單模光纖其端面輻射光場可以近似為高斯光束，因此，要深入了解高斯光束的傳輸特性，以及它與光纖連接的光功率損耗情況。

總之，在選擇模擬仿真內容時應根據學生的能力，注重理論聯系實際。突出課程的工程應用背景，為了培養學生的動手設計能力，積極利用一些仿真軟件（例如zemax）加強學生的技能。此外，自60年代激光器發明以來，在光學領域涌現出新課題、新概念和新技術，使光學知識更加斑斕多彩。為了拓寬學生的知識面，應向學生介紹本領域的最新科研成果以及基礎知識在生產實踐的應用，開展光學前沿知識講座，講授與光學相關的知識點，使枯燥的理論學習變得豐富生動，既調動了學生的積極性又開闊了視野，使他們的知識結構更趨合理，讓學生意識到這門課程的價值。

3、結束

工程光學作為光電信息工程專業的基礎課，在培養學生的素質和專業能力方面發揮重要的作用。本文針對課程的特點，提出在工程光學教學中引入光學仿真的教改方法，并列舉了部分仿真模擬的內容，希望通過教學手段和教學內容的改進，找出適合人才發展的課程教學方法，可以更好的提高教學水平，達到教學效果，為社會培養優秀的、需要的人才，為光信息專業人才培養奠定良好的基礎。

參考文獻

[1]郭婧.運用現代教學手段，改進工程光學教學.中國現代教育裝備[J].2010，1：57～59

[2]雷麗巧，夏豪杰. 《工程光學》探究式多媒體網絡教學方法研究. 中國科教創新導刊[J].2010，34

[3] 張軍，陳哲，鐘金鋼. 光電信息工程專業基礎課工程光學的教學方法研究.科技信息[J].2008，22