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基于光學設計軟件的應用光學課程建設研究
基于光學設計軟件的應用光學課程建設研究
李莉1，李飛2，徐春梅1，劉秉琦1
（1.軍械工程學院電子與光學工程系，河北石家莊050003；2.石家莊陸軍指揮學院，河北石家莊050003）
摘要：光學已成為一門越來越重要的學科，而應用光學課程作為一門專業基礎課程在光學專業人才的培養方面起到了至關重要的作用。針對該課程傳統教學方法手段的不足，本文研究了基于光學設計軟件的課程建設內容與應用實踐。
關鍵詞：光學設計軟件；應用光學；教學建設；應用實踐
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基金項目：軍械工程學院教學研究課題（jxlx12w41）
作者簡介：李莉（1981-），女，河北大學光學專業，碩士學歷，現為中國人民解放軍軍械工程學院講師。
應用光學課程是光學專業人才培養方案中非常重要的一門專業基礎課程，課程包含了工科院校光學專業學員所需必備的光學基礎知識，為后續專業課程奠定理論基礎和應用基礎。如何充分發揮各種信息化教學方法手段上好《應用光學》課程是專業課程建設和學員能力培養的關鍵問題之一。隨著信息技術的發展，信息化教學模式的優勢越來越顯著，各種信息化教學方法手段被廣泛應用到教學中來[1]。因此要瞄準課程建設需要以及信息化教學改革的需要，將光學設計軟件引入到教學中來，利用先進的光學設計軟件進行教學實例以及仿真實驗的建設，推動應用光學課程的信息化建設進程。
一、光學設計軟件在應用光學課程教學中的應用意義
經過多年的《應用光學》課程教學實踐，已經發現傳統的教學手段，如黑板、粉筆、多媒體示意圖等還存在很多不足[2]。比如，在理論教學時，大量復雜的光路圖、光學系統結構圖以及實用的光學元器件圖等等都不同于一般的示意圖，要求準確度很高，而且有時還涉及到空間光線，大大地增加了課堂講授難度，同時也影響了教學效果。在針對光學系統成像過程的講授時，傳統的教學手段也不能給出實際的成像裝置及成像過程，遇到復雜的光學系統時，更是不能定量地畫出光路圖，也不能給出其動態的成像過程。又比如，在實踐教學時，為了能夠進一步獲得深層次的理性認識，必須在感性認識的基礎之上，通過實踐，培養出學員實驗的邏輯思維方法和訓練出解決實際問題的能力。然而，眾所周知，光學實驗的條件要求非常高，實驗現象可以用弱、精、微來總結，在課堂上由于條件的限制很多將難以演示或呈現出便于觀察、正確的結果。這些非常成熟，但又顯露出相對落后的傳統教學手段，造成了光學理論與實驗在教學時間和空間上的不匹配，已經非常明顯地影響了應用光學的教學效果，急需進行教學方法手段的改進。
我們利用先進的光學設計軟件進行教學實例以及仿真實驗的建設，凸出意義有以下三點。
1.利用專業的光學設計軟件可以將課程中涉及到的光路、光學元件進而到光學系統，甚至實用化到光學儀器，以三維實體的方式精準地構建出來（這是光學設計軟件的基本功能之一），這些構建實例相比于傳統教學中使用的二維示意圖，準確度大大提高，甚至上升到了光學量級，加上高度的形象化和精密的準確性可以確保虛擬仿真的效果并極大地增強教學效果。
2.隨著教改的進行，新的專業人才培養方案中，加入了很多新的課程，也整合了很多原有課程，應用光學課程的學時進行了縮減，而要想在更為有限的課時中，加入并很好地開展各種實驗，將比較困難。通過將光學設計軟件與應用光學課程有機結合，以軟件為平臺，將各種抽象的或難以演示的光學實驗模擬仿真出來后運用于課堂教學中，緊密結合抽象理論與直觀實驗，將很好地加深學員對理論知識的理解，提高學員對科學實驗的認知，實現理論與實驗實時結合的課堂一體化教學。
3. 光學設計軟件作為光學領域專業的工程軟件，在科研、生產工作中應用非常廣泛，教員將它引入到教學建設中，同樣也是引入到學員的學習過程中，也就意味著為學員提供了一個培養創新意識和鍛煉工程能力的平臺，可以實現所學應用光學知識在光學系統、光學儀器甚至光電儀器中的實際應用，使教學、科研充分銜接，適應工程實踐需求[3]。
二、具體建設內容與應用實踐
信息化條件下基于光學設計軟件的應用光學課程建設可以從以下幾個方面進行。
1.教學實例的計算機仿真建設，推進信息化教學方法手段的應用。(www.baimashangsha.com)教學實例的計算機仿真建設由來已久，在原有的課程資源中，已經制作了比較多的簡單多媒體應用，比如簡單的示意圖、靜態照片圖片，也包括一些Flash簡單示意動畫，這些還遠遠不夠，利用專業的光學設計軟件模擬出具有光學精度的交互式三維實體模型[4]取而代之以推進信息化教學方法手段的應用。例如，對于光學元件以及由光學元件組成的典型成像光學系統的建模及仿真分析，可以采用業內目前流通非常廣泛的ZEMAX光學設計軟件來完成；而光度學、色度學部分中涉及到的非成像、照明光學系統的建模分析可以采用以照明分析見長的TracePro軟件來完成。
2.虛擬仿真光學實驗建設，促進理論與實驗課堂一體教學。眾所周知，虛擬仿真實驗是計算機仿真技術應用于實驗教學而形成的一種現代實驗教學手段，在很多理工科課程中均已有應用。其優點在于不受實驗條件的限制，使得很多現實不易完成的實驗均可借助虛擬技術實現。通過建設與課程內容匹配的幾何光學、典型光學系統（如顯微系統與望遠系統的比較、兩類望遠系統的比較），甚至一部分物理光學的虛擬仿真實驗（如理想光學系統與實際光學系統的分辨率），可以有效地解決課時受限、實驗條件受限的困境，使學員更好地掌握基本的光學理論知識的同時，加深對典型的光學系統的認識。
3.學員科研訓練基地建設，課堂教學與工程實踐并重。1989年麻省理工學院提出“回歸工程”的新觀念后得到了包括世界一流大學和一般大學的普遍認同，回歸工程主要指將普通工科高校的一切工作回到以技術創新為中心的素質教育上來[5]。在人才培養方案中，應用光學屬于專業基礎課程，它與其他專業課相比，有著更廣的內容，也與基礎學科（如數學、物理）和相關學科（如儀器科學、測量科學）有著更為廣泛的聯系，更容易知識的綜合與學科的交叉。因此，將光學設計軟件引入到教學建設中來，就是引入到學員當前的學習、未來的工作中來，通過分解提取一些與應用光學課程內容有聯系的科研創作。如像質良好放大鏡的設計、簡單望遠鏡的設計、相機取景器的設計等等，培養一些優秀學員，成為研究型教學的對象，做到課堂教學與工程實踐并重。
在以上建設內容完成的前提之下，將建設成果合理地引入到應用光學課程的教學實踐中來，才能體現出其價值，并帶來效益，具體應用實踐如下。
1.利用建設的教學實例進行理論教學。經專業光學設計軟件模擬出的具有光學精度的三維實體模型實例可以應用于理論教學過程中，例如，在講授光闌的選擇這部分內容時，僅利用課本、示意圖將很難講解清楚，利用Zemax光學設計軟件建立的望遠系統實例，通過逐一選擇不同的光學零件作為孔徑光闌，學員們可以清楚地看到透鏡數據欄中各個零件的口徑大小（精確到0.001mm），也可以直觀地通過三維圖查看設計的望遠系統外形，合理與否一目了然。這樣的實例，可以加快、加深學員對相關知識的理解。
2.上機實踐與課程的理論學習相結合。可以通過安排一定的上機時間，讓學員直接進行軟件操作學習，學以致用，真正體會“應用光學”應用性的所在，加上應用光學是光學設計的基礎，通過初步掌握光學設計軟件Zemax的使用方法，還可以使學員更多地了解有關光學設計的知識，促進學員向著更深的專業領域中去鉆研。另外，雙語教學雖然還沒有開始開展，但是，也已經成為普遍的趨勢，而Zemax恰是國外引進的專業軟件，為全英文界面，所用術語均與專業領域相同，因此學員在利用該軟件進行課程學習的同時，也是不斷提高專業英語的過程，可以說采用光學設計軟件與應用光學課程相結合的教學手段，加強實踐環節的建設，不僅可以鞏固和加深對應用光學基礎理論的理解，而且通過必要的設計實踐使學員掌握對光學系統進行初步設計的知識，逐步具備解決工程實際問題的能力。
3.總結成果形成實用的配套資料。將建設的教學實例以及上機實踐科目整理總結，形成供教員教學以及學員學習的課程配套資料，并通過每年的講授加以不斷地完善，形成常態，永無止境地追求教學效果的提高。另一個原因，雖然目前光學設計軟件Zemax所占有的市場份額較高，用戶較廣，但是有關Zemax的中英文對照教材還不多，國內獨家代理公司雖然每年有培訓班、培訓資料，但對課程的針對性不強，這些不利于學員很快的入門，所以，將教員每年的教學經驗積累起來，將相應建設內容匯集起來，形成完整、系統且實用又有針對性的教與學配套資料，并不斷應用到實踐中來，達到良性循環。
三、結束語
應用光學課程本身具備理論與實際相結合、應用性強的特點，在培養學員科學的思維方式，綜合運用基礎理論知識分析并解決實際光學儀器問題的能力，以及知識的梳理和擴展學習的能力方面作用重大。我們對該課程的建設進行了有益的探索與實踐，并將繼續努力加以完善。
參考文獻：
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[5]康明才，黃錦安，馬鑫金。強化工程和創新能力培養的探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2005，（24）：75-77，93.
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