基于創新與實踐能力培養的“光學設計”課程改革與實踐

逯力紅 尚可可

關鍵詞 光學設計 光電設計競賽 課程改革

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2019.09.028

Abstract Optical design course is a characteristic course of Optoelectronic Information Science and engineering specialty. It requires students to solve practical problems with theoretical knowledge， which has strong practicality and applicability. In order to cultivate students' comprehensive practical ability， innovative consciousness and innovative ability， the characteristics and teaching methods of optical design course are discussed in order to train students to be practical talents in optoelectronic industry with both solid theoretical basis and considerable practical and innovative ability.

Keywords optical design; photoelectric design competition; course reform

0 引言

隨著光電技術的快速發展，光學儀器和光電儀器的應用越來越廣泛，而這些儀器的核心部分就是光學系統。光學系統的質量直接影響著光學儀器和光電儀器的性能，好的光學系統不但能夠滿足儀器性能指標，而且結構簡單，容易加工及裝調，可靠性高，能夠最大限度減小儀器成本。其中，光學系統設計是決定光學系統質量的最基本和最關鍵的部分。

光學設計是光電信息科學與工程專業的特色課程，它的先修課程是物理光學和應用光學兩門理論基礎課程，光學設計是一門學生從掌握理論知識到運用理論知識解決實際問題的與實踐緊密聯系的課程，它以光學系統設計為核心，以培養學生的工程實踐能力和綜合創新能力為目標，將學生培養成為具有堅實理論基礎和相當實踐能力的復合型實用人才。[1]因此，光學設計是一門適合培養學生實踐能力和創新能力的專業特色課程。

1 光學設計課程特點

實踐能力是指學生的動手能力和操作能力，而創新能力是指運用知識和理論完成創新過程、產生創新成果的綜合能力。[2]學生創新與實踐能力培養的目標是將學生培養成具有較強綜合實踐能力和創新意識的復合創新型人才。光學設計是一門綜合性、實踐性以及開發性較強的課程，該課程可以為學生的創新能力培養提供合適的條件及平臺。

由于光學系統設計的特殊性，即使完全相同的系統參數，由于每個人思考問題和解決問題的思路和方法不同，在優化過程中設置的評價函數、選擇變量的順序及種類也各不相同。因此，不同的設計人員經過優化計算，最后得到的系統結構及成像質量也完全不一樣。基于光學設計的這個特點，為了能更好地激發學生的興趣，培養學生的創新意識，在設置平時練習的題目時，不但讓學生設計一些他們常用的、感興趣的光學系統，而且提出設計要求時，只給光學系統設定最低標準，例如，手機相機是學生常用的光學系統，每個人的手機型號不同，所配置的鏡頭也不同，因此成像質量也完全不同。為了讓學生將在理論課上學到的攝影光學系統與手機鏡頭聯系起來，要求學生設計一個手機鏡頭，僅要求鏡頭片數不多于4塊，系統總長小于5mm，要求達到的性能指標是光學傳遞函數在250線對時大于0.4。其它系統參數讓學生自行選擇與試驗，在設計過程中，學生通過不斷改變系統參量，設置不同的評價函數等方法尋找最優的系統方案，不斷提高自己的設計水平，提高了學生的實踐能力。同時，由于約束較少，給學生更多自由發揮的空間，鼓勵學生大膽創新，嘗試新的系統結構，從而培養學生的創新意識和創新能力。

2 教學方式改革

2.1 將全國大學生光電設計競賽引入課堂

全國大學生光電設計競賽是由中國光學學會和教育部高等學校光電信息科學與工程專業教學指導分委員會聯合主辦的一項全國性重要賽事，是高校光電類專業的頂級賽事，是目前光電信息科學與工程專業學生可以參加的重要的對口學科競賽，到今年為止已經舉行了六屆。其歷屆賽題如表1所示。

由競賽的歷屆賽題可以看到，每屆光電設計競賽都會設置關于光學系統方面的題目，尤其從第五屆開始，專門設置了關于光學系統設計的題目，這些賽題在很大程度上都是考察學生關于光學系統的知識，不但要求學生具有較扎實的理論基礎，而且能夠將理論知識應用到實踐中解決實際問題，并在此過程中，鼓勵學生進行技術創新。在教學過程中，根據當年的參賽題目，由學生自由組合，組成幾支參賽隊，各隊成員相互協作，完成從資料檢索、方案可行性分析、系統設計、撰寫項目報告和答辯等環節，鼓勵學生進行創新，培養學生的創新意識。同時，開放專業的光學實驗室給學生提供實驗平臺，鼓勵學生自行搭建光學系統，對提出的方案進行實驗驗證并發現問題，進行改進優化，從而提高學生的實踐能力。

2.2 理論講解與上機操作相結合

傳統授課過程中，理論知識講解和上機操作部分是分開進行的，一般是先進行理論知識講解，理論知識全部講解完成后再進行上機操作。這種授課方式雖然能保證知識體系的完整，但是對于一些晦澀難懂、單靠課堂講解學生難以理解的知識來說，例如像差理論，學生接受起來比較困難，因此知識掌握的不扎實。當進行上機操作時仍然一頭霧水，不知如何進行設計，之前學的理論知識無法很好地融會貫通并應用于實際的光學系統設計。將上機操作穿插到理論講解中，與理論講解相結合，不但能夠很好地保持理論知識的體系完整，而且能夠幫助學生更好地理解和掌握所講授的知識，為后面的學習及上機操作打下堅實的基礎。

像差理論一直是光學設計的重點和難點，傳統講解方式是進行公式推導，但是由于涉及的變量、公式繁多，推導過程復雜，學生理解起來困難，對于像差的產生原因、影響因素和消除方法等難以理解。采用上機及理論講解相結合的方式，每講解一種像差，便在現場教學時讓學生利用光學設計軟件對該像差進行演示及觀察，同時觀察點列圖、像差曲線等能夠反映該像差及影響系統成像質量的圖表，通過改變特定的系統結構參數來觀察像差的變化，從而對影響該像差的因素及如何消除像差也能更好地掌握。通過理論講解和上機操作，讓學生系統地理解像差，并掌握如何消除像差，為學生后面進行光學系統設計打下堅實的理論基礎。

2.3 考核方式

傳統的考核方式是筆試，但是筆試在很大程度上只能考核學生理論知識的掌握情況，學生的實踐能力和創新能力無法考核。一些高校采用了理論筆試和上機操作相結合的考核方式，[3-5]這種考核方式的實踐題一般是由老師指定一組或者幾組題目，由學生在規定的時間內獨立完成。但是，所設置的題目由于老師本身的知識深度和廣度的影響而會存在一定的局限性;學生在獨立進行系統設計時，也受到自身水平的限制，只能利用自己所掌握的知識進行設計，思維得不到啟發和發散。因此，這種考核方式雖然能夠對學生的實踐能力進行考核，但是對學生創新能力的考核仍然具有一定的局限性。

由于把全國大學生光電設計競賽賽題引入了課堂，而全國大學生光電設計競賽的賽題是競賽委員會在全國范圍內征集選優的結果，因此賽題非常具有代表性。賽題在學期初便布置給學生，學生平時可以隨時到光學實驗室進行賽題研究，在學期末時完成設計報告及答辯，作為最終的實踐成績。

答辯采用三隊一組相互答辯方式進行。每三組輪流擔任正方、反方和評論方，課題組老師擔任評委為三方打分。在整個環節中，正方闡述自己的設計思路，設計方法，以及最終得到的設計結果;反方結合自己對賽題的理解對正方的設計思路、設計方案及實驗結果提出自己的異議，指出其中存在的問題及可完善的地方;而評論方根據正反雙方的表現進行評價總結。整個答辯過程中，學生一直起主導作用，通過闡述自己的方案，演示實驗，提出或回答其它隊伍的質疑，或者對雙方的方案進行總結評價，這些環節不但加深了對題目的理解，而且開闊了思維。因此，整個過程不但能夠培養學生的團隊協作能力，而且在很大程度上培養了學生的實踐和創新能力。

每隊的實踐成績包括課題組教師評定的設計報告成績、各隊答辯成績，每隊的隊長根據各成員的貢獻大小給各成員打分，該分數加上本隊的實踐成績就是各隊每個人的實踐成績。其中，實踐成績占總成績的50%。

3 結束語

光學設計課程是光電信息科學與工程專業的特色課程，對光電專業學生的實踐能力和創新能力培養起著重要作用。本文對光學設計的課程特點及教學方式進行了探索。實踐證明，采用新的教學方式，不但能夠提高教學質量，而且能夠激發學生的學習興趣，培養學生綜合實踐能力以及創新能力，為光電行業培養更多更好的專業人才。

基金項目：天津工業大學高等教育教學改革研究項目（項目編號：2017-2-36）

參考文獻

[1] 李曉艷，王樂，石巖.注重素質和實踐能力的現代光學系統設計課程教學方法研究[J].科技信息，2011（02）：113.

[2] 史鳳賢.基于職業生涯規劃提高大學生創新創業能力[J].遼寧科技學院學報，2013.15（04）：92-93.

[3] 牟達，羅春華，李艷紅.“光學設計及CAD”課程多媒體教學實踐與研究[J].長春理工大學學報，2012.7（11）：226-227.

[4] 李曉英，牛春暉，郎曉萍.在《光學設計》課程教學中加強實際設計能力[J].科技資訊，2017.15（34）：185.

[5] 劉寶元，劉鈞，路紹軍.學生“現代光學系統設計”計算能力培養的探索與實踐[J].中國西部科技，2008（27）：99-100.