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基于光学设计软件的应用光学课程建设研究
基于光学设计软件的应用光学课程建设研究
李莉1，李飞2，徐春梅1，刘秉琦1
（1.军械工程学院电子与光学工程系，河北石家庄050003；2.石家庄陆军指挥学院，河北石家庄050003）
摘要：光学已成为一门越来越重要的学科，而应用光学课程作为一门专业基础课程在光学专业人才的培养方面起到了至关重要的作用。针对该课程传统教学方法手段的不足，本文研究了基于光学设计软件的课程建设内容与应用实践。
关键词：光学设计软件；应用光学；教学建设；应用实践
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基金项目：军械工程学院教学研究课题（jxlx12w41）
作者简介：李莉（1981-），女，河北大学光学专业，硕士学历，现为中国人民解放军军械工程学院讲师。
应用光学课程是光学专业人才培养方案中非常重要的一门专业基础课程，课程包含了工科院校光学专业学员所需必备的光学基础知识，为后续专业课程奠定理论基础和应用基础。如何充分发挥各种信息化教学方法手段上好《应用光学》课程是专业课程建设和学员能力培养的关键问题之一。随着信息技术的发展，信息化教学模式的优势越来越显著，各种信息化教学方法手段被广泛应用到教学中来[1]。因此要瞄准课程建设需要以及信息化教学改革的需要，将光学设计软件引入到教学中来，利用先进的光学设计软件进行教学实例以及仿真实验的建设，推动应用光学课程的信息化建设进程。
一、光学设计软件在应用光学课程教学中的应用意义
经过多年的《应用光学》课程教学实践，已经发现传统的教学手段，如黑板、粉笔、多媒体示意图等还存在很多不足[2]。比如，在理论教学时，大量复杂的光路图、光学系统结构图以及实用的光学元器件图等等都不同于一般的示意图，要求准确度很高，而且有时还涉及到空间光线，大大地增加了课堂讲授难度，同时也影响了教学效果。在针对光学系统成像过程的讲授时，传统的教学手段也不能给出实际的成像装置及成像过程，遇到复杂的光学系统时，更是不能定量地画出光路图，也不能给出其动态的成像过程。又比如，在实践教学时，为了能够进一步获得深层次的理性认识，必须在感性认识的基础之上，通过实践，培养出学员实验的逻辑思维方法和训练出解决实际问题的能力。然而，众所周知，光学实验的条件要求非常高，实验现象可以用弱、精、微来总结，在课堂上由于条件的限制很多将难以演示或呈现出便于观察、正确的结果。这些非常成熟，但又显露出相对落后的传统教学手段，造成了光学理论与实验在教学时间和空间上的不匹配，已经非常明显地影响了应用光学的教学效果，急需进行教学方法手段的改进。
我们利用先进的光学设计软件进行教学实例以及仿真实验的建设，凸出意义有以下三点。
1.利用专业的光学设计软件可以将课程中涉及到的光路、光学元件进而到光学系统，甚至实用化到光学仪器，以三维实体的方式精准地构建出来（这是光学设计软件的基本功能之一），这些构建实例相比于传统教学中使用的二维示意图，准确度大大提高，甚至上升到了光学量级，加上高度的形象化和精密的准确性可以确保虚拟仿真的效果并极大地增强教学效果。
2.随着教改的进行，新的专业人才培养方案中，加入了很多新的课程，也整合了很多原有课程，应用光学课程的学时进行了缩减，而要想在更为有限的课时中，加入并很好地开展各种实验，将比较困难。通过将光学设计软件与应用光学课程有机结合，以软件为平台，将各种抽象的或难以演示的光学实验模拟仿真出来后运用于课堂教学中，紧密结合抽象理论与直观实验，将很好地加深学员对理论知识的理解，提高学员对科学实验的认知，实现理论与实验实时结合的课堂一体化教学。
3. 光学设计软件作为光学领域专业的工程软件，在科研、生产工作中应用非常广泛，教员将它引入到教学建设中，同样也是引入到学员的学习过程中，也就意味着为学员提供了一个培养创新意识和锻炼工程能力的平台，可以实现所学应用光学知识在光学系统、光学仪器甚至光电仪器中的实际应用，使教学、科研充分衔接，适应工程实践需求[3]。
二、具体建设内容与应用实践
信息化条件下基于光学设计软件的应用光学课程建设可以从以下几个方面进行。
1.教学实例的计算机仿真建设，推进信息化教学方法手段的应用。(www.fwsir.com)教学实例的计算机仿真建设由来已久，在原有的课程资源中，已经制作了比较多的简单多媒体应用，比如简单的示意图、静态照片图片，也包括一些Flash简单示意动画，这些还远远不够，利用专业的光学设计软件模拟出具有光学精度的交互式三维实体模型[4]取而代之以推进信息化教学方法手段的应用。例如，对于光学元件以及由光学元件组成的典型成像光学系统的建模及仿真分析，可以采用业内目前流通非常广泛的ZEMAX光学设计软件来完成；而光度学、色度学部分中涉及到的非成像、照明光学系统的建模分析可以采用以照明分析见长的TracePro软件来完成。
2.虚拟仿真光学实验建设，促进理论与实验课堂一体教学。众所周知，虚拟仿真实验是计算机仿真技术应用于实验教学而形成的一种现代实验教学手段，在很多理工科课程中均已有应用。其优点在于不受实验条件的限制，使得很多现实不易完成的实验均可借助虚拟技术实现。通过建设与课程内容匹配的几何光学、典型光学系统（如显微系统与望远系统的比较、两类望远系统的比较），甚至一部分物理光学的虚拟仿真实验（如理想光学系统与实际光学系统的分辨率），可以有效地解决课时受限、实验条件受限的困境，使学员更好地掌握基本的光学理论知识的同时，加深对典型的光学系统的认识。
3.学员科研训练基地建设，课堂教学与工程实践并重。1989年麻省理工学院提出“回归工程”的新观念后得到了包括世界一流大学和一般大学的普遍认同，回归工程主要指将普通工科高校的一切工作回到以技术创新为中心的素质教育上来[5]。在人才培养方案中，应用光学属于专业基础课程，它与其他专业课相比，有着更广的内容，也与基础学科（如数学、物理）和相关学科（如仪器科学、测量科学）有着更为广泛的联系，更容易知识的综合与学科的交叉。因此，将光学设计软件引入到教学建设中来，就是引入到学员当前的学习、未来的工作中来，通过分解提取一些与应用光学课程内容有联系的科研创作。如像质良好放大镜的设计、简单望远镜的设计、相机取景器的设计等等，培养一些优秀学员，成为研究型教学的对象，做到课堂教学与工程实践并重。
在以上建设内容完成的前提之下，将建设成果合理地引入到应用光学课程的教学实践中来，才能体现出其价值，并带来效益，具体应用实践如下。
1.利用建设的教学实例进行理论教学。经专业光学设计软件模拟出的具有光学精度的三维实体模型实例可以应用于理论教学过程中，例如，在讲授光阑的选择这部分内容时，仅利用课本、示意图将很难讲解清楚，利用Zemax光学设计软件建立的望远系统实例，通过逐一选择不同的光学零件作为孔径光阑，学员们可以清楚地看到透镜数据栏中各个零件的口径大小（精确到0.001mm），也可以直观地通过三维图查看设计的望远系统外形，合理与否一目了然。这样的实例，可以加快、加深学员对相关知识的理解。
2.上机实践与课程的理论学习相结合。可以通过安排一定的上机时间，让学员直接进行软件操作学习，学以致用，真正体会“应用光学”应用性的所在，加上应用光学是光学设计的基础，通过初步掌握光学设计软件Zemax的使用方法，还可以使学员更多地了解有关光学设计的知识，促进学员向着更深的专业领域中去钻研。另外，双语教学虽然还没有开始开展，但是，也已经成为普遍的趋势，而Zemax恰是国外引进的专业软件，为全英文界面，所用术语均与专业领域相同，因此学员在利用该软件进行课程学习的同时，也是不断提高专业英语的过程，可以说采用光学设计软件与应用光学课程相结合的教学手段，加强实践环节的建设，不仅可以巩固和加深对应用光学基础理论的理解，而且通过必要的设计实践使学员掌握对光学系统进行初步设计的知识，逐步具备解决工程实际问题的能力。
3.总结成果形成实用的配套资料。将建设的教学实例以及上机实践科目整理总结，形成供教员教学以及学员学习的课程配套资料，并通过每年的讲授加以不断地完善，形成常态，永无止境地追求教学效果的提高。另一个原因，虽然目前光学设计软件Zemax所占有的市场份额较高，用户较广，但是有关Zemax的中英文对照教材还不多，国内独家代理公司虽然每年有培训班、培训资料，但对课程的针对性不强，这些不利于学员很快的入门，所以，将教员每年的教学经验积累起来，将相应建设内容汇集起来，形成完整、系统且实用又有针对性的教与学配套资料，并不断应用到实践中来，达到良性循环。
三、结束语
应用光学课程本身具备理论与实际相结合、应用性强的特点，在培养学员科学的思维方式，综合运用基础理论知识分析并解决实际光学仪器问题的能力，以及知识的梳理和扩展学习的能力方面作用重大。我们对该课程的建设进行了有益的探索与实践，并将继续努力加以完善。
参考文献：
[1]王寅龙，李前进，李志祥，王希武，林克成。信息化教学设计的过程、方法及评价要点探究[J]. 中国教育信息化，2011，（06）：15-18.
[2]张军，陈哲，钟金钢。ASAP软件在光学原理等课程教学中的应用[J].中国电力教育，2009，（130）：85-86.
[3]冷玉国，应用光学教育发展现状分析及研究[J].长春理工大学学报：高教版，2007，2（3）：91-93.
[4]岑兆丰，李晓彤，刘向东。浙江大学应用光学课程的发展和改革[J].光学技术，2007，（33）：268-271.
[5]康明才，黄锦安，马鑫金。强化工程和创新能力培养的探索与实践[J].实验室研究与探索，2005，（24）：75-77，93.
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