信息光學綜合實踐課程在應用型本科人才培養中的探索

李珂　曹國洋　王前　李成金

摘 要 信息光學綜合實踐課程配合“信息光學”課程的理論部分進行專業實踐訓練。該課程旨在提高學生的綜合素質，順應應用型本科人才的培養需求。本文通過闡述信息光學綜合實踐課程的實施背景，提出設置該課程的原則和方法，以兩個實例探討了信息光學綜合實踐課程對人才培養的重要作用，對于光電信息專業相關課程的教學改革具有一定的指導意義。

關鍵詞 信息光學 應用型人才培養 教學改革

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2021.02.029

Exploration of Information Optics Comprehensive Practice Course in the Cultivation of Applied Undergraduate Talents

LI Ke[1]， CAO Guoyang[2]， WANG Qian[1]， LI Chengjin[1]

（[1] Wenzheng College of Soochow University， Suzhou， Jiangsu 215104;

[2] School of Science， Jiangnan University， Wuxi， Jiangsu 214122）

Abstract The comprehensive practice course of information optics is combined with the theoretical part of information optics to carry out professional practice training. The purpose of this course is to improve the comprehensive quality of students and meet the training needs of application-oriented undergraduate talents. This paper expounds the implementation background of information optics comprehensive practice course， puts forward the principles and methods of setting the course， and discusses the important role of information optics comprehensive practice course in personnel training with two examples， which has a certain guiding significance for the teaching reform of photoelectric information professional courses.

Keywords information optics; applied talents training; teaching reform

0 前言

“信息光學”是光電信息科學與工程專業的一門專業核心課程。教學目標是使學生在熟練運用傅里葉變換的基礎上，進一步掌握光的標量衍射理論在信息處理中的作用和計算方法，具有分析評價光學系統的能力。這門課程結合了應用光學、計算機科學和信息科學相關知識，是學生進一步深入圖像處理、全息技術、光纖通信等領域的堅實階梯。對提高學生分析解決問題的能力，培養學生科學的世界觀和創新能力，以及畢業后繼續深造進行前沿的科學研究或是從事光電技術、光學設計、圖像處理等領域的專業技術工作奠定基礎。

1 進行課程綜合實踐改革的背景

“信息光學”課程專業性強，對于普通光學和高等數學的基礎要求較高，理論水準具有足夠的深度。它要求學生熟練掌握傅里葉積分變換，將光學成像過程從線性系統的觀點的來分析它的信息傳遞機制，利用光學方法進行信息處理、計算和存儲。其教學內容既強調一定深度的基礎理論，又注重介紹該領域的前沿應用成果。[1]

作為應用型本科院校，光電信息科學與工程專業的培養目標有著自己的特色，以筆者所在的蘇州大學文正學院為例，它不僅要求經過四年專業訓練后的本科生掌握本學科的基本知識和理論體系，還要結合長三角地區的產業優勢在光電及相關領域企業的人才市場需求，使學生具備一定的實踐與應用能力。學生畢業時不僅能有相當比例的學生能進一步在學科深造考取研究生，還要求能夠在光電技術、信息處理、圖像處理、光學設計等領域從事專業技術工作。我們總結為“厚基礎、寬口徑、重實踐”的培養模式。[2]

雖然這門課非常重要，但在實際的課堂教學中，傳統的教學方式面臨著許多問題。例如：課程內容偏重于基礎理論，在學生的數學和物理基礎水平參差不齊的情況下，大量復雜的積分公式和數學推導，使得學生對各公式的本質含義缺乏理解，學習的興趣和信心不足。在共計51個課時的有限時間內，教學方法單一，授課內容無法與現代科技前沿、產業發展現狀有效結合，偏離實際生活和社會問題，學生很難體會到“信息光學”作為一門技術專業課程的意義，對學生未來的發展也缺乏指導。因此需要通過改進教學方法，應用新的教學手段，提高學生的學習主動性，提升教學效果。[3-5]

2 進行課程綜合實踐的原則和方法

結合上述背景分析，專門針對“信息光學”這門純理論課程開設相應的綜合實踐課程是很有必要的。首先，綜合實踐課程的內容必須是能夠激發學習興趣的;其次，應符合課程教學任務需求;并且，符合科技發展和行業現狀的特色。為此，可總結為綜合實踐課程應具備三個原則：注重理論與實踐和結合，注重緊密聯系科學和產業前沿，注重滲透交叉學科培養創新能力。

2.1 ?注重理論與實踐和結合

信息光學綜合實踐課程需要以“信息光學”課程的內容為理論基礎，要涵蓋二維線性系統分析、標量衍射理論、光學成像系統的頻率特性、部分相干理論和空間濾波的基本原理等內容;教學內容設置應以課程知識點為核心，多角度展開綜合實踐，覆蓋“信息光學”理論課的核心知識點，達到夯實課堂理論基礎的目的。

2.2 ?注重緊密聯系科學和產業前沿

“信息光學”是近60年來發展起來的一門新興學科，它傳統的波動光學中脫穎而出。加上數學中的傅里葉變換和通信中的線性系統理論使光學和通信這兩個不同的領域信息學范疇內統一了起來，從空域走向頻域。近年來，信息光學在光學互聯、三維成像系統、光學三維傳感、光學新材料和裝置等前沿領域十分活躍。因此配套的綜合實踐課程設置應緊密圍繞未來科技和產業發展的熱點領域，緊密聯系信息光學中的產業前沿和學術動態，使學生們體會到學以致用的成就感和樂趣，為今后繼續深造或擇業奠定堅實的基礎。

2.3 注重滲透交叉學科培養創新能力

信息光學綜合實踐課程對學生能力的培養是全方位的，課程的實施將調動起學生對于光學精密實驗平臺的準確操作、調動起學生對計算機語言的熟練運用、調動起對其他相關課程知識點的運用。充分體會到“信息光學”不是一門孤立的純理論課程，而是結合了信息科學、電子信息技術和圖像處理等學科，在日常生活、經濟發展甚至國防安全等領域有重要應用。

3 課程綜合實踐案例

依據以上三個原則，在貫徹“厚基礎、寬口徑、重實踐”的培養模式下，信息光學綜合實踐課程將依托實體實驗室和數字實驗室兩個平臺進行課程的實施。本文遴選該課程中諸多實踐專題中的兩個實例分別說明在這兩個平臺下的信息光學綜合實踐的具體內容和任務。

3.1 彩虹全息與防偽技術

任務設置背景：現如今，防偽標簽已經走入了我們的生活，但是防偽標簽僅僅是為了防偽嗎？事實上不僅如此，對于不同的商品所需要的功能是不同的，像保健品、進口高檔食品、酒類等，一般會傾向于選擇高檔的防偽標簽，提升產品的檔次。針對這類商品，設計推薦有科技含量的高端防偽標簽。不僅防偽功能強大，還有絢爛的外觀，給客戶留下深刻的印象。彩虹全息防偽碼就是檔次較高的防偽標簽的代表。

任務實踐內容：在實體實驗室，通過參考實驗教程，自行選擇光學元件、調整光路與光束比、進行曝光記錄、對干板進行顯影定影，最終在白光下再現其像。實現彩虹全息可采用兩步彩虹全息法或一步彩虹全息法，各有優勢和劣勢。此項實踐任務學生將通過調研文獻、參考教程、動手操作、進行對比實驗、進行實驗總結，最終形成實踐報告。鞏固信息光學的基礎知識，了解全息技術領域的發展趨勢。

3.2 ?用于光束整形的衍射光學元件設計

任務設置背景：用于光束整形衍的射光學元件是在透明基片上刻蝕所設計好的深淺不一的浮雕結構，通過對入射光束波前的調制將入射能量為高斯分布的激光束整形為能量分布均勻的平頂光斑。光斑的形狀可以是圓形、正方形、矩形、橢圓形等等，光斑的尺寸可以幾毫米到十幾微米。在激光加工、醫療器械、國防裝備等領域都有廣泛應用。

任務實踐內容：在虛擬實驗室，利用MATLAB計算仿真平臺，通過對Gerchberg-Saxton （GS） 算法的學習，設計相應的衍射光學元件。在這個仿真設計過程中，需要準確的描述入射光場并對其進行滿足奈奎斯特定理的離散采樣，然后通過恰當的參數設置進行迭代計算，最后對頻譜面的光斑強度分析和質量評價。此項實踐任務不僅很好的結合信息光學知識和編寫代碼能力，而且目標任務可靈活多樣化，有利于培養學生的創新思維能力。

4 問題與結論

信息光學綜合實踐課程作為“信息光學”配套的實踐類課程是對理論知識的充分鞏固和應用，注重引導學生主動參與、積極協作、探索創新。然而，實踐內容的設置應多樣化并層次分明，需要充分結合學生的實際的能力和水平，做到因材施教，學以致用。本課程有效彌補課堂教學時間的不足，塑造了學生的創新意識。在實戰演練中培養了學生分析解決問題的能力，培養了學生的實際動手能力。它的開設為培養合格的專業技術人才提供了必備的理論基礎和基本的實踐技能，而且對大學生深造和就業有很好的促進作用。

基金項目：1.江蘇省教育廳、江蘇省高?！扒嗨{工程”項目資助蘇教師[2018]第12號。2.江蘇省高等教育學會應用型本科院校研究會，項目名稱：基于“基礎引領、項目驅動、專創融合”的創新型人才培養模式研究與實踐，項目編號：2019yz09

參考文獻

[1] 王仕璠，劉藝.“信息光學”課程教學改革探索與實踐[J].實驗科學與技術，2012（10）：42-43.

[2] 施盛威，胡榮.獨立學院人才分類培養模式探討[J].教育評論，2012（4）：27-29.

[3] 陳霄.獨立學院應用型人才培養質量提升路徑初探[J].教育教學論壇，2020（42）：322-323.

[4] 張宇，王衛星，王建，劉江.“信息光學”本科教學改革實踐[J].電氣電子教學學報，2009.31（4）：12-13.

[5] 喬文.大學光學課程的項目教學法設計與探討[J].教育教學論壇，2019（45）：177-178.