工程光學(xué)多元化教學(xué)模式研究

陳穎+王春芳+童凱

[摘 要] 為了提高工程光學(xué)課程的教學(xué)效果，并增強(qiáng)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的結(jié)合，提出了多元化的工程光學(xué)教學(xué)模式，引入先進(jìn)教學(xué)理念，以啟發(fā)式、討論式等教學(xué)方法增強(qiáng)師生互動(dòng)；結(jié)合網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái)，做好課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)和網(wǎng)絡(luò)答疑，建設(shè)網(wǎng)絡(luò)試題庫(kù)和教學(xué)交流平臺(tái)；結(jié)合課程設(shè)計(jì)、大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練、科技創(chuàng)新競(jìng)賽和本科生參與科研課題等多種方式培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。課程改革結(jié)果表明，學(xué)生的設(shè)計(jì)和動(dòng)手能力明顯增強(qiáng)。該研究成果為工程光學(xué)的教與學(xué)提供了一種值得借鑒的新思路，并可為相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課及專業(yè)方向課的教學(xué)實(shí)踐提供一定的參考。

[關(guān)鍵詞] 工程光學(xué)；教學(xué)改革；多元化；實(shí)踐教學(xué)

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 1005-4634（2014）02-0089-04

0 引言

《工程光學(xué)》是測(cè)控技術(shù)及儀器專業(yè)的專業(yè)平臺(tái)課，根據(jù)燕山大學(xué)本科生培養(yǎng)方案設(shè)置，其總學(xué)時(shí)為40學(xué)時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)為6學(xué)時(shí)。在知識(shí)結(jié)構(gòu)上，該課程以大學(xué)物理和高等數(shù)學(xué)知識(shí)為先導(dǎo)，同時(shí)又以光電檢測(cè)技術(shù)、光學(xué)儀器設(shè)計(jì)、激光檢測(cè)技術(shù)、紅外檢測(cè)技術(shù)和光纖傳感及通信等課程為延拓。將幾何光學(xué)和物理光學(xué)作為主要授課內(nèi)容，講授測(cè)量過程中涉及光學(xué)測(cè)量的各種方法，講授其基本思想、原理與技術(shù)，并以此為理論基礎(chǔ)，使學(xué)生在光學(xué)參量測(cè)量的過程中進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)，并對(duì)其性能進(jìn)行優(yōu)化及誤差分析，從而滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的要求和工程實(shí)際中的特定需要。

1 教學(xué)現(xiàn)狀及存在問題分析

在目前的《工程光學(xué)》教學(xué)過程中，存在著以下問題。

1）在教學(xué)內(nèi)容上，原來的教學(xué)大綱強(qiáng)調(diào)教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)性和完整性，導(dǎo)致物理光學(xué)的部分章節(jié)與大學(xué)物理中的相應(yīng)內(nèi)容存在一定重復(fù)[1，2]，在幾何光學(xué)部分，存在大量的理論公式推導(dǎo)，抽象晦澀。

2）教學(xué)方法與手段單一。在以往的教學(xué)過程中，由于理論分析和公式推導(dǎo)內(nèi)容較多，《工程光學(xué)》主要以板書教學(xué)為主。隨著計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)模式在教學(xué)中的推廣，多媒體教學(xué)方式雖然提高了單位學(xué)時(shí)內(nèi)的授課信息量，但也沒有改變以教師為中心、學(xué)生被動(dòng)式學(xué)習(xí)的基本狀況，互動(dòng)環(huán)節(jié)明顯缺失，忽視了授課效果的及時(shí)反饋，未能充分地發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，教學(xué)效果不理想[3，4]。

3）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊，只能完成一些基礎(chǔ)性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，而對(duì)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)能力較差。光學(xué)器件的設(shè)計(jì)和加工過程都十分繁雜，因此，根據(jù)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的要求購(gòu)買或加工光學(xué)組件，其可行性不高。隨著實(shí)踐教學(xué)模式的探索與推廣，實(shí)驗(yàn)室的作用應(yīng)得到重視和充分的顯現(xiàn)[5，6]。

在《工程光學(xué)》的教學(xué)改革過程中，探索多元化教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)與實(shí)踐性環(huán)節(jié)的有機(jī)結(jié)合，是十分必要的。

2 多元化教學(xué)模式探索

在《工程光學(xué)》教學(xué)改革過程中，嘗試課堂教學(xué)與信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、實(shí)踐教學(xué)和光學(xué)前沿講座相結(jié)合的多元化相輔相成的改革方案。其框架見圖1。

2.1 引入先進(jìn)教學(xué)理念，改進(jìn)課堂教學(xué)方法

本科生教育在整個(gè)教育體系中是一個(gè)系統(tǒng)性基礎(chǔ)理論教育部分，而后續(xù)的研究生教育階段將主要著眼于知識(shí)創(chuàng)新和技術(shù)攻關(guān)，具有更強(qiáng)的理論性、技術(shù)性、應(yīng)用性和方向性。因此，本科生教育恰是一個(gè)打基礎(chǔ)的階段，應(yīng)注重對(duì)學(xué)生科學(xué)思想的培養(yǎng)，對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)的全面系統(tǒng)性學(xué)習(xí)必須被視為重中之重。

在課堂教學(xué)過程中，應(yīng)精選教學(xué)內(nèi)容，課堂教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)必須以問題的解決為主線，致力于對(duì)學(xué)生分析和設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)。針對(duì)每個(gè)教學(xué)單元的重要知識(shí)點(diǎn)，教師選擇有代表性、難度適中、綜合性較強(qiáng)的光學(xué)系統(tǒng)，合理設(shè)計(jì)問題，以點(diǎn)帶面，使學(xué)生在遇到實(shí)際問題時(shí)學(xué)會(huì)分析問題和解決問題，加深學(xué)生對(duì)光學(xué)原理在測(cè)量中實(shí)際應(yīng)用的認(rèn)識(shí)，鍛煉分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力。

板書教學(xué)這種傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方式，能夠?qū)⒔處煹恼Z言和肢體動(dòng)作相結(jié)合，教學(xué)方式生動(dòng)，能夠使學(xué)生集中注意力，并使教學(xué)思路得以逐步地展示，從而使教師的講解過程與學(xué)生的理解過程同步。以板書教學(xué)為主體，注重學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)性原理知識(shí)的掌握，最終達(dá)到較為理想的教學(xué)效果。多媒體教學(xué)能夠綜合文字、圖像、聲音、動(dòng)畫和視頻，立體教學(xué)更適合人的思維習(xí)慣和記憶規(guī)律。通過聲音、圖像進(jìn)行多維教學(xué)，使課堂上教與學(xué)的交流更為流暢、學(xué)生的思維更為敏捷、學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和自主學(xué)習(xí)的積極性得到提高。由于授課學(xué)時(shí)的限制和系統(tǒng)化授課的要求，在保證知識(shí)結(jié)構(gòu)完整性的前提下，將物理現(xiàn)象的呈現(xiàn)、應(yīng)用背景的圖片等通過多媒體的方式進(jìn)行形象地展示，可使學(xué)生獲得的信息豐富且直觀，并激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使其帶著問題對(duì)理論性的內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)。

2.2 課堂教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái)相結(jié)合

由于授課學(xué)時(shí)有限，除了課堂教學(xué)所涉及的核心內(nèi)容之外，對(duì)于其先導(dǎo)課程大學(xué)物理中已經(jīng)涉及的內(nèi)容和難度較小的輔助性內(nèi)容，可以通過網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái)的授課視頻和學(xué)習(xí)資料來完成。與此同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái)可以幫助學(xué)生完成課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)，并培養(yǎng)學(xué)生網(wǎng)絡(luò)提問和教師離線解答的師生交流模式，更好地保證授課效果，并排查授課過程中的薄弱環(huán)節(jié)。

網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái)除了作為課堂教學(xué)的延伸之外，還應(yīng)為教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式的改革提供及時(shí)的信息反饋。為了加強(qiáng)對(duì)教學(xué)過程的監(jiān)督和管理，不斷提高教學(xué)質(zhì)量，在過去幾年的教學(xué)工作中，學(xué)校教務(wù)部門也建立了教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，通過學(xué)生評(píng)分和督導(dǎo)組的教學(xué)評(píng)價(jià)，對(duì)每門課程的運(yùn)行情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。這種方式在很大程度上對(duì)教學(xué)改革起到了促進(jìn)作用，但過去時(shí)的反饋信息只能指導(dǎo)今后的教學(xué)工作，缺乏實(shí)時(shí)性。通過網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái)的留言板，方便老師對(duì)后續(xù)課程的教學(xué)內(nèi)容及方式進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，并以此作為增進(jìn)師生交流的互動(dòng)平臺(tái)。

建設(shè)《工程光學(xué)》課程網(wǎng)絡(luò)習(xí)題庫(kù)。為了配合課堂教學(xué)，使之產(chǎn)生更好的收效，課后的練習(xí)和自我測(cè)試是十分必要的。根據(jù)教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)問題，編制各類習(xí)題，并以期末考試和考研等各類考題為參照，編制典型習(xí)題，并提供習(xí)題講解，從而方便學(xué)生課后復(fù)習(xí)和考前準(zhǔn)備。

2.3 引入任務(wù)式教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力

《工程光學(xué)》的教學(xué)改革嘗試，要注重培養(yǎng)學(xué)生的工程能力、創(chuàng)新能力、學(xué)習(xí)知識(shí)和運(yùn)用知識(shí)以及解決問題的能力，乃至團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。目前，《工程光學(xué)》課程設(shè)計(jì)、大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練、科技創(chuàng)新比賽以及《工程光學(xué)》開放性實(shí)驗(yàn)，是課程教學(xué)改革要涉及到的實(shí)踐性環(huán)節(jié)。在實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師要轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，從教學(xué)的主導(dǎo)位置變?yōu)橹笇?dǎo)和輔助學(xué)生學(xué)習(xí)的角色。以明確的任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，使學(xué)生以主動(dòng)的和實(shí)踐的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，并建立實(shí)踐環(huán)節(jié)和課程教學(xué)內(nèi)容之間的有機(jī)聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)課堂所學(xué)的書本理論知識(shí)的運(yùn)用，從而培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐綜合能力。

Zemax是目前功能較為強(qiáng)大的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，因此，在課程設(shè)計(jì)中，可以用其完成光學(xué)系統(tǒng)的輔助設(shè)計(jì)，并幫忙學(xué)生完成課堂幾何光學(xué)教學(xué)中各種典型光學(xué)系統(tǒng)的像差分析。在課程設(shè)計(jì)的過程中，以分組的形式安排了“照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像差分析”、“牛頓望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)與像差矯正”、“帶有非球面矯正器的施密特-卡塞格林系統(tǒng)設(shè)計(jì)”、“多重結(jié)構(gòu)配置的激光束擴(kuò)大器”、“折疊反射鏡面和坐標(biāo)斷點(diǎn)”和“消色差透鏡設(shè)計(jì)”等多個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)。例如，在照相物鏡鏡頭的設(shè)計(jì)中，如圖2所示，應(yīng)用Zemax軟件可以對(duì)后置光闌三片物鏡原始結(jié)構(gòu)（其中，分別代表該多光組系統(tǒng)中的3個(gè)透鏡元件）進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，輸入?yún)?shù)并進(jìn)行焦距縮放，從而生成初始參數(shù)及結(jié)構(gòu)。如圖3所示。

進(jìn)而在Zemax中進(jìn)行像差分析及參數(shù)優(yōu)化，在初始結(jié)構(gòu)的MTF 曲線中，可看出成像質(zhì)量很差， 因此需要校正像差，如圖4所示。調(diào)整其可變參量（包括6個(gè)曲率半徑，2個(gè)空氣間隔和3個(gè)玻璃的厚度），對(duì)物鏡的結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐次優(yōu)化。每次調(diào)整后再次優(yōu)化實(shí)時(shí)關(guān)注MTF圖的曲線變化，最后使各個(gè)參數(shù)都在可接受范圍之內(nèi)，如圖5所示。通過課程設(shè)計(jì)中對(duì)具體光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析，學(xué)生們對(duì)課堂所學(xué)知識(shí)有了更新和更深刻的理解，通過學(xué)以致用，更加體會(huì)到所學(xué)知識(shí)的重要性。

在課程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合課堂所學(xué)理論知識(shí)，開展創(chuàng)新性研究，申報(bào)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，教師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行選題和方案論證，以項(xiàng)目組的形式，明確每個(gè)學(xué)生的任務(wù)分工，使每個(gè)學(xué)生都有機(jī)會(huì)參與實(shí)際項(xiàng)目的研究或開發(fā)，通過項(xiàng)目的實(shí)施來驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)，在實(shí)踐中加深和強(qiáng)化對(duì)理論知識(shí)的理解。對(duì)于大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目，導(dǎo)師不需特意強(qiáng)調(diào)成果，應(yīng)注重其研究和實(shí)施的過程。

在創(chuàng)新訓(xùn)練基礎(chǔ)上，鼓勵(lì)學(xué)生參加科技創(chuàng)新比賽，通過賽事培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新意識(shí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。學(xué)生可以親身體驗(yàn)科學(xué)研究的全過程，以個(gè)性化的思路提出設(shè)計(jì)方案，從而大大增強(qiáng)學(xué)生解決問題的能力。通過精心的賽前準(zhǔn)備，所設(shè)計(jì)的“光電主動(dòng)式紅外報(bào)警器”在燕山大學(xué)校團(tuán)委組織的“世紀(jì)杯”科技創(chuàng)新大賽中獲得了優(yōu)異的成績(jī)，這也極大地增強(qiáng)了學(xué)生的自信心，促使學(xué)生在實(shí)踐中運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，進(jìn)一步加深了對(duì)知識(shí)的理解。

利用實(shí)驗(yàn)室條件，《工程光學(xué)》課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)任務(wù)、大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練的相關(guān)內(nèi)容、科技創(chuàng)新比賽的前期準(zhǔn)備和方案實(shí)施等實(shí)踐環(huán)節(jié)對(duì)實(shí)驗(yàn)的需求都可以得到很大程度上的解決。將開放性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、競(jìng)賽題目、科研課題與工程光學(xué)某些知識(shí)相聯(lián)系，制定項(xiàng)目的實(shí)施方案，規(guī)劃實(shí)驗(yàn)流程，列出實(shí)驗(yàn)儀器及元器件清單，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目方案的可行性。在不斷發(fā)現(xiàn)問題、研究問題和解決問題的過程中，學(xué)生會(huì)對(duì)探索和追求未知的科學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生極大的興趣，在學(xué)習(xí)的過程中變被動(dòng)為主動(dòng)，在研究過程中也不斷提高了自身的創(chuàng)新能力，真正實(shí)現(xiàn)了以人為本、自主學(xué)習(xí)的教學(xué)理念。

2.4 開展現(xiàn)代光學(xué)前沿知識(shí)講座

《工程光學(xué)》課程所講授的內(nèi)容是光學(xué)的基礎(chǔ)性應(yīng)用知識(shí)，通過開設(shè)光學(xué)講座的方法，向?qū)W生傳遞這些知識(shí)在現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)中應(yīng)用的信息，更能使學(xué)生了解光學(xué)前沿的概況，給課堂教學(xué)內(nèi)容賦予時(shí)代氣息，拓展學(xué)生的知識(shí)面。通過這類活動(dòng)，不但能增進(jìn)學(xué)生對(duì)學(xué)科和本專業(yè)科研方向和科研梯隊(duì)的了解，更能使學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到學(xué)習(xí)《工程光學(xué)》的意義，而且也增強(qiáng)了學(xué)生熱愛專業(yè)、致力于專業(yè)課程學(xué)習(xí)的積極性，從而取得良好的收效。

2.5 教學(xué)安排及課時(shí)調(diào)整

《工程光學(xué)》教學(xué)改革已經(jīng)在教學(xué)實(shí)踐中推進(jìn)了一年，取得了初步的成果，并將在今后的教學(xué)過程中不斷探索、總結(jié)和提高。在上一個(gè)教學(xué)周期中，針對(duì)多元化教學(xué)模式的采用，已將整個(gè)學(xué)時(shí)安排進(jìn)行了必要的調(diào)整。采用網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái)，針對(duì)大學(xué)物理中已經(jīng)涉及的部分知識(shí)點(diǎn)，縮減了每堂課復(fù)習(xí)舊知識(shí)點(diǎn)和考前總復(fù)習(xí)的時(shí)間，網(wǎng)絡(luò)試題庫(kù)的建設(shè)節(jié)約了習(xí)題課的時(shí)間，以上兩方面節(jié)約學(xué)時(shí)數(shù)約6個(gè)學(xué)時(shí)，從中分配4個(gè)學(xué)時(shí)進(jìn)行課堂項(xiàng)目式教學(xué)，其余2個(gè)學(xué)時(shí)開設(shè)光學(xué)前沿講座。更為深入復(fù)雜的設(shè)計(jì)任務(wù)則在為期1.5周的《工程光學(xué)》課程設(shè)計(jì)中完成。另外，學(xué)生通過大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練及科技創(chuàng)新比賽，除了獲得實(shí)踐能力的鍛煉之外，還獲得了大學(xué)四年中必修的“科技創(chuàng)新”學(xué)分。

3 結(jié)束語

在現(xiàn)今的高等教育中，注重人才的全面發(fā)展，多出人才、出好人才，是高等教育的最終目的。在工程光學(xué)教學(xué)和實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)了不少問題，有些教學(xué)改革的想法還不完善，還將在今后的教學(xué)實(shí)踐中不斷探索行之有效的改革措施。通過教學(xué)實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，提高教師的理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)水平，完善教學(xué)方法，取得更好的教學(xué)效果。通過多元化教學(xué)模式的嘗試，在優(yōu)化課程理論教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，引入豐富的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生的工程應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)得到有效的培養(yǎng)，為學(xué)生今后的研究和就業(yè)開辟更為廣闊的空間。

參考文獻(xiàn)

[1]施建華，王弘剛，梁永輝，江文杰.關(guān)于“光學(xué)工程”學(xué)科課程建設(shè)的幾點(diǎn)思考[J].光學(xué)技術(shù)，2007，33（S1）：309-310.

[2]付瑞紅，王愛冬.信息化時(shí)代高等教育理念及課程模式的探索[J].教學(xué)研究.2013，36（2）：8-12.

[3]蔡建文.工程光學(xué)課程教學(xué)探討[J].中國(guó)科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2011，（5）：58.

[4]李麗，劉曉波.工程光學(xué)教學(xué)改革探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2009，26（8）：129-131.

[5]蔡懷宇，郁道銀，李清.“工程光學(xué)”國(guó)家精品課程的建設(shè)與改革[J].高等理科教育，2006，（2）：38-40.

[6]岑兆豐，李曉彤，劉向東.浙江大學(xué)應(yīng)用光學(xué)課程的發(fā)展和改革[J].光學(xué)技術(shù).2007，33（S1）：268-269.

2.3 引入任務(wù)式教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力

《工程光學(xué)》的教學(xué)改革嘗試，要注重培養(yǎng)學(xué)生的工程能力、創(chuàng)新能力、學(xué)習(xí)知識(shí)和運(yùn)用知識(shí)以及解決問題的能力，乃至團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。目前，《工程光學(xué)》課程設(shè)計(jì)、大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練、科技創(chuàng)新比賽以及《工程光學(xué)》開放性實(shí)驗(yàn)，是課程教學(xué)改革要涉及到的實(shí)踐性環(huán)節(jié)。在實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師要轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，從教學(xué)的主導(dǎo)位置變?yōu)橹笇?dǎo)和輔助學(xué)生學(xué)習(xí)的角色。以明確的任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，使學(xué)生以主動(dòng)的和實(shí)踐的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，并建立實(shí)踐環(huán)節(jié)和課程教學(xué)內(nèi)容之間的有機(jī)聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)課堂所學(xué)的書本理論知識(shí)的運(yùn)用，從而培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐綜合能力。

Zemax是目前功能較為強(qiáng)大的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，因此，在課程設(shè)計(jì)中，可以用其完成光學(xué)系統(tǒng)的輔助設(shè)計(jì)，并幫忙學(xué)生完成課堂幾何光學(xué)教學(xué)中各種典型光學(xué)系統(tǒng)的像差分析。在課程設(shè)計(jì)的過程中，以分組的形式安排了“照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像差分析”、“牛頓望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)與像差矯正”、“帶有非球面矯正器的施密特-卡塞格林系統(tǒng)設(shè)計(jì)”、“多重結(jié)構(gòu)配置的激光束擴(kuò)大器”、“折疊反射鏡面和坐標(biāo)斷點(diǎn)”和“消色差透鏡設(shè)計(jì)”等多個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)。例如，在照相物鏡鏡頭的設(shè)計(jì)中，如圖2所示，應(yīng)用Zemax軟件可以對(duì)后置光闌三片物鏡原始結(jié)構(gòu)（其中，分別代表該多光組系統(tǒng)中的3個(gè)透鏡元件）進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，輸入?yún)?shù)并進(jìn)行焦距縮放，從而生成初始參數(shù)及結(jié)構(gòu)。如圖3所示。

進(jìn)而在Zemax中進(jìn)行像差分析及參數(shù)優(yōu)化，在初始結(jié)構(gòu)的MTF 曲線中，可看出成像質(zhì)量很差， 因此需要校正像差，如圖4所示。調(diào)整其可變參量（包括6個(gè)曲率半徑，2個(gè)空氣間隔和3個(gè)玻璃的厚度），對(duì)物鏡的結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐次優(yōu)化。每次調(diào)整后再次優(yōu)化實(shí)時(shí)關(guān)注MTF圖的曲線變化，最后使各個(gè)參數(shù)都在可接受范圍之內(nèi)，如圖5所示。通過課程設(shè)計(jì)中對(duì)具體光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析，學(xué)生們對(duì)課堂所學(xué)知識(shí)有了更新和更深刻的理解，通過學(xué)以致用，更加體會(huì)到所學(xué)知識(shí)的重要性。

在課程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合課堂所學(xué)理論知識(shí)，開展創(chuàng)新性研究，申報(bào)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，教師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行選題和方案論證，以項(xiàng)目組的形式，明確每個(gè)學(xué)生的任務(wù)分工，使每個(gè)學(xué)生都有機(jī)會(huì)參與實(shí)際項(xiàng)目的研究或開發(fā)，通過項(xiàng)目的實(shí)施來驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)，在實(shí)踐中加深和強(qiáng)化對(duì)理論知識(shí)的理解。對(duì)于大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目，導(dǎo)師不需特意強(qiáng)調(diào)成果，應(yīng)注重其研究和實(shí)施的過程。

在創(chuàng)新訓(xùn)練基礎(chǔ)上，鼓勵(lì)學(xué)生參加科技創(chuàng)新比賽，通過賽事培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新意識(shí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。學(xué)生可以親身體驗(yàn)科學(xué)研究的全過程，以個(gè)性化的思路提出設(shè)計(jì)方案，從而大大增強(qiáng)學(xué)生解決問題的能力。通過精心的賽前準(zhǔn)備，所設(shè)計(jì)的“光電主動(dòng)式紅外報(bào)警器”在燕山大學(xué)校團(tuán)委組織的“世紀(jì)杯”科技創(chuàng)新大賽中獲得了優(yōu)異的成績(jī)，這也極大地增強(qiáng)了學(xué)生的自信心，促使學(xué)生在實(shí)踐中運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，進(jìn)一步加深了對(duì)知識(shí)的理解。

利用實(shí)驗(yàn)室條件，《工程光學(xué)》課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)任務(wù)、大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練的相關(guān)內(nèi)容、科技創(chuàng)新比賽的前期準(zhǔn)備和方案實(shí)施等實(shí)踐環(huán)節(jié)對(duì)實(shí)驗(yàn)的需求都可以得到很大程度上的解決。將開放性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、競(jìng)賽題目、科研課題與工程光學(xué)某些知識(shí)相聯(lián)系，制定項(xiàng)目的實(shí)施方案，規(guī)劃實(shí)驗(yàn)流程，列出實(shí)驗(yàn)儀器及元器件清單，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目方案的可行性。在不斷發(fā)現(xiàn)問題、研究問題和解決問題的過程中，學(xué)生會(huì)對(duì)探索和追求未知的科學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生極大的興趣，在學(xué)習(xí)的過程中變被動(dòng)為主動(dòng)，在研究過程中也不斷提高了自身的創(chuàng)新能力，真正實(shí)現(xiàn)了以人為本、自主學(xué)習(xí)的教學(xué)理念。

2.4 開展現(xiàn)代光學(xué)前沿知識(shí)講座

《工程光學(xué)》課程所講授的內(nèi)容是光學(xué)的基礎(chǔ)性應(yīng)用知識(shí)，通過開設(shè)光學(xué)講座的方法，向?qū)W生傳遞這些知識(shí)在現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)中應(yīng)用的信息，更能使學(xué)生了解光學(xué)前沿的概況，給課堂教學(xué)內(nèi)容賦予時(shí)代氣息，拓展學(xué)生的知識(shí)面。通過這類活動(dòng)，不但能增進(jìn)學(xué)生對(duì)學(xué)科和本專業(yè)科研方向和科研梯隊(duì)的了解，更能使學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到學(xué)習(xí)《工程光學(xué)》的意義，而且也增強(qiáng)了學(xué)生熱愛專業(yè)、致力于專業(yè)課程學(xué)習(xí)的積極性，從而取得良好的收效。

2.5 教學(xué)安排及課時(shí)調(diào)整

《工程光學(xué)》教學(xué)改革已經(jīng)在教學(xué)實(shí)踐中推進(jìn)了一年，取得了初步的成果，并將在今后的教學(xué)過程中不斷探索、總結(jié)和提高。在上一個(gè)教學(xué)周期中，針對(duì)多元化教學(xué)模式的采用，已將整個(gè)學(xué)時(shí)安排進(jìn)行了必要的調(diào)整。采用網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái)，針對(duì)大學(xué)物理中已經(jīng)涉及的部分知識(shí)點(diǎn)，縮減了每堂課復(fù)習(xí)舊知識(shí)點(diǎn)和考前總復(fù)習(xí)的時(shí)間，網(wǎng)絡(luò)試題庫(kù)的建設(shè)節(jié)約了習(xí)題課的時(shí)間，以上兩方面節(jié)約學(xué)時(shí)數(shù)約6個(gè)學(xué)時(shí)，從中分配4個(gè)學(xué)時(shí)進(jìn)行課堂項(xiàng)目式教學(xué)，其余2個(gè)學(xué)時(shí)開設(shè)光學(xué)前沿講座。更為深入復(fù)雜的設(shè)計(jì)任務(wù)則在為期1.5周的《工程光學(xué)》課程設(shè)計(jì)中完成。另外，學(xué)生通過大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練及科技創(chuàng)新比賽，除了獲得實(shí)踐能力的鍛煉之外，還獲得了大學(xué)四年中必修的“科技創(chuàng)新”學(xué)分。

3 結(jié)束語

在現(xiàn)今的高等教育中，注重人才的全面發(fā)展，多出人才、出好人才，是高等教育的最終目的。在工程光學(xué)教學(xué)和實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)了不少問題，有些教學(xué)改革的想法還不完善，還將在今后的教學(xué)實(shí)踐中不斷探索行之有效的改革措施。通過教學(xué)實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，提高教師的理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)水平，完善教學(xué)方法，取得更好的教學(xué)效果。通過多元化教學(xué)模式的嘗試，在優(yōu)化課程理論教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，引入豐富的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生的工程應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)得到有效的培養(yǎng)，為學(xué)生今后的研究和就業(yè)開辟更為廣闊的空間。

參考文獻(xiàn)

[1]施建華，王弘剛，梁永輝，江文杰.關(guān)于“光學(xué)工程”學(xué)科課程建設(shè)的幾點(diǎn)思考[J].光學(xué)技術(shù)，2007，33（S1）：309-310.

[2]付瑞紅，王愛冬.信息化時(shí)代高等教育理念及課程模式的探索[J].教學(xué)研究.2013，36（2）：8-12.

[3]蔡建文.工程光學(xué)課程教學(xué)探討[J].中國(guó)科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2011，（5）：58.

[4]李麗，劉曉波.工程光學(xué)教學(xué)改革探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2009，26（8）：129-131.

[5]蔡懷宇，郁道銀，李清.“工程光學(xué)”國(guó)家精品課程的建設(shè)與改革[J].高等理科教育，2006，（2）：38-40.

[6]岑兆豐，李曉彤，劉向東.浙江大學(xué)應(yīng)用光學(xué)課程的發(fā)展和改革[J].光學(xué)技術(shù).2007，33（S1）：268-269.

2.3 引入任務(wù)式教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力

《工程光學(xué)》的教學(xué)改革嘗試，要注重培養(yǎng)學(xué)生的工程能力、創(chuàng)新能力、學(xué)習(xí)知識(shí)和運(yùn)用知識(shí)以及解決問題的能力，乃至團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。目前，《工程光學(xué)》課程設(shè)計(jì)、大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練、科技創(chuàng)新比賽以及《工程光學(xué)》開放性實(shí)驗(yàn)，是課程教學(xué)改革要涉及到的實(shí)踐性環(huán)節(jié)。在實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師要轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，從教學(xué)的主導(dǎo)位置變?yōu)橹笇?dǎo)和輔助學(xué)生學(xué)習(xí)的角色。以明確的任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，使學(xué)生以主動(dòng)的和實(shí)踐的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，并建立實(shí)踐環(huán)節(jié)和課程教學(xué)內(nèi)容之間的有機(jī)聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)課堂所學(xué)的書本理論知識(shí)的運(yùn)用，從而培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐綜合能力。

Zemax是目前功能較為強(qiáng)大的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，因此，在課程設(shè)計(jì)中，可以用其完成光學(xué)系統(tǒng)的輔助設(shè)計(jì)，并幫忙學(xué)生完成課堂幾何光學(xué)教學(xué)中各種典型光學(xué)系統(tǒng)的像差分析。在課程設(shè)計(jì)的過程中，以分組的形式安排了“照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像差分析”、“牛頓望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)與像差矯正”、“帶有非球面矯正器的施密特-卡塞格林系統(tǒng)設(shè)計(jì)”、“多重結(jié)構(gòu)配置的激光束擴(kuò)大器”、“折疊反射鏡面和坐標(biāo)斷點(diǎn)”和“消色差透鏡設(shè)計(jì)”等多個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)。例如，在照相物鏡鏡頭的設(shè)計(jì)中，如圖2所示，應(yīng)用Zemax軟件可以對(duì)后置光闌三片物鏡原始結(jié)構(gòu)（其中，分別代表該多光組系統(tǒng)中的3個(gè)透鏡元件）進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，輸入?yún)?shù)并進(jìn)行焦距縮放，從而生成初始參數(shù)及結(jié)構(gòu)。如圖3所示。

進(jìn)而在Zemax中進(jìn)行像差分析及參數(shù)優(yōu)化，在初始結(jié)構(gòu)的MTF 曲線中，可看出成像質(zhì)量很差， 因此需要校正像差，如圖4所示。調(diào)整其可變參量（包括6個(gè)曲率半徑，2個(gè)空氣間隔和3個(gè)玻璃的厚度），對(duì)物鏡的結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐次優(yōu)化。每次調(diào)整后再次優(yōu)化實(shí)時(shí)關(guān)注MTF圖的曲線變化，最后使各個(gè)參數(shù)都在可接受范圍之內(nèi)，如圖5所示。通過課程設(shè)計(jì)中對(duì)具體光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析，學(xué)生們對(duì)課堂所學(xué)知識(shí)有了更新和更深刻的理解，通過學(xué)以致用，更加體會(huì)到所學(xué)知識(shí)的重要性。

在課程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合課堂所學(xué)理論知識(shí)，開展創(chuàng)新性研究，申報(bào)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，教師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行選題和方案論證，以項(xiàng)目組的形式，明確每個(gè)學(xué)生的任務(wù)分工，使每個(gè)學(xué)生都有機(jī)會(huì)參與實(shí)際項(xiàng)目的研究或開發(fā)，通過項(xiàng)目的實(shí)施來驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)，在實(shí)踐中加深和強(qiáng)化對(duì)理論知識(shí)的理解。對(duì)于大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目，導(dǎo)師不需特意強(qiáng)調(diào)成果，應(yīng)注重其研究和實(shí)施的過程。

在創(chuàng)新訓(xùn)練基礎(chǔ)上，鼓勵(lì)學(xué)生參加科技創(chuàng)新比賽，通過賽事培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新意識(shí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。學(xué)生可以親身體驗(yàn)科學(xué)研究的全過程，以個(gè)性化的思路提出設(shè)計(jì)方案，從而大大增強(qiáng)學(xué)生解決問題的能力。通過精心的賽前準(zhǔn)備，所設(shè)計(jì)的“光電主動(dòng)式紅外報(bào)警器”在燕山大學(xué)校團(tuán)委組織的“世紀(jì)杯”科技創(chuàng)新大賽中獲得了優(yōu)異的成績(jī)，這也極大地增強(qiáng)了學(xué)生的自信心，促使學(xué)生在實(shí)踐中運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，進(jìn)一步加深了對(duì)知識(shí)的理解。

利用實(shí)驗(yàn)室條件，《工程光學(xué)》課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)任務(wù)、大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練的相關(guān)內(nèi)容、科技創(chuàng)新比賽的前期準(zhǔn)備和方案實(shí)施等實(shí)踐環(huán)節(jié)對(duì)實(shí)驗(yàn)的需求都可以得到很大程度上的解決。將開放性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、競(jìng)賽題目、科研課題與工程光學(xué)某些知識(shí)相聯(lián)系，制定項(xiàng)目的實(shí)施方案，規(guī)劃實(shí)驗(yàn)流程，列出實(shí)驗(yàn)儀器及元器件清單，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目方案的可行性。在不斷發(fā)現(xiàn)問題、研究問題和解決問題的過程中，學(xué)生會(huì)對(duì)探索和追求未知的科學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生極大的興趣，在學(xué)習(xí)的過程中變被動(dòng)為主動(dòng)，在研究過程中也不斷提高了自身的創(chuàng)新能力，真正實(shí)現(xiàn)了以人為本、自主學(xué)習(xí)的教學(xué)理念。

2.4 開展現(xiàn)代光學(xué)前沿知識(shí)講座

《工程光學(xué)》課程所講授的內(nèi)容是光學(xué)的基礎(chǔ)性應(yīng)用知識(shí)，通過開設(shè)光學(xué)講座的方法，向?qū)W生傳遞這些知識(shí)在現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)中應(yīng)用的信息，更能使學(xué)生了解光學(xué)前沿的概況，給課堂教學(xué)內(nèi)容賦予時(shí)代氣息，拓展學(xué)生的知識(shí)面。通過這類活動(dòng)，不但能增進(jìn)學(xué)生對(duì)學(xué)科和本專業(yè)科研方向和科研梯隊(duì)的了解，更能使學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到學(xué)習(xí)《工程光學(xué)》的意義，而且也增強(qiáng)了學(xué)生熱愛專業(yè)、致力于專業(yè)課程學(xué)習(xí)的積極性，從而取得良好的收效。

2.5 教學(xué)安排及課時(shí)調(diào)整

《工程光學(xué)》教學(xué)改革已經(jīng)在教學(xué)實(shí)踐中推進(jìn)了一年，取得了初步的成果，并將在今后的教學(xué)過程中不斷探索、總結(jié)和提高。在上一個(gè)教學(xué)周期中，針對(duì)多元化教學(xué)模式的采用，已將整個(gè)學(xué)時(shí)安排進(jìn)行了必要的調(diào)整。采用網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái)，針對(duì)大學(xué)物理中已經(jīng)涉及的部分知識(shí)點(diǎn)，縮減了每堂課復(fù)習(xí)舊知識(shí)點(diǎn)和考前總復(fù)習(xí)的時(shí)間，網(wǎng)絡(luò)試題庫(kù)的建設(shè)節(jié)約了習(xí)題課的時(shí)間，以上兩方面節(jié)約學(xué)時(shí)數(shù)約6個(gè)學(xué)時(shí)，從中分配4個(gè)學(xué)時(shí)進(jìn)行課堂項(xiàng)目式教學(xué)，其余2個(gè)學(xué)時(shí)開設(shè)光學(xué)前沿講座。更為深入復(fù)雜的設(shè)計(jì)任務(wù)則在為期1.5周的《工程光學(xué)》課程設(shè)計(jì)中完成。另外，學(xué)生通過大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練及科技創(chuàng)新比賽，除了獲得實(shí)踐能力的鍛煉之外，還獲得了大學(xué)四年中必修的“科技創(chuàng)新”學(xué)分。

3 結(jié)束語

在現(xiàn)今的高等教育中，注重人才的全面發(fā)展，多出人才、出好人才，是高等教育的最終目的。在工程光學(xué)教學(xué)和實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)了不少問題，有些教學(xué)改革的想法還不完善，還將在今后的教學(xué)實(shí)踐中不斷探索行之有效的改革措施。通過教學(xué)實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，提高教師的理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)水平，完善教學(xué)方法，取得更好的教學(xué)效果。通過多元化教學(xué)模式的嘗試，在優(yōu)化課程理論教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，引入豐富的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生的工程應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)得到有效的培養(yǎng)，為學(xué)生今后的研究和就業(yè)開辟更為廣闊的空間。

參考文獻(xiàn)

[1]施建華，王弘剛，梁永輝，江文杰.關(guān)于“光學(xué)工程”學(xué)科課程建設(shè)的幾點(diǎn)思考[J].光學(xué)技術(shù)，2007，33（S1）：309-310.

[2]付瑞紅，王愛冬.信息化時(shí)代高等教育理念及課程模式的探索[J].教學(xué)研究.2013，36（2）：8-12.

[3]蔡建文.工程光學(xué)課程教學(xué)探討[J].中國(guó)科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2011，（5）：58.

[4]李麗，劉曉波.工程光學(xué)教學(xué)改革探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2009，26（8）：129-131.

[5]蔡懷宇，郁道銀，李清.“工程光學(xué)”國(guó)家精品課程的建設(shè)與改革[J].高等理科教育，2006，（2）：38-40.

[6]岑兆豐，李曉彤，劉向東.浙江大學(xué)應(yīng)用光學(xué)課程的發(fā)展和改革[J].光學(xué)技術(shù).2007，33（S1）：268-269.