《光學(xué)設計》課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐論文
【論文關(guān)鍵詞】《光學(xué)設計》 教學(xué)改革 探索與實(shí)踐
【論文摘要】《光學(xué)設計》是一門(mén)實(shí)踐性很強的課程，是光學(xué)工程和光信息科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的主修課。本文對《光學(xué)設計》課堂教學(xué)內容的組織、教學(xué)方法的改進(jìn)以及考核方式的改革等進(jìn)行了探討，以期對該課程的教學(xué)改革提供方法與思路。
《光學(xué)設計》是許多工科院校的“光信息科學(xué)與技術(shù)”、“光學(xué)工程”等專(zhuān)業(yè)的主修課程，北京信息科技大學(xué)光信息科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)在應用光學(xué)、物理光學(xué)等必修課基礎上也開(kāi)設了這門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)選修課�！豆鈱W(xué)設計》是一門(mén)將幾何光學(xué)與物理光學(xué)知識與實(shí)踐相結合的學(xué)科，通過(guò)該課程的學(xué)習，學(xué)生可以系統的了解光學(xué)設計方面的知識，了解一些最常用的光學(xué)系統的設計方法，以及了解光學(xué)設計的發(fā)展方向。該課程的特點(diǎn)是應用性較強，涉及的內容較多，如何在有限的學(xué)時(shí)內，通過(guò)該課程的學(xué)習，培養學(xué)生熟練設計各種光學(xué)系統的能力，提高學(xué)生的分析能力和實(shí)踐能力，這對授課教師提出了嚴峻挑戰。該課程一般通過(guò)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)兩個(gè)環(huán)節完成教學(xué)內容，本文將幾年來(lái)的課堂教學(xué)工作所積累下來(lái)的心得與體會(huì )加以總結，主要涉及到教學(xué)內容的組織，教學(xué)方法的改進(jìn)與考核方式的變革等。
一、精心組織授課內容，理清主線(xiàn)，突出重點(diǎn)。
光學(xué)設計課程囊括的知識點(diǎn)比較多，面向不同的教學(xué)對象，因為其本身知識積累就不同，而不同的教材組織方式，調強的知識重點(diǎn)也不盡相同，因此需要教師因人而異、不斷調整授課內容的組織方式。北京信息科技大學(xué)光信息科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)將該課程核定為32學(xué)時(shí)，在這么短的課時(shí)內，如何選擇講授的知識點(diǎn)來(lái)保證教學(xué)活動(dòng)的完成，根據本專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)，我們精心組織了教學(xué)內容，主要為了理清思路，并突出重點(diǎn)。光學(xué)設計涉及到的內容可分為：高斯光學(xué)、像差理論、典型光學(xué)系統、計算機自動(dòng)優(yōu)化方法、光學(xué)系統公差分析及光學(xué)元件制圖等。高斯光學(xué)是光學(xué)系統分析的基礎，光學(xué)系統初始結構計算就是基于高斯光學(xué)理論的；像差理論是光學(xué)設計的重中之重，只有深刻了解了像差理論，才能夠自主、靈活的設計光學(xué)系統；典型光學(xué)系統包括放大鏡、顯微鏡、望遠鏡等系統，是了解實(shí)際光學(xué)系統的鑰匙，也是光學(xué)系統初始結構計算的理論基礎；而計算機自動(dòng)優(yōu)化方法、光學(xué)系統公差分析及光學(xué)元件制圖等是實(shí)踐性很強的內容，也是把上述理論知識與實(shí)際設計過(guò)程聯(lián)系的紐帶。只有理清了這些內容的知識體系，才能有的放矢，條理清楚的講授。我們經(jīng)過(guò)探索，發(fā)現在授課時(shí)選擇一個(gè)實(shí)際的光學(xué)系統（如開(kāi)普勒望遠鏡系統），從它的基本結構講起，引出物鏡和目鏡的各自特點(diǎn)，用高斯光學(xué)知識分析其放大率、視場(chǎng)角等參數，再引申到實(shí)際系統像差對像質(zhì)的影響，最后講授怎樣設計這樣一個(gè)系統以及設計中應該注意的問(wèn)題。這樣就能把所有要講授的內容串聯(lián)起來(lái)，學(xué)生就能更好地理清思路，知道哪部分內容的作用以及怎樣學(xué)習效率更高。另外，講解時(shí)不能一概而論，必須突出重點(diǎn)，每個(gè)知識模塊的學(xué)時(shí)要分配得當。比如像差理論是本課程的重點(diǎn)，需要占用較多的學(xué)時(shí)講解；而且像差理論這一部分應該把重點(diǎn)放在各種系統參數（比如，光闌大小、位置，材料折射率、相對色散等）對初級像差的影響上，因為這是一個(gè)優(yōu)秀光學(xué)設計工程師必須練好的最重要的基本功。最后，處理好知識點(diǎn)與實(shí)際光學(xué)系統之間的關(guān)系。比如要提醒學(xué)生每一部分知識點(diǎn)都要結合與實(shí)際光學(xué)系統設計（包括加工、檢測）的關(guān)系來(lái)學(xué)習，做到有的放矢、思路清晰。
二、教學(xué)方法的改進(jìn)
1．課堂教學(xué)與課外科技創(chuàng )新實(shí)踐相結合
學(xué)習基本原理知識的目的是為了更好地應用到實(shí)際生活中。我們積極鼓勵學(xué)生參加各種科技創(chuàng )新活動(dòng)，堅持課堂教學(xué)與課外創(chuàng )新實(shí)踐活動(dòng)相結合，強化實(shí)踐能力培養，提高學(xué)生的設計與綜合分析能力。比如，在學(xué)習了照相系統基本知識以后，我們鼓勵學(xué)生調研如今市場(chǎng)上的各種照相機（包括數碼相機、傳統相機、攝像機等），讓學(xué)生考察照相機的基本結構以及重要技術(shù)參數，并讓學(xué)生嘗試自己設計一臺照相機系統。這樣，學(xué)生的學(xué)習積極性得到大大提高，他們在設計過(guò)程中遇到很多問(wèn)題，再重新回過(guò)頭在課堂找答案，被動(dòng)接收變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習，學(xué)習效率大大提高。
2．現代多媒體教學(xué)技術(shù)的使用
多媒體教學(xué)是以計算機為核心的教學(xué)手段，能交互的綜合處理文本、圖形、圖像、動(dòng)畫(huà)、音頻及視頻等多種媒體信息，更豐富、更復雜的信息多媒體教學(xué)對全面提高教學(xué)質(zhì)量，增進(jìn)教學(xué)效果起著(zhù)不可替代的推進(jìn)作用�；诙嗝襟w的光學(xué)設計課程教學(xué)優(yōu)勢包括：第一，圖文并茂，簡(jiǎn)潔直觀(guān)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習興趣，提高學(xué)生學(xué)習的主動(dòng)性。比如在講授望遠系統時(shí)，我們把目前世界上的各種望遠系統圖片投影到黑板上，并列舉各系統的優(yōu)缺點(diǎn)，使學(xué)生頓時(shí)產(chǎn)生了濃厚的學(xué)習興趣。第二，把教師從繁重的板書(shū)中解放出來(lái)，更有利于教師語(yǔ)言、人格魅力的發(fā)揮，學(xué)生可以在相同的時(shí)間內獲取更多的知識，提高課堂教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量。比如，在講授各種目鏡結構時(shí)，由于目鏡的種類(lèi)很多，有惠更斯目鏡、冉斯登目鏡、凱涅爾目鏡、對稱(chēng)式目鏡以及廣角目鏡等，一一板書(shū)這些目鏡結構和特點(diǎn)非�；〞r(shí)間，而且作用不大。使用多媒體就可以很快的展示各種目鏡結構以及特點(diǎn)，從而把更多時(shí)間放到講授目鏡選型以及設計中去。第三，教師為主導，學(xué)生為主體，二者相互有機結合，實(shí)現教與學(xué)的良性互動(dòng)。比如，在學(xué)習球差與系統相對孔徑以及光闌的關(guān)系這部分內容時(shí)，我們讓學(xué)生自己提出各種參數，然后現場(chǎng)用多媒體計算光線(xiàn)軌跡并畫(huà)出光路圖、像差圖等，學(xué)生再根據像差圖提出新的修正結構，直到得出滿(mǎn)意的球差。在這個(gè)過(guò)程中，教師與學(xué)生不再是填鴨式的灌輸與接受知識，而是很好的互動(dòng)，并激發(fā)了學(xué)生學(xué)習興趣。
3．光學(xué)設計軟件的應用
在光學(xué)設計課程教學(xué)中，為了演示光線(xiàn)追跡結果及光學(xué)系統在各種不同情況下、不同輸入光場(chǎng)時(shí)的輸出光場(chǎng)情況等，需要編制相應的模塊軟件。但由于編制這樣的模塊軟件工作量大、難度較高，往住使任課老師放棄在教學(xué)過(guò)程中演示復雜的光學(xué)現象，即使有人花大量時(shí)間和精力編制出一些，也因為功能不強、效果不佳而影響教學(xué)效果。我們將諸如ZEMAX、OSLO、CODE－V等功能強大的商業(yè)光學(xué)設計軟件引入光學(xué)設計課程的教學(xué)過(guò)程，可以減小設計工作量，并且使課程課件的深度得到加強，從而擴大學(xué)生的感性認知和視野，增強教學(xué)效果。
現有的成像光學(xué)分析與設計軟件主要有三種，分別為：美國OpticalResearchAssociation公司的CODE－V軟件；LambdaResearchCorporation公司的OSLO軟件；FocusSoftwareInc開(kāi)發(fā)的ZEMAX軟件。其中ZEMAX軟件由于界面友好，容易上手，目前占據市場(chǎng)最大份額；我們在課堂教學(xué)中采用的也是ZEMAX軟件。該軟件可做光學(xué)組件設計與照明系統的照度分析，也可建立反射、折射、繞射等光學(xué)模型，并結合優(yōu)化、公差等分析功能，是將實(shí)際光學(xué)系統的設計概念、優(yōu)化、分析、公差以及報表集成在一起的一套綜合性的光學(xué)設計仿真軟件。課堂利用ZEMAX的計算與模擬功能，鼓勵學(xué)生通過(guò)自主探索，在掌握理論知識的前提下，讓學(xué)生建立相應的物理模型和數學(xué)模型，通過(guò)自己輸入參數去完成對光學(xué)系統的形象化和具體化，并對光學(xué)系統像差進(jìn)行詳細了解，為進(jìn)一步設計提供參考依據。例如，如果要給學(xué)生講授cook三片式透鏡組（入瞳10mm，全視場(chǎng)角40°）的結構以及性能，通過(guò)ZEMAX可以很形象地顯示。圖1所示，cook透鏡組的二維和三維結構圖都可以畫(huà)出，而且所選三個(gè)視場(chǎng)（0視場(chǎng)、10°視場(chǎng)、20°視場(chǎng)）的光線(xiàn)軌跡也可以準確畫(huà)出，這樣就使得學(xué)生有更形象、直觀(guān)的認識。如果要了解該透鏡組性能，就可以利用ZEMAX光線(xiàn)追跡程序快速計算出每一條光線(xiàn)的軌跡，并算出各種像差值。該cook透鏡組的幾種像差圖見(jiàn)圖2所示，這里只顯示了四種像差圖：點(diǎn)列圖、波像差圖、調制傳遞函數圖和場(chǎng)曲、像散及畸變圖。根據這些像差圖，學(xué)生可以對該系統的像差有個(gè)全面的認識，可以更進(jìn)一步改進(jìn)并優(yōu)化結構參數。而計算實(shí)際像差利用傳統的手工計算花費時(shí)間是巨大的。 總之，利用光學(xué)設計軟件，可以使光學(xué)設計課程授課效率更高，學(xué)生學(xué)習興趣更濃，學(xué)習效果更好。
三、課程考核方法的改革
考試已成為課程改革的一部分，與課程的實(shí)施方法相輔相成，從而更客觀(guān)地反映教與學(xué)的效果，達到拓展學(xué)生的個(gè)性，激發(fā)其學(xué)習能力和興趣的目的。傳統理工科課程通常以閉卷筆試加平時(shí)成績(jì)相結合的方式進(jìn)行考核。針對《光學(xué)設計》的課程特點(diǎn)，我們采用了以考核綜合知識和能力為主導的考試方法。具體包括：①建立小課題，指導學(xué)生撰寫(xiě)小論文。比如讓學(xué)生們調研目前流行的單反相機的原理并進(jìn)行初步設計，學(xué)生通過(guò)查資料，深入調研，強化學(xué)生自己思考的過(guò)程，同時(shí)也能考察一個(gè)學(xué)生的綜合素質(zhì)。②開(kāi)展課堂討論，給予總結評價(jià)。這部分的考核主要是通過(guò)討論來(lái)考察學(xué)生對知識點(diǎn)的應用和具體解決問(wèn)題的能力。③試卷考核。該部分主要考概念題和思考題，加深學(xué)生對理論基本知識的理解和掌握。
通過(guò)這三種方式來(lái)全面綜合地考察、評定學(xué)生對該門(mén)課程的學(xué)習掌握和理解程度，從而更好地反饋和指導教學(xué)。這樣的考核方法覆蓋指標更全面，考核的結果就會(huì )更客觀(guān)合理，能夠真實(shí)全面反映學(xué)生的學(xué)習情況與能力水平，有利于對學(xué)生的知識和能力進(jìn)行綜合評價(jià)。
四、教師自身能力提高
教師是課程改革最直接、最關(guān)鍵的群體，因此教師的自身成長(cháng)與課程的建設發(fā)展密切相關(guān)。教師的專(zhuān)業(yè)成長(cháng)不僅僅是教學(xué)經(jīng)歷和教學(xué)經(jīng)驗的累積與豐富，更是教師由被動(dòng)到主動(dòng)參與課程決策、課程運作和課程評價(jià)，促進(jìn)課程、教師和學(xué)生共同發(fā)展的過(guò)程。在不斷變革的社會(huì )大環(huán)境下，教師應樹(shù)立終身教育和終身學(xué)習的觀(guān)念，即“教育既是為了促進(jìn)個(gè)人的終身全面發(fā)展，又是為了促進(jìn)社會(huì )的持續發(fā)展和全面進(jìn)步�！敝挥芯邆溥@樣的觀(guān)念，才能不斷解決教育中出現的各種問(wèn)題，才能建構新課程條件下的目標、教學(xué)、評價(jià)體系。另外，很多人對于光學(xué)設計存在錯誤的認識，認為只要學(xué)好幾種光學(xué)設計軟件就可以進(jìn)行光學(xué)設計。其實(shí)，光學(xué)設計是一種創(chuàng )造性的工作，它需要經(jīng)驗也需要設計人員有正確的設計思想和設計理念，而軟件只是工具而已。光學(xué)設計總要從像差補償開(kāi)始，如果沒(méi)有對基礎像差理論的深入、正確理解，只是按照已有參數按步就班地操作，光學(xué)設計則成了完全的技術(shù)工作，毫無(wú)思想性可言。對于這部分理論內容要有“板凳要坐十年冷”的準備，從復雜、枯燥的公式中理解設計的基礎，打好光學(xué)設計的基礎。光學(xué)設計是一門(mén)需要慢慢磨的手藝，作為教師的我們就更要負起責任，不斷提高自身水平，不浮躁、不圖快，踏踏實(shí)實(shí)的不斷學(xué)習，積極地參與科研，積累更多的光學(xué)設計經(jīng)驗，這樣才能更好地講授好這門(mén)課。
五、結束語(yǔ)
隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)系統的作用越來(lái)越被重視，迫切需要光學(xué)設計的專(zhuān)業(yè)人才，為此高校肩負著(zhù)培養具有良好光學(xué)設計人才的重任。本文對光學(xué)設計教學(xué)內容與課程設置的安排、教學(xué)方式的優(yōu)化改革以及考核方式多樣化等問(wèn)題進(jìn)行了研究與討論，為學(xué)生更好地掌握光學(xué)設計知識、將來(lái)更好地服務(wù)于社會(huì )打下良好的基礎。
參考文獻
1王之江.光學(xué)設計理論基礎［M］.北京：科學(xué)出版社，1985
2李林.計算機輔助光學(xué)設計的理論與應用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2002
3黃一帆、李林.光學(xué)設計教程［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2009
4張衛純、王開(kāi)圣.淺談《光電檢測技術(shù)》課程的課堂教學(xué)［J］.甘肅科技，2009（18）：170～171
5沈常宇、李晨霞、倪凱.光學(xué)原理課程教學(xué)改革與人才培養的研究與實(shí)踐［J］.黑龍江教育，2006（6）：57～58
6李玉紅.“光學(xué)”課程教學(xué)改革實(shí)踐與成果［J］.高等理科教育，2006（2）：97～123
【《光學(xué)設計》課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐論文】相關(guān)文章：
談《光學(xué)設計》課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐11-20
光學(xué)課程改革的探索論文參考文獻11-21
論述環(huán)境小品設計課程教學(xué)改革的實(shí)踐與探索12-06
字體設計課程教學(xué)改革與實(shí)踐論文03-18
字體設計課程教學(xué)改革與實(shí)踐分析論文11-23
廣告設計課程實(shí)踐教學(xué)改革與研究論文11-23
淺析機械制圖與CAD課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐論文03-18
探究林木教學(xué)改革的探索與實(shí)踐論文03-18
- 相關(guān)推薦