【論文關鍵詞】《光學設計》 教學改革 探索與實踐
【論文摘要】《光學設計》是一門實踐性很強的課程，是光學工程和光資訊科學與技術專業的主修課。本文對《光學設計》課堂教學內容的組織、教學方法的改進以及考核方式的改革等進行了探討，以期對該課程的教學改革提供方法與思路。
《光學設計》是許多工科院校的“光資訊科學與技術”、“光學工程”等專業的主修課程，北京資訊科技大學光資訊科學與技術專業在應用光學、物理光學等必修課基礎上也開設了這門重要的專業選修課。《光學設計》是一門將幾何光學與物理光學知識與實踐相結合的學科，通過該課程的學習，學生可以系統的瞭解光學設計方面的知識，瞭解一些最常用的光學系統的設計方法，以及瞭解光學設計的發展方向。該課程的特點是應用性較強，涉及的內容較多，如何在有限的學時內，通過該課程的學習，培養學生熟練設計各種光學系統的能力，提高學生的分析能力和實踐能力，這對授課教師提出了嚴峻挑戰。該課程一般通過理論教學和實踐教學兩個環節完成教學內容，本文將幾年來的課堂教學工作所積累下來的心得與體會加以總結，主要涉及到教學內容的組織，教學方法的改進與考核方式的變革等。
一、精心組織授課內容，理清主線，突出重點。
光學設計課程囊括的知識點比較多，面向不同的教學物件，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。北京資訊科技大學光資訊科學與技術專業將該課程核定為32學時，在這麼短的課時內，如何選擇講授的知識點來保證教學活動的完成，根據本專業的特點，我們精心組織了教學內容，主要為了理清思路，並突出重點。光學設計涉及到的內容可分為：高斯光學、像差理論、典型光學系統、計算機自動優化方法、光學系統公差分析及光學元件製圖等。高斯光學是光學系統分析的基礎，光學系統初始結構計算就是基於高斯光學理論的；像差理論是光學設計的重中之重，只有深刻了解了像差理論，才能夠自主、靈活的設計光學系統；典型光學系統包括放大鏡、顯微鏡、望遠鏡等系統，是瞭解實際光學系統的鑰匙，也是光學系統初始結構計算的理論基礎；而計算機自動優化方法、光學系統公差分析及光學元件製圖等是實踐性很強的內容，也是把上述理論知識與實際設計過程聯絡的紐帶。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。我們經過探索，發現在授課時選擇一個實際的光學系統（如開普勒望遠鏡系統），從它的基本結構講起，引出物鏡和目鏡的各自特點，用高斯光學知識分析其放大率、視場角等引數，再引申到實際系統像差對像質的影響，最後講授怎樣設計這樣一個系統以及設計中應該注意的問題。這樣就能把所有要講授的內容串聯起來，學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習效率更高。另外，講解時不能一概而論，必須突出重點，每個知識模組的學時要分配得當。比如像差理論是本課程的重點，需要佔用較多的學時講解；而且像差理論這一部分應該把重點放在各種系統引數（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，因為這是一個優秀光學設計工程師必須練好的最重要的基本功。最後，處理好知識點與實際光學系統之間的關係。比如要提醒學生每一部分知識點都要結合與實際光學系統設計（包括加工、檢測）的關係來學習，做到有的放矢、思路清晰。
二、教學方法的改進
1．課堂教學與課外科技創新實踐相結合
學習基本原理知識的目的是為了更好地應用到實際生活中。我們積極鼓勵學生參加各種科技創新活動，堅持課堂教學與課外創新實踐活動相結合，強化實踐能力培養，提高學生的設計與綜合分析能力。比如，在學習了照相系統基本知識以後，我們鼓勵學生調研如今市場上的各種照相機（包括數碼相機、傳統相機、攝像機等），讓學生考察照相機的基本結構以及重要技術引數，並讓學生嘗試自己設計一臺照相機系統。這樣，學生的學習積極性得到大大提高，他們在設計過程中遇到很多問題，再重新回過頭在課堂找答案，被動接收變為主動學習，學習效率大大提高。
2．現代多媒體教學技術的使用
多媒體教學是以計算機為核心的教學手段，能互動的綜合處理文字、圖形、影象、動畫、音訊及視訊等多種媒體資訊，更豐富、更復雜的資訊多媒體教學對全面提高教學質量，增進教學效果起著不可替代的推進作用。基於多媒體的光學設計課程教學優勢包括：第一，圖文並茂，簡潔直觀，激發學生學習興趣，提高學生學習的主動性。比如在講授望遠系統時，我們把目前世界上的各種望遠系統圖片投影到黑板上，並列舉各系統的優缺點，使學生頓時產生了濃厚的學習興趣。第二，把教師從繁重的板書中解放出來，更有利於教師語言、人格魅力的發揮，學生可以在相同的時間內獲取更多的知識，提高課堂教學效率和教學質量。比如，在講授各種目鏡結構時，由於目鏡的種類很多，有惠更斯目鏡、冉斯登目鏡、凱涅爾目鏡、對稱式目鏡以及廣角目鏡等，一一板書這些目鏡結構和特點非常花時間，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，從而把更多時間放到講授目鏡選型以及設計中去。第三，教師為主導，學生為主體，二者相互有機結合，實現教與學的良性互動。比如，在學習球差與系統相對孔徑以及光闌的關係這部分內容時，我們讓學生自己提出各種引數，然後現場用多媒體計算光線軌跡並畫出光路圖、像差圖等，學生再根據像差圖提出新的修正結構，直到得出滿意的球差。在這個過程中，教師與學生不再是填鴨式的灌輸與接受知識，而是很好的互動，並激發了學生學習興趣。
3．光學設計軟體的應用
在光學設計課程教學中，為了演示光線追跡結果及光學系統在各種不同情況下、不同輸入光場時的輸出光場情況等，需要編制相應的模組軟體。但由於編制這樣的'模組軟體工作量大、難度較高，往住使任課老師放棄在教學過程中演示覆雜的光學現象，即使有人花大量時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效果。我們將諸如ZEMAX、OSLO、CODE－V等功能強大的商業光學設計軟體引入光學設計課程的教學過程，可以減小設計工作量，並且使課程課件的深度得到加強，從而擴大學生的感性認知和視野，增強教學效果。
現有的成像光學分析與設計軟體主要有三種，分別為：美國OpticalResearchAssociation公司的CODE－V軟體；LambdaResearchCorporation公司的OSLO軟體；FocusSoftwareInc開發的ZEMAX軟體。其中ZEMAX軟體由於介面友好，容易上手，目前佔據市場最大份額；我們在課堂教學中採用的也是ZEMAX軟體。該軟體可做光學元件設計與照明系統的照度分析，也可建立反射、折射、繞射等光學模型，並結合優化、公差等分析功能，是將實際光學系統的設計概念、優化、分析、公差以及報表整合在一起的一套綜合性的光學設計模擬軟體。課堂利用ZEMAX的計算與模擬功能，鼓勵學生通過自主探索，在掌握理論知識的前提下，讓學生建立相應的物理模型和數學模型，通過自己輸入引數去完成對光學系統的形象化和具體化，並對光學系統像差進行詳細瞭解，為進一步設計提供參考依據。例如，如果要給學生講授cook三片式透鏡組（入瞳10mm，全視場角40°）的結構以及效能，通過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出，而且所選三個視場（0視場、10°視場、20°視場）的光線軌跡也可以準確畫出，這樣就使得學生有更形象、直觀的認識。如果要了解該透鏡組效能，就可以利用ZEMAX光線追跡程式快速計算出每一條光線的軌跡，並算出各種像差值。該cook透鏡組的幾種像差圖見圖2所示，這裡只顯示了四種像差圖：點列圖、波像差圖、調製傳遞函式圖和場曲、像散及畸變圖。根據這些像差圖，學生可以對該系統的像差有個全面的認識，可以更進一步改進並優化結構引數。而計算實際像差利用傳統的手工計算花費時間是巨大的。 總之，利用光學設計軟體，可以使光學設計課程授課效率更高，學生學習興趣更濃，學習效果更好。
三、課程考核方法的改革
考試已成為課程改革的一部分，與課程的實施方法相輔相成，從而更客觀地反映教與學的效果，達到拓展學生的個性，激發其學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成績相結合的方式進行考核。針對《光學設計》的課程特點，我們採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，指導學生撰寫小論文。比如讓學生們調研目前流行的單反相機的原理並進行初步設計，學生通過查資料，深入調研，強化學生自己思考的過程，同時也能考察一個學生的綜合素質。②開展課堂討論，給予總結評價。這部分的考核主要是通過討論來考察學生對知識點的應用和具體解決問題的能力。③試卷考核。該部分主要考概念題和思考題，加深學生對理論基本知識的理解和掌握。
通過這三種方式來全面綜合地考察、評定學生對該門課程的學習掌握和理解程度，從而更好地反饋和指導教學。這樣的考核方法覆蓋指標更全面，考核的結果就會更客觀合理，能夠真實全面反映學生的學習情況與能力水平，有利於對學生的知識和能力進行綜合評價。
四、教師自身能力提高
教師是課程改革最直接、最關鍵的群體，因此教師的自身成長與課程的建設發展密切相關。教師的專業成長不僅僅是教學經歷和教學經驗的累積與豐富，更是教師由被動到主動參與課程決策、課程運作和課程評價，促進課程、教師和學生共同發展的過程。在不斷變革的社會大環境下，教師應樹立終身教育和終身學習的觀念，即“教育既是為了促進個人的終身全面發展，又是為了促進社會的持續發展和全面進步。”只有具備這樣的觀念，才能不斷解決教育中出現的各種問題，才能建構新課程條件下的目標、教學、評價體系。另外，很多人對於光學設計存在錯誤的認識，認為只要學好幾種光學設計軟體就可以進行光學設計。其實，光學設計是一種創造性的工作，它需要經驗也需要設計人員有正確的設計思想和設計理念，而軟體只是工具而已。光學設計總要從像差補償開始，如果沒有對基礎像差理論的深入、正確理解，只是按照已有引數按步就班地操作，光學設計則成了完全的技術工作，毫無思想性可言。對於這部分理論內容要有“板凳要坐十年冷”的準備，從複雜、枯燥的公式中理解設計的基礎，打好光學設計的基礎。光學設計是一門需要慢慢磨的手藝，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，踏踏實實的不斷學習，積極地參與科研，積累更多的光學設計經驗，這樣才能更好地講授好這門課。
五、結束語
隨著科學技術的發展，光學系統的作用越來越被重視，迫切需要光學設計的專業人才，為此高校肩負著培養具有良好光學設計人才的重任。本文對光學設計教學內容與課程設定的安排、教學方式的優化改革以及考核方式多樣化等問題進行了研究與討論，為學生更好地掌握光學設計知識、將來更好地服務於社會打下良好的基礎。
參考文獻
1王之江.光學設計理論基礎［M］.北京：科學出版社，1985
2李林.計算機輔助光學設計的理論與應用［M］.北京：國防工業出版社，2002
3黃一帆、李林.光學設計教程［M］.北京：北京理工大學出版社，2009
4張衛純、王開聖.淺談《光電檢測技術》課程的課堂教學［J］.甘肅科技，2009（18）：170～171
5沈常宇、李晨霞、倪凱.光學原理課程教學改革與人才培養的研究與實踐［J］.黑龍江教育，2006（6）：57～58
6李玉紅.“光學”課程教學改革實踐與成果［J］.高等理科教育，2006（2）：97～123