光學(xué)教學(xué)的實用化探索

陳道群 熊 飛 熊少華 周向陽

1.華中科技大學(xué)(武昌分校) 湖北武漢 430064 2.通信指揮學(xué)院 湖北武漢 430010

光學(xué)教學(xué)的實用化探索

陳道群1熊 飛2熊少華1周向陽1

1.華中科技大學(xué)(武昌分校) 湖北武漢 430064 2.通信指揮學(xué)院 湖北武漢 430010

為提高學(xué)生利用光學(xué)知識解決實際問題的能力及在未來求職中的競爭力，簡析當(dāng)今光電產(chǎn)業(yè)的專業(yè)技術(shù)覆蓋情況，針對光電企業(yè)需求的特點，在過去3年期間，對大學(xué)教育中光學(xué)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了的相應(yīng)實用化調(diào)整，取得了成效，可為理工科教授基礎(chǔ)光學(xué)提供借鑒。

光學(xué)；課堂教學(xué)；教學(xué)改革；實用化

華中科技大學(xué)武昌分校的光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)最初幾乎完全復(fù)制華中科技大學(xué)的光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的課程體制。后來，不斷探索實踐、進(jìn)行教學(xué)改革，根據(jù)培養(yǎng)對象，光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)定下了培養(yǎng)掌握光信息科學(xué)與技術(shù)及光電技術(shù)的高級工程技術(shù)應(yīng)用型人才的目標(biāo)。

自2007年9月講授應(yīng)用光學(xué)、物理光學(xué)，并助教光學(xué)設(shè)計課程設(shè)計、激光原理與技術(shù)，至今已經(jīng)授課3輪。在3年中不斷摸索如何提高學(xué)生利用所學(xué)知識解決實際問題的能力，也是提高學(xué)生的在光學(xué)領(lǐng)域的就業(yè)率。

本文先分析光學(xué)的重要性，再結(jié)合3年的實踐探索，闡述在光學(xué)課堂內(nèi)外對光學(xué)教學(xué)內(nèi)容所采取的多種實用化調(diào)整措施，來加強(qiáng)靈活應(yīng)用光學(xué)知識解決實際問題的能力。

1 光學(xué)教學(xué)的地位

在市場經(jīng)濟(jì)條件下，高校的職能就是向市場輸送合格人才，高校的一切教學(xué)活動，其終極目標(biāo)應(yīng)該是市場。市場是高等教育的源動力，是高校輸出人才質(zhì)量高低的試金石。當(dāng)前，光電產(chǎn)業(yè)的學(xué)科專業(yè)技術(shù)覆蓋，大體分為光電信息技術(shù)和光電能量技術(shù)。光電信息技術(shù)包括光電圖像傳感在內(nèi)的光電傳感、光纖通信、光電制導(dǎo)與控制、光電顯示、光電測量（含光電圖像測量）和光電辦公自動化器件與系統(tǒng)等。光電能量技術(shù)包括激光加工、激光醫(yī)療、激光能量武器、光電池等應(yīng)用。顯然光電產(chǎn)業(yè)已滲透到國民經(jīng)濟(jì)和人民生活的每一個角落，光學(xué)技術(shù)在當(dāng)前的光電產(chǎn)業(yè)，乃至國計民生中的重要性或地位是不言而喻的。

而企業(yè)要求高校畢業(yè)生能將自己所學(xué)知識實用化、產(chǎn)品化，那么如何使所講授內(nèi)容更好地促進(jìn)學(xué)生應(yīng)用光學(xué)理論知識解決實際問題，直至找到一份自己夢想的工作，就成了教授光學(xué)的教師的追求。

在此，我們嘗試了一條途徑，在光學(xué)課堂教學(xué)中，引入學(xué)生熟知的、或感興趣的光電產(chǎn)品實例,來激活傳統(tǒng)的光學(xué)課堂教學(xué)內(nèi)容。當(dāng)學(xué)生近距離接觸他們未來將要從事的工作中可能碰及的產(chǎn)品，學(xué)生被激發(fā)出興趣甚至熱情的可能性是非常大的，進(jìn)而會主動關(guān)注、研究、解決他們感興趣的光學(xué)現(xiàn)象、儀器、產(chǎn)品，最終達(dá)到教師的教學(xué)目的。

2 光學(xué)課堂教學(xué)內(nèi)容的實用化調(diào)整實例

在講授應(yīng)用光學(xué)、物理光學(xué)及助教光學(xué)設(shè)計、激光原理與技術(shù)的3年中我們進(jìn)行了較多實用化調(diào)整探索，有課堂內(nèi)的，投課堂外的，有單一門課程內(nèi)的，也有跨多門課程的。

2.1 積極引導(dǎo)學(xué)生對光學(xué)知識實用化的激情

在學(xué)習(xí)光學(xué)課程之前，讓學(xué)生現(xiàn)場了解光學(xué)在很多行業(yè)的實際應(yīng)用，會讓學(xué)生渴望學(xué)習(xí)光學(xué)知識、渴望應(yīng)用光學(xué)理論知識解決自己遇到的或觀察到的問題。在上2009年秋季光學(xué)課程之前，利用2009年6月的認(rèn)知實習(xí)，組織學(xué)生到了武漢光谷的6家企業(yè)參觀，其中有主攻大型激光器高功率軸快流CO2激光器的科威晶激光技術(shù)有限公司，有主攻激光內(nèi)雕、面雕的武漢華泰激光公司，有主攻醫(yī)療激光設(shè)備的武漢光福公司等。在認(rèn)知實習(xí)中，我們遇到了我校往屆畢業(yè)生，學(xué)生們與他們進(jìn)行了熱烈的交談。從學(xué)生們的日志看，他們非?？释鈱W(xué)成為自己手中一把征服未來的利器，達(dá)到了課前的教學(xué)目的——了解光學(xué)知識應(yīng)用實例，了解光學(xué)知識應(yīng)用后的威力，渴望掌握光學(xué)，渴望使用光學(xué)。

2.2 引入圖像傳感器鏡頭實例

圖像傳感器如攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)等,是滲入科研生產(chǎn)、工農(nóng)業(yè)、氣象、醫(yī)療、遙感測量、軍事制導(dǎo)和人類生活最大量的光電產(chǎn)品之一,它們的光學(xué)鏡頭功能模塊,是再典型不過的光學(xué)系統(tǒng)。它的結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能指標(biāo)諸如精度之類的計算、調(diào)整和使用,能將光學(xué)課堂教學(xué)內(nèi)容中的許多概念、知識囊括進(jìn)來；如焦點、焦距、物距、像距、光闌、視場角、透過率、放大率、抗干擾等，都會在其中反映出來。例如,曾把一部小區(qū)紅外監(jiān)控CMOS攝像機(jī)和一部模擬攝像機(jī)帶進(jìn)了課堂,通過CMOS攝像機(jī)鏡頭，講授光學(xué)中的相關(guān)知識，課堂氣氛非常熱烈。這樣的課堂教學(xué)內(nèi)容，相信大部分學(xué)生都熱情投入，且興趣會經(jīng)久不衰。本堂課不利之處在于留下了太多的疑問，使得部分學(xué)生感到困難，未能在課后積極去解決那些疑問，所以作為講授者要用較高的教學(xué)藝術(shù)引導(dǎo)學(xué)生到主要問題上，并給學(xué)生指出課后參考資料。

2.3 引入光電測量系統(tǒng)的光學(xué)子系統(tǒng)實例

光電測量系統(tǒng)比之傳統(tǒng)的機(jī)械測量、電子測量甚至光學(xué)測量的優(yōu)勢，使它在科學(xué)試驗、工業(yè)過程控制、新產(chǎn)品開發(fā)等應(yīng)用領(lǐng)域，越來越獲得人們的青睞，它已經(jīng)成為當(dāng)今測量行業(yè)的標(biāo)志性產(chǎn)品。和圖像傳感器系統(tǒng)不同，除了少數(shù)業(yè)內(nèi)專家、相關(guān)企業(yè)主以外，它們不為人知。不過，只要教師努力向?qū)W生講明這一學(xué)科發(fā)展前沿或發(fā)展趨勢，并和學(xué)生日后就業(yè)掛鉤，多數(shù)學(xué)生會對它們關(guān)注并投入時間和精力。因此，將光電測量系統(tǒng)中的光學(xué)子系統(tǒng)，作為光學(xué)課堂教學(xué)中的實例，教學(xué)效果是可期的。

2.4 引入背投、液晶和等離子體顯示系統(tǒng)的光學(xué)子系統(tǒng)實例

教學(xué)中，努力分析普通光學(xué)與現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)、產(chǎn)品的聯(lián)系尋找突破口。以背投電視機(jī)為例，圖像從投影儀投影到大屏幕，中間經(jīng)過一套嚴(yán)格的反射鏡光組，利用它可以生動地講解光學(xué)系統(tǒng)的圖解求像。還有光束限制、光路計算、像差和色差、光譜分析系統(tǒng)、像質(zhì)評價等內(nèi)容。利用液晶顯示原理，可以講解偏振、旋光等物理光學(xué)內(nèi)容。

2.5 組織課外光電科技創(chuàng)新活動

在開設(shè)光學(xué)課程的同時，組織學(xué)生進(jìn)行課外科技創(chuàng)新活動。希望通過實踐環(huán)節(jié)教學(xué)提高學(xué)生的實際動手能力及創(chuàng)新意識。對于低年級學(xué)生來說，專業(yè)課中的任何問題，包括哪些最簡單的實驗內(nèi)容，對他們都具有創(chuàng)新性質(zhì)，都可以培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新意識。例如，我校2008級光信學(xué)生在2009年的課外科技創(chuàng)新活動，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，做出了不少看似不可能做出的光電小系統(tǒng)。

2.6 利用仿真軟件來演示、設(shè)計教學(xué)內(nèi)容

現(xiàn)代的光學(xué)領(lǐng)域有很多光學(xué)仿真軟件，它們是現(xiàn)代光學(xué)設(shè)計的重要工具，學(xué)生渴望掌握它們中的一種或幾種，教師針對他們的興趣，要扮好引導(dǎo)、示范角色。例如：我們在學(xué)習(xí)完應(yīng)用光學(xué)的常見光學(xué)系統(tǒng)后，在學(xué)生已經(jīng)比較熟悉Zemax的情況下，把文獻(xiàn)[5]介紹給學(xué)生，學(xué)生在第二周就拿出了喜人的結(jié)果，從而為后續(xù)的課程設(shè)計光路設(shè)計打下了較好基礎(chǔ)。同時，用Zemax講授、演示應(yīng)用光學(xué)中的光闌、像差等光學(xué)難懂內(nèi)容，非常受學(xué)生歡迎。在物理光學(xué)中，我們介紹學(xué)生使用TFC軟件，激光原理中則使用LasCAD來分析激光光腔的設(shè)計。

3 成效

在這最近三年的探索實踐中，學(xué)生對光學(xué)課程是越來越感興趣，在經(jīng)濟(jì)情況不是很好的情況下，學(xué)生在光學(xué)領(lǐng)域的就業(yè)也有所提高，探索、改革的成效較好。例如，2007年的學(xué)生對應(yīng)用光學(xué)與物理光學(xué)的平均評分為83.3分，2008年的平均評分為89.0分，2009年的平均評分為95.6分，物理光學(xué)課程被評為華中科技大學(xué)武昌分校2009年教學(xué)質(zhì)量二等獎。就業(yè)方面，2009屆54名光信專業(yè)畢業(yè)生有7名在光學(xué)領(lǐng)域就業(yè)，5名考上光學(xué)專業(yè)研究生；畢業(yè)時，2010屆52名光信專業(yè)有10名同學(xué)在光學(xué)領(lǐng)域就業(yè)，3名考上研究生（大約有6名學(xué)生是因數(shù)學(xué)、英語未能過線），出國留學(xué)就讀光電專業(yè)1名。

4 結(jié)束語

教師可以在光學(xué)教學(xué)中引入現(xiàn)代的光電產(chǎn)品來講授光學(xué)知識，利用認(rèn)知實習(xí)或其他活動來讓學(xué)生提前認(rèn)識光學(xué)在實際中的應(yīng)用及應(yīng)用的重要性，在課程中利用現(xiàn)代的光學(xué)系統(tǒng)、光學(xué)子系統(tǒng)及多種光學(xué)仿真軟件配合所講授內(nèi)容?？傊⒅嘏囵B(yǎng)學(xué)生對光學(xué)知識的實際應(yīng)用，從而學(xué)生將來可以利用光學(xué)知識創(chuàng)新生活、創(chuàng)造財富。

[1] 王慶有.圖像傳感器應(yīng)用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2002

[2] 楊吉平,張建民．CMOS攝像機(jī)的原理與應(yīng)用[J].天津工程師范學(xué)院學(xué)報,2008,18(3):36～39

[3] 林建平.光學(xué)教學(xué)滲透現(xiàn)代光學(xué)內(nèi)容的探討[J].寧德師專學(xué)報(自然科學(xué)版), 2002,14(3):222～223

[4] 郁道銀,談恒英.工程光學(xué)(第二版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006

[5] 李麗,劉曉波.工程光學(xué)教學(xué)改革探索[J].實驗技術(shù)與管理,2009, 28(6)：129～131

Exploration of practical optics teaching

Chen daoqun1, Xiong Fei2, Xiong Shaohua1, Zhou Xiangyang1
1. Huazhong university of science and technology Wuchang branch, Wuhan,430064, China 2.Commanding communications academy ,Wuhan, 430010, China

In order to improve college students’ ability to solve problems by using opical knowledge and improve the competitiveness of them in job hunting, this paper briefl y analyzes the coverage in professional technology of photoelectronic industry and subscribes the demand characteristic of photoelectric enterprise. On basis of this, corresponding adjustment measures within optics teaching content in university education have been adopted to the demand during the past three years, achieving remarkable success. It is helpful to the teaching of similar courses courses of science and engineering.

optics; optics teaching; reform in education; practical teaching method

2010-08-06 稿件編號：1008015

陳道群，碩士，助教。熊飛，碩士，講師。熊少華，教授，碩士生導(dǎo)師。周向陽，碩士，講師。