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基于光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用光學(xué)課程建設(shè)研究
基于光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用光學(xué)課程建設(shè)研究
李莉1，李飛2，徐春梅1，劉秉琦1
（1.軍械工程學(xué)院電子與光學(xué)工程系，河北石家莊050003；2.石家莊陸軍指揮學(xué)院，河北石家莊050003）
摘要：光學(xué)已成為一門越來(lái)越重要的學(xué)科，而應(yīng)用光學(xué)課程作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課程在光學(xué)專業(yè)人才的培養(yǎng)方面起到了至關(guān)重要的作用。針對(duì)該課程傳統(tǒng)教學(xué)方法手段的不足，本文研究了基于光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的課程建設(shè)內(nèi)容與應(yīng)用實(shí)踐。
關(guān)鍵詞：光學(xué)設(shè)計(jì)軟件；應(yīng)用光學(xué)；教學(xué)建設(shè)；應(yīng)用實(shí)踐
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基金項(xiàng)目：軍械工程學(xué)院教學(xué)研究課題（jxlx12w41）
作者簡(jiǎn)介：李莉（1981-），女，河北大學(xué)光學(xué)專業(yè)，碩士學(xué)歷，現(xiàn)為中國(guó)人民解放軍軍械工程學(xué)院講師。
應(yīng)用光學(xué)課程是光學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)方案中非常重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，課程包含了工科院校光學(xué)專業(yè)學(xué)員所需必備的光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，為后續(xù)專業(yè)課程奠定理論基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)。如何充分發(fā)揮各種信息化教學(xué)方法手段上好《應(yīng)用光學(xué)》課程是專業(yè)課程建設(shè)和學(xué)員能力培養(yǎng)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，信息化教學(xué)模式的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越顯著，各種信息化教學(xué)方法手段被廣泛應(yīng)用到教學(xué)中來(lái)[1]。因此要瞄準(zhǔn)課程建設(shè)需要以及信息化教學(xué)改革的需要，將光學(xué)設(shè)計(jì)軟件引入到教學(xué)中來(lái)，利用先進(jìn)的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行教學(xué)實(shí)例以及仿真實(shí)驗(yàn)的建設(shè)，推動(dòng)應(yīng)用光學(xué)課程的信息化建設(shè)進(jìn)程。
一、光學(xué)設(shè)計(jì)軟件在應(yīng)用光學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用意義
經(jīng)過(guò)多年的《應(yīng)用光學(xué)》課程教學(xué)實(shí)踐，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的教學(xué)手段，如黑板、粉筆、多媒體示意圖等還存在很多不足[2]。比如，在理論教學(xué)時(shí)，大量復(fù)雜的光路圖、光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖以及實(shí)用的光學(xué)元器件圖等等都不同于一般的示意圖，要求準(zhǔn)確度很高，而且有時(shí)還涉及到空間光線，大大地增加了課堂講授難度，同時(shí)也影響了教學(xué)效果。在針對(duì)光學(xué)系統(tǒng)成像過(guò)程的講授時(shí)，傳統(tǒng)的教學(xué)手段也不能給出實(shí)際的成像裝置及成像過(guò)程，遇到復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，更是不能定量地畫(huà)出光路圖，也不能給出其動(dòng)態(tài)的成像過(guò)程。又比如，在實(shí)踐教學(xué)時(shí)，為了能夠進(jìn)一步獲得深層次的理性認(rèn)識(shí)，必須在感性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)之上，通過(guò)實(shí)踐，培養(yǎng)出學(xué)員實(shí)驗(yàn)的邏輯思維方法和訓(xùn)練出解決實(shí)際問(wèn)題的能力。然而，眾所周知，光學(xué)實(shí)驗(yàn)的條件要求非常高，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以用弱、精、微來(lái)總結(jié)，在課堂上由于條件的限制很多將難以演示或呈現(xiàn)出便于觀察、正確的結(jié)果。這些非常成熟，但又顯露出相對(duì)落后的傳統(tǒng)教學(xué)手段，造成了光學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)在教學(xué)時(shí)間和空間上的不匹配，已經(jīng)非常明顯地影響了應(yīng)用光學(xué)的教學(xué)效果，急需進(jìn)行教學(xué)方法手段的改進(jìn)。
我們利用先進(jìn)的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行教學(xué)實(shí)例以及仿真實(shí)驗(yàn)的建設(shè)，凸出意義有以下三點(diǎn)。
1.利用專業(yè)的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件可以將課程中涉及到的光路、光學(xué)元件進(jìn)而到光學(xué)系統(tǒng)，甚至實(shí)用化到光學(xué)儀器，以三維實(shí)體的方式精準(zhǔn)地構(gòu)建出來(lái)（這是光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的基本功能之一），這些構(gòu)建實(shí)例相比于傳統(tǒng)教學(xué)中使用的二維示意圖，準(zhǔn)確度大大提高，甚至上升到了光學(xué)量級(jí)，加上高度的形象化和精密的準(zhǔn)確性可以確保虛擬仿真的效果并極大地增強(qiáng)教學(xué)效果。
2.隨著教改的進(jìn)行，新的專業(yè)人才培養(yǎng)方案中，加入了很多新的課程，也整合了很多原有課程，應(yīng)用光學(xué)課程的學(xué)時(shí)進(jìn)行了縮減，而要想在更為有限的課時(shí)中，加入并很好地開(kāi)展各種實(shí)驗(yàn)，將比較困難。通過(guò)將光學(xué)設(shè)計(jì)軟件與應(yīng)用光學(xué)課程有機(jī)結(jié)合，以軟件為平臺(tái)，將各種抽象的或難以演示的光學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M仿真出來(lái)后運(yùn)用于課堂教學(xué)中，緊密結(jié)合抽象理論與直觀實(shí)驗(yàn)，將很好地加深學(xué)員對(duì)理論知識(shí)的理解，提高學(xué)員對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)驗(yàn)實(shí)時(shí)結(jié)合的課堂一體化教學(xué)。
3. 光學(xué)設(shè)計(jì)軟件作為光學(xué)領(lǐng)域?qū)I(yè)的工程軟件，在科研、生產(chǎn)工作中應(yīng)用非常廣泛，教員將它引入到教學(xué)建設(shè)中，同樣也是引入到學(xué)員的學(xué)習(xí)過(guò)程中，也就意味著為學(xué)員提供了一個(gè)培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和鍛煉工程能力的平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)所學(xué)應(yīng)用光學(xué)知識(shí)在光學(xué)系統(tǒng)、光學(xué)儀器甚至光電儀器中的實(shí)際應(yīng)用，使教學(xué)、科研充分銜接，適應(yīng)工程實(shí)踐需求[3]。
二、具體建設(shè)內(nèi)容與應(yīng)用實(shí)踐
信息化條件下基于光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用光學(xué)課程建設(shè)可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行。
1.教學(xué)實(shí)例的計(jì)算機(jī)仿真建設(shè)，推進(jìn)信息化教學(xué)方法手段的應(yīng)用。(www.panasonaic.com)教學(xué)實(shí)例的計(jì)算機(jī)仿真建設(shè)由來(lái)已久，在原有的課程資源中，已經(jīng)制作了比較多的簡(jiǎn)單多媒體應(yīng)用，比如簡(jiǎn)單的示意圖、靜態(tài)照片圖片，也包括一些Flash簡(jiǎn)單示意動(dòng)畫(huà)，這些還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，利用專業(yè)的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件模擬出具有光學(xué)精度的交互式三維實(shí)體模型[4]取而代之以推進(jìn)信息化教學(xué)方法手段的應(yīng)用。例如，對(duì)于光學(xué)元件以及由光學(xué)元件組成的典型成像光學(xué)系統(tǒng)的建模及仿真分析，可以采用業(yè)內(nèi)目前流通非常廣泛的ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件來(lái)完成；而光度學(xué)、色度學(xué)部分中涉及到的非成像、照明光學(xué)系統(tǒng)的建模分析可以采用以照明分析見(jiàn)長(zhǎng)的TracePro軟件來(lái)完成。
2.虛擬仿真光學(xué)實(shí)驗(yàn)建設(shè)，促進(jìn)理論與實(shí)驗(yàn)課堂一體教學(xué)。眾所周知，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)而形成的一種現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，在很多理工科課程中均已有應(yīng)用。其優(yōu)點(diǎn)在于不受實(shí)驗(yàn)條件的限制，使得很多現(xiàn)實(shí)不易完成的實(shí)驗(yàn)均可借助虛擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)建設(shè)與課程內(nèi)容匹配的幾何光學(xué)、典型光學(xué)系統(tǒng)（如顯微系統(tǒng)與望遠(yuǎn)系統(tǒng)的比較、兩類望遠(yuǎn)系統(tǒng)的比較），甚至一部分物理光學(xué)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)（如理想光學(xué)系統(tǒng)與實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的分辨率），可以有效地解決課時(shí)受限、實(shí)驗(yàn)條件受限的困境，使學(xué)員更好地掌握基本的光學(xué)理論知識(shí)的同時(shí)，加深對(duì)典型的光學(xué)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。
3.學(xué)員科研訓(xùn)練基地建設(shè)，課堂教學(xué)與工程實(shí)踐并重。1989年麻省理工學(xué)院提出“回歸工程”的新觀念后得到了包括世界一流大學(xué)和一般大學(xué)的普遍認(rèn)同，回歸工程主要指將普通工科高校的一切工作回到以技術(shù)創(chuàng)新為中心的素質(zhì)教育上來(lái)[5]。在人才培養(yǎng)方案中，應(yīng)用光學(xué)屬于專業(yè)基礎(chǔ)課程，它與其他專業(yè)課相比，有著更廣的內(nèi)容，也與基礎(chǔ)學(xué)科（如數(shù)學(xué)、物理）和相關(guān)學(xué)科（如儀器科學(xué)、測(cè)量科學(xué)）有著更為廣泛的聯(lián)系，更容易知識(shí)的綜合與學(xué)科的交叉。因此，將光學(xué)設(shè)計(jì)軟件引入到教學(xué)建設(shè)中來(lái)，就是引入到學(xué)員當(dāng)前的學(xué)習(xí)、未來(lái)的工作中來(lái)，通過(guò)分解提取一些與應(yīng)用光學(xué)課程內(nèi)容有聯(lián)系的科研創(chuàng)作。如像質(zhì)良好放大鏡的設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)單望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)、相機(jī)取景器的設(shè)計(jì)等等，培養(yǎng)一些優(yōu)秀學(xué)員，成為研究型教學(xué)的對(duì)象，做到課堂教學(xué)與工程實(shí)踐并重。
在以上建設(shè)內(nèi)容完成的前提之下，將建設(shè)成果合理地引入到應(yīng)用光學(xué)課程的教學(xué)實(shí)踐中來(lái)，才能體現(xiàn)出其價(jià)值，并帶來(lái)效益，具體應(yīng)用實(shí)踐如下。
1.利用建設(shè)的教學(xué)實(shí)例進(jìn)行理論教學(xué)。經(jīng)專業(yè)光學(xué)設(shè)計(jì)軟件模擬出的具有光學(xué)精度的三維實(shí)體模型實(shí)例可以應(yīng)用于理論教學(xué)過(guò)程中，例如，在講授光闌的選擇這部分內(nèi)容時(shí)，僅利用課本、示意圖將很難講解清楚，利用Zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件建立的望遠(yuǎn)系統(tǒng)實(shí)例，通過(guò)逐一選擇不同的光學(xué)零件作為孔徑光闌，學(xué)員們可以清楚地看到透鏡數(shù)據(jù)欄中各個(gè)零件的口徑大小（精確到0.001mm），也可以直觀地通過(guò)三維圖查看設(shè)計(jì)的望遠(yuǎn)系統(tǒng)外形，合理與否一目了然。這樣的實(shí)例，可以加快、加深學(xué)員對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解。
2.上機(jī)實(shí)踐與課程的理論學(xué)習(xí)相結(jié)合�？梢酝ㄟ^(guò)安排一定的上機(jī)時(shí)間，讓學(xué)員直接進(jìn)行軟件操作學(xué)習(xí)，學(xué)以致用，真正體會(huì)“應(yīng)用光學(xué)”應(yīng)用性的所在，加上應(yīng)用光學(xué)是光學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，通過(guò)初步掌握光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Zemax的使用方法，還可以使學(xué)員更多地了解有關(guān)光學(xué)設(shè)計(jì)的知識(shí)，促進(jìn)學(xué)員向著更深的專業(yè)領(lǐng)域中去鉆研。另外，雙語(yǔ)教學(xué)雖然還沒(méi)有開(kāi)始開(kāi)展，但是，也已經(jīng)成為普遍的趨勢(shì)，而Zemax恰是國(guó)外引進(jìn)的專業(yè)軟件，為全英文界面，所用術(shù)語(yǔ)均與專業(yè)領(lǐng)域相同，因此學(xué)員在利用該軟件進(jìn)行課程學(xué)習(xí)的同時(shí)，也是不斷提高專業(yè)英語(yǔ)的過(guò)程，可以說(shuō)采用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件與應(yīng)用光學(xué)課程相結(jié)合的教學(xué)手段，加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)的建設(shè)，不僅可以鞏固和加深對(duì)應(yīng)用光學(xué)基礎(chǔ)理論的理解，而且通過(guò)必要的設(shè)計(jì)實(shí)踐使學(xué)員掌握對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)的知識(shí)，逐步具備解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。
3.總結(jié)成果形成實(shí)用的配套資料。將建設(shè)的教學(xué)實(shí)例以及上機(jī)實(shí)踐科目整理總結(jié)，形成供教員教學(xué)以及學(xué)員學(xué)習(xí)的課程配套資料，并通過(guò)每年的講授加以不斷地完善，形成常態(tài)，永無(wú)止境地追求教學(xué)效果的提高。另一個(gè)原因，雖然目前光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Zemax所占有的市場(chǎng)份額較高，用戶較廣，但是有關(guān)Zemax的中英文對(duì)照教材還不多，國(guó)內(nèi)獨(dú)家代理公司雖然每年有培訓(xùn)班、培訓(xùn)資料，但對(duì)課程的針對(duì)性不強(qiáng)，這些不利于學(xué)員很快的入門，所以，將教員每年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)積累起來(lái)，將相應(yīng)建設(shè)內(nèi)容匯集起來(lái)，形成完整、系統(tǒng)且實(shí)用又有針對(duì)性的教與學(xué)配套資料，并不斷應(yīng)用到實(shí)踐中來(lái)，達(dá)到良性循環(huán)。
三、結(jié)束語(yǔ)
應(yīng)用光學(xué)課程本身具備理論與實(shí)際相結(jié)合、應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，在培養(yǎng)學(xué)員科學(xué)的思維方式，綜合運(yùn)用基礎(chǔ)理論知識(shí)分析并解決實(shí)際光學(xué)儀器問(wèn)題的能力，以及知識(shí)的梳理和擴(kuò)展學(xué)習(xí)的能力方面作用重大。我們對(duì)該課程的建設(shè)進(jìn)行了有益的探索與實(shí)踐，并將繼續(xù)努力加以完善。
參考文獻(xiàn)：
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