基于創(chuàng)新與實踐能力培養(yǎng)的“光學(xué)設(shè)計”課程改革與實踐

逯力紅 尚可可

關(guān)鍵詞 光學(xué)設(shè)計 光電設(shè)計競賽 課程改革

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2019.09.028

Abstract Optical design course is a characteristic course of Optoelectronic Information Science and engineering specialty. It requires students to solve practical problems with theoretical knowledge， which has strong practicality and applicability. In order to cultivate students' comprehensive practical ability， innovative consciousness and innovative ability， the characteristics and teaching methods of optical design course are discussed in order to train students to be practical talents in optoelectronic industry with both solid theoretical basis and considerable practical and innovative ability.

Keywords optical design; photoelectric design competition; course reform

0 引言

隨著光電技術(shù)的快速發(fā)展，光學(xué)儀器和光電儀器的應(yīng)用越來越廣泛，而這些儀器的核心部分就是光學(xué)系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)的質(zhì)量直接影響著光學(xué)儀器和光電儀器的性能，好的光學(xué)系統(tǒng)不但能夠滿足儀器性能指標(biāo)，而且結(jié)構(gòu)簡單，容易加工及裝調(diào)，可靠性高，能夠最大限度減小儀器成本。其中，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計是決定光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量的最基本和最關(guān)鍵的部分。

光學(xué)設(shè)計是光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的特色課程，它的先修課程是物理光學(xué)和應(yīng)用光學(xué)兩門理論基礎(chǔ)課程，光學(xué)設(shè)計是一門學(xué)生從掌握理論知識到運用理論知識解決實際問題的與實踐緊密聯(lián)系的課程，它以光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計為核心，以培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力和綜合創(chuàng)新能力為目標(biāo)，將學(xué)生培養(yǎng)成為具有堅實理論基礎(chǔ)和相當(dāng)實踐能力的復(fù)合型實用人才。[1]因此，光學(xué)設(shè)計是一門適合培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的專業(yè)特色課程。

1 光學(xué)設(shè)計課程特點

實踐能力是指學(xué)生的動手能力和操作能力，而創(chuàng)新能力是指運用知識和理論完成創(chuàng)新過程、產(chǎn)生創(chuàng)新成果的綜合能力。[2]學(xué)生創(chuàng)新與實踐能力培養(yǎng)的目標(biāo)是將學(xué)生培養(yǎng)成具有較強綜合實踐能力和創(chuàng)新意識的復(fù)合創(chuàng)新型人才。光學(xué)設(shè)計是一門綜合性、實踐性以及開發(fā)性較強的課程，該課程可以為學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)提供合適的條件及平臺。

由于光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的特殊性，即使完全相同的系統(tǒng)參數(shù)，由于每個人思考問題和解決問題的思路和方法不同，在優(yōu)化過程中設(shè)置的評價函數(shù)、選擇變量的順序及種類也各不相同。因此，不同的設(shè)計人員經(jīng)過優(yōu)化計算，最后得到的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及成像質(zhì)量也完全不一樣?；诠鈱W(xué)設(shè)計的這個特點，為了能更好地激發(fā)學(xué)生的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，在設(shè)置平時練習(xí)的題目時，不但讓學(xué)生設(shè)計一些他們常用的、感興趣的光學(xué)系統(tǒng)，而且提出設(shè)計要求時，只給光學(xué)系統(tǒng)設(shè)定最低標(biāo)準，例如，手機相機是學(xué)生常用的光學(xué)系統(tǒng)，每個人的手機型號不同，所配置的鏡頭也不同，因此成像質(zhì)量也完全不同。為了讓學(xué)生將在理論課上學(xué)到的攝影光學(xué)系統(tǒng)與手機鏡頭聯(lián)系起來，要求學(xué)生設(shè)計一個手機鏡頭，僅要求鏡頭片數(shù)不多于4塊，系統(tǒng)總長小于5mm，要求達到的性能指標(biāo)是光學(xué)傳遞函數(shù)在250線對時大于0.4。其它系統(tǒng)參數(shù)讓學(xué)生自行選擇與試驗，在設(shè)計過程中，學(xué)生通過不斷改變系統(tǒng)參量，設(shè)置不同的評價函數(shù)等方法尋找最優(yōu)的系統(tǒng)方案，不斷提高自己的設(shè)計水平，提高了學(xué)生的實踐能力。同時，由于約束較少，給學(xué)生更多自由發(fā)揮的空間，鼓勵學(xué)生大膽創(chuàng)新，嘗試新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

2 教學(xué)方式改革

2.1 將全國大學(xué)生光電設(shè)計競賽引入課堂

全國大學(xué)生光電設(shè)計競賽是由中國光學(xué)學(xué)會和教育部高等學(xué)校光電信息科學(xué)與工程專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會聯(lián)合主辦的一項全國性重要賽事，是高校光電類專業(yè)的頂級賽事，是目前光電信息科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生可以參加的重要的對口學(xué)科競賽，到今年為止已經(jīng)舉行了六屆。其歷屆賽題如表1所示。

由競賽的歷屆賽題可以看到，每屆光電設(shè)計競賽都會設(shè)置關(guān)于光學(xué)系統(tǒng)方面的題目，尤其從第五屆開始，專門設(shè)置了關(guān)于光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的題目，這些賽題在很大程度上都是考察學(xué)生關(guān)于光學(xué)系統(tǒng)的知識，不但要求學(xué)生具有較扎實的理論基礎(chǔ)，而且能夠?qū)⒗碚撝R應(yīng)用到實踐中解決實際問題，并在此過程中，鼓勵學(xué)生進行技術(shù)創(chuàng)新。在教學(xué)過程中，根據(jù)當(dāng)年的參賽題目，由學(xué)生自由組合，組成幾支參賽隊，各隊成員相互協(xié)作，完成從資料檢索、方案可行性分析、系統(tǒng)設(shè)計、撰寫項目報告和答辯等環(huán)節(jié)，鼓勵學(xué)生進行創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。同時，開放專業(yè)的光學(xué)實驗室給學(xué)生提供實驗平臺，鼓勵學(xué)生自行搭建光學(xué)系統(tǒng)，對提出的方案進行實驗驗證并發(fā)現(xiàn)問題，進行改進優(yōu)化，從而提高學(xué)生的實踐能力。

2.2 理論講解與上機操作相結(jié)合

傳統(tǒng)授課過程中，理論知識講解和上機操作部分是分開進行的，一般是先進行理論知識講解，理論知識全部講解完成后再進行上機操作。這種授課方式雖然能保證知識體系的完整，但是對于一些晦澀難懂、單靠課堂講解學(xué)生難以理解的知識來說，例如像差理論，學(xué)生接受起來比較困難，因此知識掌握的不扎實。當(dāng)進行上機操作時仍然一頭霧水，不知如何進行設(shè)計，之前學(xué)的理論知識無法很好地融會貫通并應(yīng)用于實際的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計。將上機操作穿插到理論講解中，與理論講解相結(jié)合，不但能夠很好地保持理論知識的體系完整，而且能夠幫助學(xué)生更好地理解和掌握所講授的知識，為后面的學(xué)習(xí)及上機操作打下堅實的基礎(chǔ)。

像差理論一直是光學(xué)設(shè)計的重點和難點，傳統(tǒng)講解方式是進行公式推導(dǎo)，但是由于涉及的變量、公式繁多，推導(dǎo)過程復(fù)雜，學(xué)生理解起來困難，對于像差的產(chǎn)生原因、影響因素和消除方法等難以理解。采用上機及理論講解相結(jié)合的方式，每講解一種像差，便在現(xiàn)場教學(xué)時讓學(xué)生利用光學(xué)設(shè)計軟件對該像差進行演示及觀察，同時觀察點列圖、像差曲線等能夠反映該像差及影響系統(tǒng)成像質(zhì)量的圖表，通過改變特定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)來觀察像差的變化，從而對影響該像差的因素及如何消除像差也能更好地掌握。通過理論講解和上機操作，讓學(xué)生系統(tǒng)地理解像差，并掌握如何消除像差，為學(xué)生后面進行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計打下堅實的理論基礎(chǔ)。

2.3 考核方式

傳統(tǒng)的考核方式是筆試，但是筆試在很大程度上只能考核學(xué)生理論知識的掌握情況，學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力無法考核。一些高校采用了理論筆試和上機操作相結(jié)合的考核方式，[3-5]這種考核方式的實踐題一般是由老師指定一組或者幾組題目，由學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi)獨立完成。但是，所設(shè)置的題目由于老師本身的知識深度和廣度的影響而會存在一定的局限性;學(xué)生在獨立進行系統(tǒng)設(shè)計時，也受到自身水平的限制，只能利用自己所掌握的知識進行設(shè)計，思維得不到啟發(fā)和發(fā)散。因此，這種考核方式雖然能夠?qū)W(xué)生的實踐能力進行考核，但是對學(xué)生創(chuàng)新能力的考核仍然具有一定的局限性。

由于把全國大學(xué)生光電設(shè)計競賽賽題引入了課堂，而全國大學(xué)生光電設(shè)計競賽的賽題是競賽委員會在全國范圍內(nèi)征集選優(yōu)的結(jié)果，因此賽題非常具有代表性。賽題在學(xué)期初便布置給學(xué)生，學(xué)生平時可以隨時到光學(xué)實驗室進行賽題研究，在學(xué)期末時完成設(shè)計報告及答辯，作為最終的實踐成績。

答辯采用三隊一組相互答辯方式進行。每三組輪流擔(dān)任正方、反方和評論方，課題組老師擔(dān)任評委為三方打分。在整個環(huán)節(jié)中，正方闡述自己的設(shè)計思路，設(shè)計方法，以及最終得到的設(shè)計結(jié)果;反方結(jié)合自己對賽題的理解對正方的設(shè)計思路、設(shè)計方案及實驗結(jié)果提出自己的異議，指出其中存在的問題及可完善的地方;而評論方根據(jù)正反雙方的表現(xiàn)進行評價總結(jié)。整個答辯過程中，學(xué)生一直起主導(dǎo)作用，通過闡述自己的方案，演示實驗，提出或回答其它隊伍的質(zhì)疑，或者對雙方的方案進行總結(jié)評價，這些環(huán)節(jié)不但加深了對題目的理解，而且開闊了思維。因此，整個過程不但能夠培養(yǎng)學(xué)生的團隊協(xié)作能力，而且在很大程度上培養(yǎng)了學(xué)生的實踐和創(chuàng)新能力。

每隊的實踐成績包括課題組教師評定的設(shè)計報告成績、各隊答辯成績，每隊的隊長根據(jù)各成員的貢獻大小給各成員打分，該分數(shù)加上本隊的實踐成績就是各隊每個人的實踐成績。其中，實踐成績占總成績的50%。

3 結(jié)束語

光學(xué)設(shè)計課程是光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的特色課程，對光電專業(yè)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)起著重要作用。本文對光學(xué)設(shè)計的課程特點及教學(xué)方式進行了探索。實踐證明，采用新的教學(xué)方式，不但能夠提高教學(xué)質(zhì)量，而且能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生綜合實踐能力以及創(chuàng)新能力，為光電行業(yè)培養(yǎng)更多更好的專業(yè)人才。

基金項目：天津工業(yè)大學(xué)高等教育教學(xué)改革研究項目（項目編號：2017-2-36）

參考文獻

[1] 李曉艷，王樂，石巖.注重素質(zhì)和實踐能力的現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計課程教學(xué)方法研究[J].科技信息，2011（02）：113.

[2] 史鳳賢.基于職業(yè)生涯規(guī)劃提高大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力[J].遼寧科技學(xué)院學(xué)報，2013.15（04）：92-93.

[3] 牟達，羅春華，李艷紅.“光學(xué)設(shè)計及CAD”課程多媒體教學(xué)實踐與研究[J].長春理工大學(xué)學(xué)報，2012.7（11）：226-227.

[4] 李曉英，牛春暉，郎曉萍.在《光學(xué)設(shè)計》課程教學(xué)中加強實際設(shè)計能力[J].科技資訊，2017.15（34）：185.

[5] 劉寶元，劉鈞，路紹軍.學(xué)生“現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計”計算能力培養(yǎng)的探索與實踐[J].中國西部科技，2008（27）：99-100.