淺談阿貝成像原理與空間濾波實驗教學體會

劉進 黃宗福 毛宏軍 梁永輝

摘要：實驗教學對于提高學生理論聯系實際能力、動手操作能力以及創新思維能力等均具有重要作用。本文以阿貝成像原理與空間濾波實驗為例，結合近年來該課程的教學實踐，介紹在實驗教學探索中的一些經驗和體會。

關鍵詞：實驗教學；阿貝成像；空間濾波；Matlab

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）18-0167-02

引言：

《信息光學》是“十五”以來國內很多高校為光學工程本科生開設的專業課，“十一五”全國新建“光信息科學與技術”本科專業后，這門課程基本成為該專業的必修課。在光學信息處理中，傅里葉變換占據著極為重要的地位。阿貝成像理論首次引入了頻譜的概念，啟發人們用改造頻譜的手段來改造信息。本實驗是對阿貝成像理論最好的驗證與演示。通過此實驗，我們希望加深學生對傅里葉光學中空間頻譜和空間濾波等概念的理解，掌握自由空間中簡單光路的搭建與調節技巧，鍛煉學生的實際動手能力，培養學生分析問題和解決問題的能力。本文主要結合近年的教學實踐，淺談一些教學經驗和體會。

一、精心準備是實驗教學的基礎

阿貝成像原理與空間濾波實驗蘊含有豐富的內涵，是對頻譜概念以及通過改造頻譜實現改造信息最好的驗證與演示。實驗的目的不僅僅只是讓學生順利地完成實驗，我們希望通過實驗讓學生更好地與理論知識相結合，理解透徹背后所蘊含的理論原理。這需要教師對實驗進行認真細致的準備。實驗課只有短短的兩個課時，如何充分地利用好這兩個課時尤為關鍵。我們要求教師對課件精心設計和認真準備，對知識點進行凝練，從課件到講授上做到精益求精，用簡短的時間明確的將實驗最核心最關鍵的內容講授給學生，讓學生明確實驗的原理，激發學生對信息光學的興趣，了解傅里葉光學的生命力。我們力求沿著“做什么，為什么做，怎么做”這樣一條思路對實驗進行簡潔清晰的講授，讓學生在最短的時間內對實驗有提綱挈領的認識，在腦海中形成對實驗的整體印象，有的放矢地進入到實驗中，提高實驗的效率。“三思而后行”，“磨刀不誤砍柴工”，其實，做任何事情都是這樣，當我們始終在思考“做什么，為什么，怎么做”時，做事情才不會茫然，效率才會更高，我們也希望通過實驗培養學生養成一種提前做好規劃的良好思維習慣。

二、放手是實驗教學的核心

實驗課程的核心是讓學生自己動手實驗，這是實驗課最重要的一個環節。實驗課的一個重要目的是培養學生獨立動手的能力，因此，在實驗教學中，教師更應該充分地放手，將實驗操作的主角留給學生，切忌“手把手教學”。通過教師精心提煉與準備的講授，從理論上學生都應該可以獨立地完成實驗。但是，“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”，實際實驗終究不只是理論，學生在實際操作過程中難免會遇到各種問題，此時，教師的一個指點、一點提醒與幫助，可以幫助學生快速地完成實驗，但是學生自身也許并沒有體會到實驗操作的精髓。在實驗操作過程中，我們要求學員全程獨立完成，在做實驗時始終不忘“做什么，為什么，怎么做”，始終不忘實驗原理，當出現問題時，與理論知識相結合進行分析，為什么會出現問題，應該如何解決問題。在這樣獨立完整的鍛煉下，即便學生實驗進展不順利，學生也會對實驗原理和實驗的一些操作有更深刻的體會。在我們利用正交光柵在經典的4f系統光路中進行實驗時，尤其如此，在實際實驗中，如果刻板地嚴格遵守4f系統，我們將無法觀察到想要的結果。因此，我們希望讓學生獨立體驗完整的過程，即使實驗歷經挫折，也可以引發學生獨立思考以尋求解決問題的方法，實際上，不論是學生今后走上工作崗位還是從事科研工作，都是這樣一個過程，很多事情看似簡單，但只有自己獨立的動手做過，才會對其中的細節有更深刻的理解和認識。也只有這樣，在今后獨立面對任務的時候才會胸有成竹，不會寄希望于出現問題時的指點。實驗課的目的絕不是為了讓學生順利地完成實驗，相反，實驗課的目的是為了充分鍛煉學生的動手能力，培養學生分析問題和解決問題的能力，這也是我們在對學生進行考核時重點關注的部分。從一定角度來說，這也要求我們教師在進行實驗教學時，不能提供過于詳盡的實驗步驟，限定學生的思維，我們要引導學生主動思考，充分發揮學生的能動性，不能給學生一個固定的框架，通過遵守嚴格的框架即可順利完成實驗，這樣只會讓學生對實驗知其然而不知其所以然。

三、實驗結束時的討論與總結十分必要

實驗教學始終脫離不了理論知識的支撐。本實驗是對阿貝成像原理尤其是對頻譜概念最好的驗證與演示，結合具體實驗，我們希望加深學生對透鏡的傅里葉變換作用，對光學信息處理有更深刻的理解和認識。我們要求學生始終帶著“做什么，為什么做，怎么做”的框架進入到實驗，同時引導學生將實驗現象與信息光學中學到的理論知識相結合，積極思考。然而，不論教師講解得多么簡明扼要清晰透徹，也不論學生實驗進行得順利與否，學生對一些知識點的理解總是有限的。因此，我們在每次實驗后，都會留一點時間，讓學生對整個實驗從理論到實驗過程進行再思考，通過討論通過再思考，對實驗的體會更加深刻。在學生獨立完成實驗時，及時與學生討論“實驗的結果是怎樣的，為什么會出現這樣的結果，是否可以改進”等問題，可以很好地通過學生實際實驗的情況進行實例示范，與學生就整個實驗的原理進行討論，藉此，教師可以將實驗中的一些實驗小技巧、方法和思想傳遞給學生，同時也可以從學生的觀點中受益，以便更好地從初學者的角度思考問題，從而進一步更好地設計實驗。本實驗中，在實驗的開始階段一般要求學生通過透鏡將光路調整為平行光，當完成實驗進行思考總結時，我們可以引導學生討論，如平行光是否必須，如果不是平行光，對實驗是否會有影響，通過思考，我們將會對透鏡的傅里葉變換功能，以及物體的頻譜面與成像面有更深刻的理解與認識。因此，我們認為在實驗課的教學中，在實驗結束時進行簡短的討論，讓學生對實驗原理與過程進行簡單的回顧與思考十分必要，能起到事半功倍的作用。對于實驗最終結果不佳的學生尤其如此，我們可以引領學生一起學會分解問題，將問題的脈絡分解清楚，逐步分析討論問題出現在哪里，應該如何解決，最終理解所學的知識點并得到提高。

四、與軟硬件的結合是對實驗的很好補充

近年來，隨著計算機軟硬件技術的快速發展，基于計算機軟硬件的光學信息處理研究成果不斷涌現，應用范圍日益擴大。在現今的工作尤其是科研工作中，一些軟硬件已經成為科研人員分析、解決問題必不可少的工具和手段。我院對學生在一些軟硬件的知識需求也日益增加。因此，在阿貝成像與空間濾波實驗中，我們設計引導學生利用Matlab軟件完成整個實驗的模擬與仿真，通過模擬仿真實驗進一步提高學生對相關知識點的理解，同時幫助學生更好地理解Matlab軟件在一些光學信息處理工程項目中的應用，促進學生更加自如地將理論與應用結合。在光學實際實驗中，我們一般只能采用有限的光柵模板進行實驗處理，但是在Matlab軟件中，我們可以輕松模擬各種不同類型的光柵以及各種類型的濾波器，比真實實驗更加直觀準備，可以幫助我們更好地理解阿貝成像與空間濾波實驗。將模擬實驗與實際實驗相結合，這也是現代科技發展的需求。

結束語：

總之，實驗教學是一門藝術，為了上好實驗課，不斷提高實驗教學質量，讓信息光學學科的特點充分體現，真正起到提升學生水平與能力的作用，讓學生得到最大的鍛煉，需要教師的不斷摸索和嘗試。本文主要針對近年來的教學經驗，淺談了作者的幾點教學體會，我們深知還有很多問題需要我們解決和探索，為學生提供更好的實驗平臺。

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