信息光學在應用物理專業教學中的探索與思考

史順平 張傳瑜 鄧邦林 王華軍

摘要： 信息光學是光學中的前沿學科，是基于應用光學、計算機科學和信息科學相結合而發展起來的一門新興光學學科，也是現代信息科學的一個重要組成部分。針對信息光學課程的特點以及現有的教學現狀，結合光信息科學與技術專業對信息光學教學的基本要求，基于《信息光學》理論難度大、數學公式繁瑣的特點，貫穿應用物理專業學科的特點，本文從教學內容設置、校內實驗平臺的建設、加強計算機輔助實驗、借助互聯網和校外資源及加強實踐教學入手結合等幾個方面，系統地介紹了信息光學在應用物理專業教學中的探索與思考。

Abstract： Information optics is a frontier discipline in optics. It is a new optical discipline developed based on the combination of optics， computer science and information science. It is also an important component of modern information science. According to the characteristics of information optics course and the present situation of teaching， combined with the basic requirement of optical information science and technology specialty for information optics teaching， based on the fact that "information optics" theory is difficult and the mathematical formula is cumbersome， and it is throughout the specialty of applied physics， this article systematically introduces the information optics in the teaching of applied physics from several aspects， such as the establishment of teaching content， the construction of the laboratory experiment platform， strengthening the computer-aided experiment， taking advantage of the Internet and outside resources and strengthening practice teaching.

關鍵詞： 信息光學；應用物理；探索；思考

Key words： information optics；applied physics；exploration；reflections

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）01-0216-03

0 引言

隨著全球一體化經濟的發展，信息是21世紀的主要支柱之一，它將取代物質和能源成為創造財富的主要源泉。信息科學與技術和信息緊密連接、密不可分。近幾年來，光電信息發展迅猛，已經對科學研究、社會發展及各個方面產生了巨大的影響。光信息是信息時代不斷發展的必然產物，它已經應用到了光信息存儲、全息信息存儲、光纖通信等多個領域中，它推動著國民經濟、科技和軍事的發展。信息光學作為光信息的重要分支，是光學中的前沿學科，是基于應用光學、計算機科學和信息科學相結合而發展起來的一門新興光學學科，也是現代信息科學的一個重要組成部分。信息光學促進了圖像科學、應用光學、光纖通信和光電子學的發展。信息光學包含了光信息傳遞的全過程，其中包括對光信息的收集，調制、傳遞、存儲及再現的整個過程。

應用物理專業作為理工科的重要分支，對光電方向的掌握是該專業學生的基本技能。為了適應市場對光電方向人才的需求，成都理工大學地球物理學院在應用物理專業設置了光電信息類課程，目標就是要讓學生掌握光電技術的基本技能。近幾年來，應用物理專業的學生在大四畢業選擇就業和考研的比例明顯增加，以成都理工大學2015屆應用物理專業為例（1個自然班30人），9位考取研究生的學生中有4位是考取了光學或光學工程專業，16位就業和創業的同學中有6位同學的工作與光電信息有關，再次選擇考研的同學中又有3位同學報考了光學和光學工程專業。也有越來越多的高校近幾年開設了光電信息這個專業。同時為了今后申報“光信息科學與技術”新專業，我們著手在應用物理專業為本科生講授《信息光學》課程，理論授課學時數定為60學時，實驗課時數定為4個學時。

應用物理專業目前本科的教學嚴重的脫離社會經濟發展，脫離生產實際，與社會對大學生的需求極不適應。學生所學知識理論性強，嚴重影響本科畢業生與社會生產之間的聯系，因此，開拓目前發展較好的光電信息方向，對應用物理專業的本科畢業生是受益匪淺的。如果能夠跟光電類企業合作，讓學生在假期（主要是寒暑假）去企業實習，讓所學知識跟社會生產有相互聯系，這樣不僅符合當今社會對大學生的需求，增加就業，更能夠讓學生意識到所學理論知識的重要性，讓學生學習起來有目標，不盲目。今后我們力爭跟一些光電企業合作，使我們培養的學生對光電信息與技術產業的研發和市場需求有及時的了解，使學生得到社會實踐的鍛煉。但是應用物理專業和光信息科學與技術專業的學生有不同的光學背景知識，因此，在講授這門課程時，不能和光信息科學與技術專業的學生一樣授課。經過幾年的教學實踐，在應用物理學科中教授《信息光學》從以下五個方面探索和思考。

1 教學內容設置

在上《信息光學》這門課之前，應用物理專業的學生已經開設了與光學相關的科目，主要是光學，光學內容包含了：光的干涉、衍射、偏振、幾何光學的基本原理、光學儀器的基本原理、光的吸收、散射和色散、光的量子性以及簡單介紹現代光學。通過這門課程的學習，學生掌握了初步的光學知識，但是對標量衍射、傳遞函數、部分相干、全息和信息處理了解甚少，更對莫爾條紋、傅里葉變換、阿達瑪變換、光學小波變換、光計算和三維面形測量沒有聽過。因此，在進行教學內容設定時，保證既要強調基礎理論及相關的應用技術，強調理論與應用的結合，同時兼顧理論和技術的當前發展，使應用物理專業的學生對光電信息產生濃厚的興趣。在講授信息光學開始階段，簡單講授有關二維線性系統的一些基本知識，如矩形函數、sinc函數、三角形函數、符號函數、階躍函數、圓柱函數及δ函數等。重點強調應用物理專業學生陌生的運算，如傅里葉變換、卷積和相關運算。我們詳細講授標量衍射理論、光學成像系統的傳遞函數、部分相干理論，使學生有一個夯實的信息光學基礎。同時結合其他科研工作者和自身的科研工作，講授光學全息，計算全息及空間濾波，使學生了解信息光學在現代科技中的作用，讓他們對光電信息有個初步的認識。并且通過對信息光學的學習，讓學生對科研的基本思路有個初步的認識，基本思路是：通過物理概念、到建立數學模型、編寫計算機程序到實驗驗證。

2 校內實驗平臺的建設

信息光學課程概念抽象，邏輯推理能力要求強，在教學中僅僅以講授為主，減少實驗環節的話，可能會導致應用物理專業的學生對信息光學的理解達不到要求，以及對光電信息也不可能產生興趣，同時教學效果也得不到很好的結果。因此在教學中應加大學生的實驗環節，但是，在應用物理這個專業中，很多與光信息相關的實驗設備又不具備，大量的實驗器材也沒有到位，所以選擇經典的光信息實驗內容尤為重要。由于實驗條件限制，我們開設了與信息光學相關的四個實驗，全息光柵制作及特性、阿貝成像原理與空間濾波、面形的三維干涉測量和光電探測原理實驗。這四個實驗分別涉及信息光學的光學全息，空間濾波，干涉實時測量技術和光照度、測量的基本知識、光電池的結構、工作原理和光照度特性及其應用等。結合這些實驗，讓學生對理論知識做一個透徹的理解，同時讓學生對光電信息產生濃厚的興趣。光電類實驗能夠體現學生所學知識的直接使用，使應用物理專業的學生認識到光電類的理論知識在現實生活中的直接使用，相比純物理學來講，更有實際的使用價值。比如讓學生做4f光學系統FT及IFT系統實驗，學生可以直接根據4f光學FT系統觀察常見圖樣的逆傅里葉變換圖，以及FT頻譜，比較復雜的公式通過一個光路和圖像顯現的淋漓盡致。

3 加強計算機輔助實驗

由于實驗器材的缺陷和基礎設施的缺乏，基于以上幾個實驗是遠遠不能實現對信息光學的掌握和理解，同時由于光學實驗的苛刻要求，很難達到實驗要求。因此，采用計算機仿真實驗是信息光學不可或缺的一種手段。使用計算機仿真光學實驗，不僅可以直觀的觀察到真實的實驗效果，同時對理論的推導也有更深的認識，還能解決信息光學中抽象問題。通過數值模擬計算，有利于將信息光學中抽象的、難以描述的物理現象可視化顯示出來，有助于抽象為形象思維，從而更好地讓學生掌握理論方法，了解實用價值。比如說學到相干光學傳遞函數和非相干光學傳遞函數時，就可以結合工程光學的像質評價的相干內容，通過Zemax來計算模擬的MTF曲線解釋，使學習的內容更加直觀。使用Matlab工具，可以使學生對繁瑣的數學公式，變成具有物理意義的直觀圖像，從而將學生對理論的掌握從枯燥的數學推導深入到豐富的物理本質，有助于學生創新能力的培養。

例如利用Matlab矩陣實驗可以將空間二維光場從輸入面到光場空間分布，經過二維傅里葉變換之后在頻譜面和濾波之后的場強空間的頻譜分布，最后得到輸出面的空間場強分布的變化過程用圖像和動畫輸出的形式描述清楚，更換輸入光場或濾波器，可以獲得相應的輸出的圖像。總之，使用計算機輔助實驗，可以使教學內容更加逼真，更加接近實際，同時讓學生深刻理解繁瑣的數學公式，把繁瑣的數學公式變成有意義的物理概念。

4 借助互聯網和校外資源

由于校內資源和實驗器材的缺乏，使得學生掌握更多的信息光學的知識受到了限制，但是，各個光學科目強的高校都已經建設了信息光學課程網站，比如浙江大學、華中科技大學、北京理工大學、四川大學等，同時教育部光電專業教指委全國光學光電類專業教育教學支委也在積極籌建光學教學網站，讓全國優秀的光學教學傳遞到每一所大學。通過信息光學網站，使學生能夠充分利用豐富的網絡資源來彌補在課堂上疑惑的知識，從而達到了學生積極主動學，確立了學生在教學過程中的中心地位，這種教育模式將成為革新傳統教育模式的重要途徑。在實際教學中，講授到計算全息這一章節的時間，和學生一同學習了由四川大學電子信息學院曹益平教授負責的光信息處理這門精品課程，教學內容在教學錄像的第三章計算全息，主講教師是蘇顯渝教授，網址是http：//cc.scu.edu.cn/G2S/Template/View.aspx？courseId=1299&topMenuId=125878

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125901，通過學習視頻內容，一方面讓學生學習到了計算全息的抽樣定理與信息容量、時域信號和空域信號的調制與解調，更重要的是讓學生見識國內頂尖大學的教學模式以及教學大師的教學風采。通過這次視頻課教學，學生反向強烈，受益匪淺。

5 加強實踐教學

信息光學是一門實用性很強的課程，光靠課堂教學、實驗室教學或者計算機輔助教學往往都不能體現該門學科的重要性。因此，實踐教學是非常重要的。它可以提高學生的動手能力、工程實踐能力、科研能力和創新能力，這些能力很難從課堂教學、實驗室教學和計算機輔助教學中提升。因此，我們在大四開學之后進行兩周的實習，實習基地是四川綿陽長虹培訓中心，實習內容主要是在實驗室對電視機內部電路進行理論的學習以及對電視機實物各個部分識別和元器件參數的測量。通過實習，讓學生意識到信息光學中的光在信息處理中起到承載傳到信號，把信號加載在原光信號中，使信號發生改變，然后接受光波的時候把信號還原出來，起到了調制調解的作用。同樣在實習的過程中會接觸到與信息光學相關的知識點，比如說，波前編碼、傅里葉變換、空間濾波、計算全息等。

6 結束語

我們從教學內容設置、校內實驗平臺的建設、加強計算機輔助實驗、借助互聯網和校外資源以及加強實踐教學五個方面總結了應用物理專業的學生在信息光學教學中的探索與思考。但是要進行應用物理在光電類的教學改革，增加學生在光電類專業考研和就業，光靠一門課程或者實驗是遠遠達不到要求的。應從光電專業人才培養需求和學生自身素質的實際情況出發，不僅在課堂和教學實踐中加強光電信息的改善，更需要光電信息的教師不斷提高個人業務水平、科研能力，更需要教學單位配備有助于光電信息教學和實踐的場地和器材。在各個方面的配合下，應用物理專業的教學才能將學轉化為用，才能滿足社會的需求。因此，通過一步一步的努力，進一步深入研究光電技術專業方面的人才培養特點，拓展教學課程內容和手段，為我校申辦光電信息專業打下堅實的基礎。

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