淺談《光學設(shè)計》課程教學改革的探索與實踐

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1、淺談《光學設(shè)計》課程教學改革的探索與實踐 “ 【論文關(guān)鍵詞】《光學設(shè)計》 教學改革 探索與實踐 【論文摘 要】《光學設(shè)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(shù)專業(yè)的主修課。本文對《光學設(shè)計》課堂教學內(nèi)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(shè)計》是許多工科院校的“光信息科學與技術(shù)”、“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(shù)專業(yè)在應(yīng)用光學、物理光學等必修課基礎(chǔ)上也開設(shè)了這門重要的專業(yè)選修課?！豆鈱W設(shè)計》是一門將幾何光學與物理光學知識與實踐相結(jié)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(shè)計方面的知識，了解一些最常用的光學系統(tǒng)的設(shè)計方法，以及了解光學設(shè)計的發(fā)展方向。該課程的特點是應(yīng)用性較強，涉及的內(nèi)容較多，如何在有限的學時內(nèi)，通過該課程的學習，培養(yǎng)學生熟練設(shè)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(nèi)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(jié)，主要涉及到教學內(nèi)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(nèi)容，理清主線，突出重點。 光學設(shè)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(diào)強的知識重點也不盡相同，因此需要教師因人而異、不斷調(diào)整授課內(nèi)容的組織方式。北京信息科技大學光信息科學與技術(shù)專業(yè)將該課程核定為32學時，在這么短的課時內(nèi)，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(nèi)容，主要為了理清思路，并突出重點。光學設(shè)計涉及到的內(nèi)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(chǔ)，光學系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)計算就是基于高斯光學理論的；像差理論是光學設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)計算的理論基礎(chǔ)；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(nèi)容，也是把上述理論知識與實際設(shè)計過程聯(lián)系的紐帶。只有理清了這些內(nèi)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(jié)構(gòu)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(zhì)的影響，最后講授怎樣設(shè)計這樣一個系統(tǒng)以及設(shè)計中應(yīng)該注意的問題。這樣就能把所有要講授的內(nèi)容串聯(lián)起來，學生就能更好地理清思路，知道哪部分內(nèi)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(yīng)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(shè)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(guān)系。比如要提醒學生每一部分知識點都要結(jié)合與實際光學系統(tǒng)設(shè)計（包括加工、檢測）的關(guān)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(jié)合 學習基本原理知識的目的是為了更好地應(yīng)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(jié)合，強化實踐能力培養(yǎng)，提高學生的設(shè)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(diào)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(jié)構(gòu)以及重要技術(shù)參數(shù)，并讓學生嘗試自己設(shè)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(shè)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(shù)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(fù)雜的信息多媒體教學對全面提高教學質(zhì)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(shè)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(nèi)獲取更多的知識，提高課堂教學效率和教學質(zhì)量。比如，在講授各種目鏡結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)以及特點，從而把更多時間放到講授目鏡選型以及設(shè)計中去。第三，教師為主導，學生為主體，二者相互有機結(jié)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(guān)系這部分內(nèi)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(jié)構(gòu)，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(shè)計軟件的應(yīng)用 在光學設(shè)計課程教學中，為了演示光線追跡結(jié)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(yīng)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(fù)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(shè)計軟件引入光學設(shè)計課程的教學過程，可以減小設(shè)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(shè)計軟件，可以使光學設(shè)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(jié)合的方式進行考核。針對《光學設(shè)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(diào)研目前流行的單反相機的原理并進行初步設(shè)計，學生通過查資料，深入調(diào)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(zhì)。②開展課堂討論，給予總結(jié)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(yīng)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(jié)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(guān)鍵的群體，因此教師的自身成長與課程的建設(shè)發(fā)展密切相關(guān)。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(yīng)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(gòu)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(shè)計存在錯誤的認識，認為只要學好幾種光學設(shè)計軟件就可以進行光學設(shè)計。其實，光學設(shè)計是一種創(chuàng)造性的工作，它需要經(jīng)驗也需要設(shè)計人員有正確的設(shè)計思想和設(shè)計理念，而軟件只是工具而已。光學設(shè)計總要從像差補償開始，如果沒有對基礎(chǔ)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(shè)計則成了完全的技術(shù)工作，毫無思想性可言。對于這部分理論內(nèi)容要有“板凳要坐十年冷”的準備，從復(fù)雜、枯燥的公式中理解設(shè)計的基礎(chǔ)，打好光學設(shè)計的基礎(chǔ)。光學設(shè)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(shè)計經(jīng)驗，這樣才能更好地講授好這門課。 五、結(jié)束語 隨著科學技術(shù)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(shè)計的專業(yè)人才，為此高校肩負著培養(yǎng)具有良好光學設(shè)計人才的重任。本文對光學設(shè)計教學內(nèi)容與課程設(shè)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(shè)計知識、將來更好地服務(wù)于社會打下良好的基礎(chǔ)。