淺談《光學設計》課程教學改革的探索與實踐

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1、淺談《光學設計》課程教學改革的探索與實踐 “ 【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，是光學工程和光信息科學與技術專業(yè)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“光信息科學與技術”、“光學工程”等專業(yè)的主修課程，北京信息科技大學光信息科學與技術專業(yè)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(yè)選修課?！豆鈱W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

2、程的學習，學生可以系統(tǒng)的了解光學設計方面的知識，了解一些最常用的光學系統(tǒng)的設計方法，以及了解光學設計的發(fā)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(yǎng)學生熟練設計各種光學系統(tǒng)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(zhàn)。該課程一般通過理論教學和實踐教學兩個環(huán)節(jié)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，面向不同的教學對象，因為其本身知識積累就

3、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。北京信息科技大學光信息科學與技術專業(yè)將該課程核定為32學時，在這么短的課時內，如何選擇講授的知識點來保證教學活動的完成，根據(jù)本專業(yè)的特點，我們精心組織了教學內容，主要為了理清思路，并突出重點。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(tǒng)、計算機自動優(yōu)化方法、光學系統(tǒng)公差分析及光學元件制圖等。高斯光學是光學系統(tǒng)分析的基礎，光學系統(tǒng)初始結構計算就是基于高斯光學理論的；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(tǒng)；典型光學系統(tǒng)包括放大鏡、顯微

4、鏡、望遠鏡等系統(tǒng)，是了解實際光學系統(tǒng)的鑰匙，也是光學系統(tǒng)初始結構計算的理論基礎；而計算機自動優(yōu)化方法、光學系統(tǒng)公差分析及光學元件制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(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)過探索，發(fā)現(xiàn)在授課時選擇一個實際的光學系統(tǒng)（如開普勒望遠鏡系統(tǒng)），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、視場角等參數(shù)，再引申到實際系統(tǒng)像差對像質的影響，最后講授怎樣設計這樣一個系統(tǒng)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(lián)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

5、率更高。另外，講解時不能一概而論，必須突出重點，每個知識模塊的學時要分配得當。比如像差理論是本課程的重點，需要占用較多的學時講解；而且像差理論這一部分應該把重點放在各種系統(tǒng)參數(shù)（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(yōu)秀光學設計工程師必須練好的最重要的基本功。最后，處理好知識點與實際光學系統(tǒng)之間的關系。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(tǒng)設計（包括加工、檢測）的關系來學習，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(chuàng)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

6、。我們積極鼓勵學生參加各種科技創(chuàng)新活動，堅持課堂教學與課外創(chuàng)新實踐活動相結合，強化實踐能力培養(yǎng)，提高學生的設計與綜合分析能力。比如，在學習了照相系統(tǒng)基本知識以后，我們鼓勵學生調研如今市場上的各種照相機（包括數(shù)碼相機、傳統(tǒng)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參數(shù)，并讓學生嘗試自己設計一臺照相機系統(tǒng)。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?yōu)橹鲃訉W習，學習效率大大提高。 2．現(xiàn)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，能交互的綜合處理文本、圖形、圖像、動畫、音頻及視頻等多種

7、媒體信息，更豐富、更復雜的信息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。基于多媒體的光學設計課程教學優(yōu)勢包括：第一，圖文并茂，簡潔直觀，激發(fā)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(tǒng)時，我們把目前世界上的各種望遠系統(tǒng)圖片投影到黑板上，并列舉各系統(tǒng)的優(yōu)缺點，使學生頓時產(chǎn)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，更有利于教師語言、人格魅力的發(fā)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，由于目鏡的種類很多，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

8、?；〞r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(xiàn)教與學的良性互動。比如，在學習球差與系統(tǒng)相對孔徑以及光闌的關系這部分內容時，我們讓學生自己提出各種參數(shù)，然后現(xiàn)場用多媒體計算光線軌跡并畫出光路圖、像差圖等，學生再根據(jù)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，并激發(fā)了學生學習興趣。 “ 3．光學設計軟件的應用 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(tǒng)在各種不同情況下、不同輸

9、入光場時的輸出光場情況等，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過程中演示復雜的光學現(xiàn)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(yè)光學設計軟件引入光學設計課程的教學過程，可以減小設計工作量，并且使課程課件的深度得到加強，從而擴大學生的感性認知和視野，增強教學效果。 總之，利用光學設計軟件，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

10、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(fā)其學習能力和興趣的目的。傳統(tǒng)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并進行初步設計，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。

11、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，有利于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(fā)展密切相關。教師的專業(yè)成長不僅僅是教學經(jīng)歷和教學經(jīng)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(fā)展的過程。在不斷變革的社會大環(huán)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

12、面發(fā)展，又是為了促進社會的持續(xù)發(fā)展和全面進步?！敝挥芯邆溥@樣的觀念，才能不斷解決教育中出現(xiàn)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，很多人對于光學設計存在錯誤的認識，認為只要學好幾種光學設計軟件就可以進行光學設計。其實，光學設計是一種創(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，只是按照已有參數(shù)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(jīng)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(fā)展，光學系統(tǒng)的作用越來越被重視，迫切需要光學設計的專業(yè)人才，為此高校肩負著培養(yǎng)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置的安排、教學方式的優(yōu)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、將來更好地服務于社會打下良好的基礎。