光學設計仿真教學與實踐教學互補性研究

何文森,楊華軍,蔡楊偉男，江 萍,柯莎莎，何書航

(電子科技大學 物理電子學院， 成都 610054)

·實驗教學與創新·

光學設計仿真教學與實踐教學互補性研究

何文森,楊華軍,蔡楊偉男，江 萍,柯莎莎，何書航

(電子科技大學 物理電子學院， 成都 610054)

介紹了光學設計仿真教學與實踐教學(包括：理論教學、演示實驗、光學設計仿真實驗和實踐教學平臺4個教學環節)互補性研究的教學目的及方法,主要針對大學生專業思維能力培養訓練的提高(包括4個方面)進行了詳細闡述。近幾年來，教學團隊通過對空間光通信創新實驗課教學新方法的不斷完善和大學生專業思維能力培養的訓練，調動了大學生追求真知和探索科學奧秘的積極性，提高了大學生綜合分析問題和解決問題的能力，切實加強了大學生專業思維能力和綜合創新動手能力的培養，教學質量有了大幅提升。并列舉了部分大學生的創新例證，達到了大學生鍛煉自己、培養專業思維能力訓練及綜合創新動手能力的目的。

光通信； 理論教學； 仿真教學； 實踐教學； 互補性

0 引 言

“空間光通信創新實驗”是一門注重理論與實踐相結合的綜合型、設計型、創新型的課程。近幾年來教學團隊針對空間光通信創新實驗課的教學方法和鮮明的課題特色，著重從專業學科方向夯實基礎，轉變教學理念,探索空間光通信創新實驗課教學新方法；專業思維能力訓練3個方面重點開展了光學設計仿真教學與實踐教學互補性研究和探索。著力培養大學生應用系統的理論知識、光學設計仿真軟件和實踐教學平臺解決實際問題的能力[1-2]。

1 結合專業學科方向和前沿技術講座，激發大學生對科學積極探索的精神和學習興趣

通過邀請國內外著名專家學者舉辦專業論壇和學院專家、教授定期舉辦物理論壇、前沿技術講座，把最新的科學技術發展動態和科研成果(結合專業學科方向)即時詳細地介紹給本科生，讓他們對當今世界科技發展的動態有所了解。啟迪智慧，求實創新，激發大學生對科學積極探索的精神和學習興趣[3-4]。

2 夯實基礎，轉變教學理念,探索空間光通信創新實驗課教學新方法

本科生在進入大二學習階段，除了要求學好基礎課，在空間光通信創新實驗課上要有意識地培養學生的數學建模能力、創新能力和科技論文撰寫能力，具體來說(結合專業學科方向)體現在4個方面：① 基于Matlab,MATHCAD 等仿真軟件，實現復變函數、數學物理方程、特殊函數的計算機仿真與三維可視化動態求解。② 培養學生數學建模和數值仿真的能力，用數學方法解決實際物理和工程問題的能力。培養學生科學研究的基本素養和方法。③ 拓展學生在空間光技術領域的視野，提升在空間光技術領域創新意識和創新能力。④ 培養學生撰寫科研論文的能力。

針對以上4方面的目的，空間光通信創新實驗課教學有4點要求：① 課前做好相關的預習工作。在此階段需要詳細地理解實驗原理、仿真軟件的使用方法和實驗儀器的介紹資料。對不清楚的問題可以和指導教師交流獲取相關信息，也可以在指導教師的指導下通過查閱文獻獲取。這一部分重點突出學生的自我學習能力的培養。② 課堂上仔細理解指導教師的講解和演示，在實驗過程中親自體會實驗的目的和意義。并通過實踐過程深入理解如何通過數學的方法對實際問題進行建模和仿真，并使其得到求解。③ 課后需要學生對課堂上的內容進行回顧，做好課后思考題，并且根據自己的見解提出更新的想法和思路，積極和指導教師聯系討論，進一步鞏固自己在這一環節的學習收獲。④ 本課程要求學生能夠突破常規的指導教師演示、學生重復實驗的模式，積極鼓勵學生將自己的思維融入到課程之中去。因此評價的標準也將從傳統的單純看實驗結果而不注重能力的培養重點轉向學生思考問題的能力和綜合動手創新的能力考查。

空間光通信創新實驗課教學新方法包括：理論教學、演示實驗、光學設計仿真實驗和實踐教學平臺4個教學環節。

2．1理論教學

理論教學以多媒體教學形式，講授內容可以直接采用多媒體課件講授，在講授的過程中打開Matlab的集成開發系統輔助介紹和解釋相關內容，給學生以直接的感受。由于采用小組上課，可以給每一名學生提供足夠的交流機會。本實驗課程的理論教學是雙向互動的，可以保證學生能夠充分地理解。理論教學的內容以課程要求的實驗內容為主，并將前沿科研項目納入到創新實驗中進行前瞻性創新思維能力訓練。

2．2演示實驗

教師對實驗的演示可以采用實物演示和多媒體演示兩種方案。為了避免學生以葫蘆畫瓢式的簡單模仿，積極啟發他們的主動性與創新意識，有的時候會適當采取使用多媒體介紹各種元器件的工作原理，把動手動腦的機會留給他們自己，采用不懂就交流的方式推動學生對實驗的深入理解。

2．3光學設計仿真實驗

此部分是本課程的重點，與數學物理方法的理論講解內容配套，逐個輔導學生，幫助學生更好地理解和掌握Matlab處理數學物理方法問題的相關功能，加強計算機仿真手段在復變函數、復雜的數學物理方程、特殊函數的求解、繪圖等中的應用，培養大學生的計算機編程能力、數學建模能力和用數學的方法解決物理問題的能力。這部分內容的學習采用圓桌會議的模式進行。由實驗室提供電腦或自帶電腦，圍在一起進行模型的建立和數值仿真。指導教師給予現場指導，及時了解學生的想法和遇到的問題，并實時對學生提供支持和鼓勵。針對實驗涉及的重點、難點教學內容和可能出現的問題，對問題提出如何解決(進行思維拓展和創新思維的培養)，并適當加強ZEMAX和CODE-V等光學設計軟件在光學天線系統設計中的應用。

2．4實踐教學平臺

結合實驗室已構建的“空間光通信創新實踐平臺”，指導大學生了解整個實驗的布局，各元器件的工作原理，并就實驗所涉實物幫助學生理解實驗原理，給學生相關的警示以保證學生和實驗室設備的安全。在做到以上要求后放手讓學生動手去做，并積極給予支持，鼓勵學生用創新的思維去解決問題[5-12]。

實踐證明， 本實驗課程新的教學方法富有科學性和趣味性，能培養大學生的創新思維意識，可加強大學生實踐技能以及計算機仿真能力。

3 專業思維能力的訓練

空間光通信創新實驗課教學新方法有利于培養學生專業思維能力的訓練[13-15]。它包括以下4個方面：

(1) 理論教學采取多媒體教學形式。以課程要求的實驗內容為主，并將前沿科研項目納入到創新實驗中進行前瞻性創新思維能力訓練。

(2) 演示實驗采取實物和多媒體演示兩種方案。有利于培養大學生觀察物理現象，加深理解物理概念、掌握物理規律、激發大學生對科學研究探索的積極性和創新意識。有利于幫助培養大學生專業思維能力的訓練。

(3) 光學設計仿真實驗。首先在光學元器件、精密光學儀器和大型貴重設備短缺的情況下，它是對實踐教學平臺部分的有力補充；其次它對加深大學生對一些抽象物理概念的理解、理論推導、物理模型建立和科研中遇到問題的幫助起著不可替代的作用。切實加強Matlab、ZEMAX和CODE-V等光學設計軟件在光學天線系統設計中的應用。有利于幫助培養大學生專業思維能力的訓練。

教學團隊通過長期開展對光學設計仿真實驗的研究和探索，建立了光學設計性實驗數據庫，我們隨機選擇了本科生光學設計性實驗報告中的3個例證。

例1卡塞格倫光學天線系統離軸光斑測試仿真設計性實驗1。

仿真結果：由于光學天線具有旋轉對稱性，故考慮一個方向的離軸量，也具有普遍性。如圖1所示，當卡塞格倫光學天線系統發生離軸時，會使得來自發射端的光能量部分照射到光學天線的接收端。對比圖1(a)～(d)可知(其中：圖1(d)黑色粗線小圓環中心區域為次鏡遮擋區域，即中心光能量損失；黑色粗線包絡區域代表接受天線輪廓線，即有效接收區域。)，隨著發生離軸的逐漸增大，接收端接收能量的損失會顯著能量分布示意圖增加。假若發生離軸過大，接收端將完全無法接收到來自發射端的光能量。

(a)未發生離軸(b)離軸較小

(c)離軸較大(d)離軸很大

圖1 卡塞格倫光學天線系統發生離軸時，接收端接收

例2卡塞格倫光學發射天線離焦光斑測試仿真設計性實驗2。

仿真結果：當卡塞格倫光學發射天線存在軸上離焦時，出射光將不再是平行光。由圖2(a)可知: 當接收端接收到發散角較小的入射光線時，說明光能量分布向外擴展程度較大，致使中心區域光能量損失較大；從圖2(b)可知: 當接收端接收到發散角較大的入射光線時，說明光能量分布向外擴展程度嚴重，致使中心區域光能量損失嚴重；從圖2(c)可知: 當接收端接收到會聚程度較小的入射光線時，說明光能量分布向內嚴重收縮，致使接收區域光能量損失嚴重；從圖2(d)中可知(其中，圖2(d)中黑色粗線小圓環中心區域為次鏡遮擋區域，即中心光能 量損失；黑色粗線包絡區域代表接受天線輪廓線，即有效接收區域。) ,當接收端接收到會聚程度較大的入射光線時，說明光能量分布向外擴展程度不夠，致使接收區域光能量損失較大。

(a)接收端接收到發散角較小的入射光線 (b)接收端接收到發散角較大的入射光線

(c)接收端接收到會聚程度較小的入射光線 (d)接收端接收到會聚程度較大的入射光線

圖2 卡塞格倫光學發射天線存在軸上離焦時，接收端接收能量分布示意圖

例3LED燈6×6陣列Matlab仿真設計性實驗3。

仿真結果分析：由圖3(b)可見，該光照度曲線頂部基本平整(有稍許毛刺)，中心區域光照度比較均勻，陣列后的LED光源在目標屏上形成規則的正方形均勻光場[見圖3(a)左側圖]，由于模擬的面積比較小，光強也較低。所以在進一步的設計中，通過調整、修正設計參數或增加陣列的數量，還可以繼續改善LED燈陣列中心區域光照度邊緣的均勻性以及中心光場強度。

(a)(b)

圖3 LED燈6×6陣列光源在目標屏的光照圖

本設計性實驗主要目的是讓大學生更加深刻的理解:① 卡塞格倫光學天線系統整體架構的設計、光路設計原理及提高大學生應用仿真設計軟件來解決實際問題的能力；② 應用仿真設計軟件，通過LED燈陣列設計的實踐過程，來鞏固已學習的光通信原理知識，應用視頻信號通過調制與解調技術、電力線傳輸和光電轉換原理等，實現燈光上網應用的實際意義。開拓思路、創新設計、充分利用仿真軟件，掌握基本的光學系統透鏡設計方法。為逐漸進入較難的綜合性、創新性實踐教學實驗打下良好的基礎。

(4) 實踐教學平臺。既能拓展大學生所學的理論基礎知識和實驗技能，又能加強大學生綜合分析問題和解決問題的能力，提高大學生創新設計和綜合動手的能力，有利于幫助培養大學生專業思維能力的訓練。

通過長期的實踐教學，建立了研究生、本科生從事做科學研究驗證型實驗、綜合性創新設計和綜合能力培養訓練的實踐教學平臺。包括：基礎光學、光學系統設計、光電轉換與傳感器應用技術實驗平臺；大氣湍流中多波長光傳輸綜合參數、空間光調制器參數、卡塞格倫光學天線系統光傳輸綜合參數、空間光通信一體機的綜合參數與小型太陽能電站綜合參數測試與創新應用平臺等。為了充分突出空間光通信創新實驗課鮮明的課題特色，教學團隊對自編試用實驗教材“空間光通信原理與仿真”、實驗指導書和“空間光通信前沿技術講座”的編輯都做了精心的編排。包括兩部分: ① 典型的光學實驗、光電轉換與傳感器應用技術實驗、空間光調制實驗和光學天線應用技術實驗等; ② 綜合型、設計型、創新型實驗。在實驗操作形式上，規定了兩種類型：① 要求學生根據實驗條件提出創新性實驗方案的設計及器材的要求,并在規定時間內完成實驗,實行獎勵制度;② 要求學生給出實驗原理,寫出計劃書,提出可行性實驗方案并論證,在規定時間內完成實驗,實行獎勵制度[16-18]。

依托本校教師創新實驗和大學生創新創業訓練計劃項目等，針對本科生積極好學、勇于探索和求實創新的特點，教學團隊近幾年來探索性地開展了大學生綜合動手能力培養的訓練。取得了良好的教學效果。

例4師生共同研發了一套SOCLM-1型的空間光通信一體教學實驗機(雙工)。

實驗內容：① 一路音頻信號卡塞格倫光學天線系統的傳輸測試實驗；② 兩路音頻信號的卡塞格倫光學天線系統的全雙工傳輸測試實驗；③ 兩路語音信號的卡塞格倫光學天線系統全雙工對講傳輸測試實驗；④ 卡塞格倫光學天線系統的光纖傳輸特性與參數測試實驗；⑤ 卡塞格倫光學天線系統的離軸與離焦光斑測試實驗，分析對整個系統的光傳輸質量降低的影響因素及原因；⑥ 數字發送單元指標測試實驗；⑦ 數字接收單元指標測試實驗；⑧ CPLD電路設計實驗；⑨ 光通信系統綜合仿真實驗；⑩ 光發射機和光接收機工作電路原理設計實驗等。

本綜合性實驗主要目的是讓學生更加深刻理解:卡塞格倫光學天線的結構、音頻信號在大氣湍流中傳輸實驗測試平臺的設計與搭建工作、光路設計原理、光發射機和光接收機的工作電路設計原理、CPLD電路設計原理、光通信系統綜合仿真實驗、光通信綜合參數的測試實驗等，來提高學生實際動手能力、分析問題、解決問題的綜合能力。

該產品用于教學一年試運行中，其實驗現象、實驗原理和實驗結果直觀、具體和明了，得到了本科生的一致肯定。近幾年，教學團隊指導的本科生發表核心期刋論文8篇和SCI論文10篇。多名優秀大學畢業生被推薦到國內外著名大學留學和保送研究生；達到了鍛煉大學生綜合動手能力培養訓練目的。

4 結 語

實踐證明，教學團隊開展的光學設計仿真教學與實踐教學互補性研究課題，通過科技前沿與基礎相融合、理論建模與仿真相融合、工程實踐與創新相融合，并將理論教學、仿真教學與實踐教學相結合，更新課程結構，充實課程內容，完善課程體系。教學手段呈現多樣化，創新實驗項目不斷得到擴充。通過對空間光通信創新實驗課教學新方法的不斷完善和大學生專業思維能力培養的訓練，調動了大學生追求真知和探索科學奧秘的積極性，提高了大學生綜合分析問題和解決問題的能力，切實加強了大學生專業思維能力和綜合創新動手能力的培養，教學質量有了大幅提升。同時，教學團隊“以結構系統化、三維可視化、實踐自主化為特色的專業核心課程教學改革與實踐”獲四川省第七屆教學成果二等獎并收獲了其他多項教學成果。

[1] 何焰藍，陳旭燦，楊曉飛，等．基于精益思想的高校實踐教學體系[J]．實驗室研究與探索，2015，34(1):205-209．

[2] 楊學軍．加強實踐動手能力培養 改革創新人才培養模式[J]．高等教育研究學報，2013，36(1):4-7．

[3] 陳穎琪，袁 焱．電子信息類本科生創新實驗教學實踐與思考[J]．實驗室研究與探索，2015，34(6):200-203．

[4] 陳 安，彭 端，于兆勤，等．基于能力培養的電子信息類-實踐課程教學[J]．實驗室研究與探索，2015，34(10):176-178．

[5] 王革思，周 天，高明生，等．構建“三位一體”實驗教學體系培養本科生創新型人才[J]．實驗技術與管理，2016，33(9):18-21．

[6] 梁 麗．構建分層次實驗教學體系 培養創新型人才[J]．實驗室研究與探索，2014，33(1):217-219．

[7] 米 潔，高 宏．課程—實踐—創新相輔相成的教學模式改革[J]．實驗室研究與探索，2015，34(2):167-170．

[8] 張鳳琴，王 丹，林曉瓏．構建大學物理低年級本科生研究與創新實踐能力培育平臺研究[J]．大學物理，2016，35(9):46-48．

[9] 徐 寧，王 玫．創新意識驅動下實驗教學模式轉型的實踐[J]．實驗室研究與探索，2016，35(2):220-223．

[10] 崔學榮，曹愛請，李 娟，等．研究性教學模式在實驗教學方法改革中的應用[J]．實驗技術與管理，2016，33(1):176-178．

[11] 徐敬青，范志鋒，崔 平，等．“師生共講” 教學模式研究與實踐[J]．高等教育研究學報，2016，39(1):106-110．

[12] 周劍雄,蘇 輝，石志廣．討論式教學方法在大學課堂中的運用研究[J]．高等教育研究學報，2008，31(4):55-57．

[13] 許嘉文，程湘愛，鐘海榮．“應用光學” 課程教學模式的思考與建議[J]．高等教育研究學報，2016，39(1):115-119．

[14] 鄭 虹，孫臘珍，張增明，等．光學實驗創新平臺的構建與實踐[J]．大學物理，2016，35(8):48-51．

[15] 宋衛星．設計性實驗教學過程規范化的思考與探索[J]．實驗技術與管理，2009，26(7):125-127．

[16] 宋 峰，李川勇，王慧田．物理教學中讓學生感知科學探索過程，提高認知水平，培養物理思維能力[J]．大學物理，2009，28(12):43-47．

[17] 白 璐，田曉柱，牛炳韜，等．大學生創新性實驗對創新型人才培養的研究[J]．實驗室研究與探索，2015，34(4):161-163．

[18] 朱夢冰，劉晶如，楊 燕，等．應用型創新人才培養實踐教學改革[J]．實驗室研究與探索，2016，35(7):186-189．

A Study of the Complementary between Simulation Teaching and Practice Teaching for Optical Design

HEWensen，YANGHuajun，CAIYANGWeinan，JIANGPing，KEShasha，HEShuhang

(College of Physical Electronic， University of Electronic Science and Technology， Chengdu 610054,China)

The teaching objectives and methods for optical design simulation teaching,and the complementary research about experiment teaching are introduced.The objectives and methods include four teaching links: theory teaching,experiment demonstrating,optical design simulation experiment and experimentally practical teaching.The improvement of the students’ specialty thinking ability,self-cultivating and self-training is highlighted in detail.In recent years,teaching team has improved the new teaching method for space optical communication innovative experiment teaching,and has trained the students’ specialty thinking ability so that the enthusiasm for knowledge learning and scientific exploration of the undergraduates is aroused.Meanwhile,the abilities of analyzing and solving problem are improved and the abilities of specialty thinking,comprehensive innovation and operation are strengthened as well.The progress of undergraduates’ specialty thinking,comprehensive innovation ability and operation ability has been illustrated by some undergraduate’s innovation examples,which are listed to show the impressive promotion in teaching quality.

optical communication； theory teaching； simulation teaching； practice teaching; complementary

2016-07-08

國家自然科學基金項目(61271167);四川省教育廳(2013—2016年高等教育人才培養質量和教學改革)研究項目“數學物理建模、仿真與光通信創新實踐教學改革”

何文森(1959-)，男，四川成都人，高級工程師，主要從事光通信技術研究與儀器研發。

Tel．：13648025800； E-mail：hewensen@uestc.edu.cn

O 43； G 642.44

：A

：1006-7167(2017)07-0164-04