研究型課題在光學(xué)學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用

竇 健 泰

(江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

光電信息科學(xué)與工程專業(yè)是一個(gè)致力于將學(xué)生培養(yǎng)成光學(xué)工程師的專業(yè)，其專業(yè)基礎(chǔ)課程包含了幾何光學(xué)、物理光學(xué)、像差理論與光學(xué)系統(tǒng)、光學(xué)CAD課程設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)課程，涵蓋了光學(xué)基本理論和實(shí)際工程應(yīng)用技術(shù)，這些課程可將學(xué)生逐步從一個(gè)知識(shí)接受者轉(zhuǎn)變成知識(shí)應(yīng)用者直至光學(xué)工程師。在這個(gè)轉(zhuǎn)變過程中，學(xué)生需以一個(gè)工程師的思維方式，將本專業(yè)特有的知識(shí)應(yīng)用到解決實(shí)際問題，進(jìn)而培養(yǎng)自身研究和解決問題的能力。但是，常規(guī)的教育方式多是教師傳授知識(shí)、學(xué)生接受教師提供的現(xiàn)成知識(shí)和題目答案，同時(shí)通過題海戰(zhàn)術(shù)，掌握課堂和書本上的知識(shí)，學(xué)生以應(yīng)付考試為主要學(xué)習(xí)目標(biāo)。這種教學(xué)模式可能致使光電信息科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生面對(duì)復(fù)雜實(shí)際問題時(shí)無從下手，不能將所學(xué)知識(shí)合理應(yīng)用，使學(xué)生產(chǎn)生自我否定，產(chǎn)生所學(xué)專業(yè)在實(shí)際應(yīng)用中無用論的想法。同時(shí)，相比理論型課程，如力學(xué)和電磁學(xué)等，光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的光學(xué)專業(yè)教程具有以下特點(diǎn)：一是光學(xué)的理論知識(shí)內(nèi)容繁雜，學(xué)生不容易把握重點(diǎn)；二是光學(xué)的實(shí)用性強(qiáng)，雖在傳統(tǒng)教學(xué)中給出了部分實(shí)例，但是學(xué)生很少接觸實(shí)際應(yīng)用，不能將知識(shí)活學(xué)活用[1]。

為改變光學(xué)學(xué)科現(xiàn)有教學(xué)現(xiàn)狀，需正確處理基礎(chǔ)理論和實(shí)際應(yīng)用的關(guān)系，突出所需知識(shí)的實(shí)用性，并在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)一步強(qiáng)化基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)，同時(shí)使學(xué)生加深對(duì)本專業(yè)的應(yīng)用前景的了解，激發(fā)他們學(xué)習(xí)和科研的興趣[2][3]。本文針對(duì)上述問題，提出將研究型課題引入到相應(yīng)的光學(xué)學(xué)科教學(xué)中的教學(xué)模式，將其傳統(tǒng)教學(xué)與科研、實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，將授課的基本原理與光學(xué)中涉及的前沿科學(xué)問題以及當(dāng)前社會(huì)對(duì)該學(xué)科需求的技術(shù)相結(jié)合，闡述所授基礎(chǔ)知識(shí)在研究型課題中的重要性，培養(yǎng)學(xué)生科研和解決實(shí)際問題的創(chuàng)新思維模式，增強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)的能力。

一、引入研究型課題的教學(xué)模式

(一)更新課程內(nèi)容，提高教師學(xué)術(shù)水平

現(xiàn)有高等學(xué)校教材內(nèi)容比較穩(wěn)定，每版內(nèi)容變化不大。但是，隨著光學(xué)學(xué)科的發(fā)展，現(xiàn)有教材存在很大的滯后性和局限性，不能滿足本學(xué)科的發(fā)展，也不能將本學(xué)科技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)和新知識(shí)傳達(dá)給學(xué)生，這就需要高校教師及時(shí)更新與學(xué)科有關(guān)的研究進(jìn)展和新技術(shù)的內(nèi)容。引入研究型課題的教學(xué)模式對(duì)高校教師提出了更高的要求，高校教師不僅要具有扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)，還要具有一定的科研和學(xué)術(shù)能力。同時(shí)，高校教師要緊跟學(xué)科前沿，實(shí)時(shí)關(guān)注學(xué)科發(fā)展動(dòng)態(tài)，不斷完善學(xué)科出現(xiàn)的新知識(shí)，并用基礎(chǔ)理論知識(shí)解釋最新研究進(jìn)展。在解釋最新研究?jī)?nèi)容時(shí)，可將當(dāng)前最新具有代表性的創(chuàng)新科研成果融入到教學(xué)中，從而保證學(xué)生能夠及時(shí)了解、學(xué)習(xí)、掌握到最新的研究?jī)?nèi)容。

以筆者所在課題組為例，本課題組主要從事光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和計(jì)算成像方面的研究，這些研究?jī)?nèi)容涵蓋了幾何光學(xué)、物理光學(xué)、光學(xué)系統(tǒng)、像差等基礎(chǔ)理論。在講授幾何光學(xué)中光直線傳播、物像關(guān)系和成像系統(tǒng)時(shí)，可引入近軸光學(xué)隱身的概念，將隱身原理教給學(xué)生，同時(shí)提出系統(tǒng)參數(shù)要求，設(shè)定一個(gè)關(guān)于研究光學(xué)隱身范圍和影響因素的課題。通過該課題，學(xué)生可以進(jìn)一步理解光的傳播和物像關(guān)系，增強(qiáng)學(xué)生裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)的操作能力；在講授物理光學(xué)中衍射傳播時(shí)，可引入筆者研究的計(jì)算成像中迭代復(fù)原相位的課題，向?qū)W生介紹光場(chǎng)的組成、衍射過程以及如何計(jì)算任意距離處的衍射光場(chǎng)，同時(shí)給學(xué)生分派關(guān)于不同迭代算法的課題，讓學(xué)生通過matlab等仿真軟件模擬衍射過程以及相位復(fù)原過程，通過這些課題，學(xué)生可以根據(jù)衍射距離合理選擇衍射公式、計(jì)算任意距離處的衍射光場(chǎng)以及由記錄的光強(qiáng)信息復(fù)原光場(chǎng)的相位。教師通過設(shè)置研究型課題的方式，可鼓勵(lì)學(xué)生走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，參與課題的設(shè)計(jì)和研究，將所學(xué)的理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際中，進(jìn)一步鞏固加深所學(xué)知識(shí)，不僅如此，還可豐富課程內(nèi)容，增加其先進(jìn)性和實(shí)用性，學(xué)生通過參與課題、研究設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)操作等途徑可培養(yǎng)自身的研究能力和創(chuàng)新思維。

(二)培養(yǎng)學(xué)生科研和解決實(shí)際問題的能力

引入研究型課題的教學(xué)模式是將科研、前沿學(xué)術(shù)內(nèi)容引入到專業(yè)教學(xué)中，旨在培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)活學(xué)活用和解決實(shí)際問題的能力。在傳統(tǒng)的教學(xué)影響下，學(xué)生多為被動(dòng)接受，不習(xí)慣主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問題、提出問題以及解決問題，而新教學(xué)模式可彌補(bǔ)這一問題，此模式是讓學(xué)生成為教學(xué)中的主角，學(xué)生通過參與研究型課題，可在研究過程中自主發(fā)現(xiàn)問題，并隨著研究的問題被解決，同時(shí)養(yǎng)成良好的科研精神。在自主發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程中，學(xué)生主動(dòng)探究、動(dòng)手操作可以增強(qiáng)學(xué)生克服問題的信心。在設(shè)定研究型課題后，教師需為學(xué)生提供充足的研究時(shí)間和空間，充分發(fā)揮學(xué)生的潛力，鼓勵(lì)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐、自主研究、團(tuán)隊(duì)合作以及相互交流，在理論學(xué)習(xí)、現(xiàn)象觀察(目標(biāo)設(shè)定)、設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、交流問題、完善實(shí)驗(yàn)等過程中實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，解決實(shí)際問題。教師也要多給學(xué)生一些學(xué)術(shù)思想和科研方法，讓學(xué)生了解、學(xué)習(xí)更多解決問題的途徑。同時(shí)，要引導(dǎo)學(xué)生形成反思的習(xí)慣，在研究課題時(shí)總會(huì)遇到瓶頸和各種各樣的問題，要通過反思，分析得出阻礙的原因。反思的過程中，學(xué)生可積累更豐富的處理科研問題的方法和經(jīng)驗(yàn)。教師除了精心設(shè)計(jì)問題和豐富教學(xué)內(nèi)容外，也應(yīng)鼓勵(lì)、支持學(xué)生積極參加學(xué)術(shù)活動(dòng)以及申報(bào)和開展各種創(chuàng)新項(xiàng)目，也可定期開辦一些學(xué)術(shù)科普講座，讓學(xué)生有更多的機(jī)會(huì)去了解前沿知識(shí)。通過以上內(nèi)容，可進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生科研和解決實(shí)際問題的能力。

二、舉例分析如何在學(xué)科中設(shè)置研究型課題

(一)設(shè)定基于Zemax軟件的研究型課題

應(yīng)用光學(xué)、像差理論以及光學(xué)CAD課程設(shè)計(jì)等課程重在培養(yǎng)學(xué)生光學(xué)設(shè)計(jì)的能力，光學(xué)設(shè)計(jì)的目標(biāo)要求源于實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中的具體需求，與實(shí)際問題緊密聯(lián)系。Zemax作為輔助設(shè)計(jì)的軟件，通過其生動(dòng)的圖形設(shè)計(jì)界面，可讓學(xué)生對(duì)光學(xué)知識(shí)有一定的直觀了解，提高對(duì)課題學(xué)習(xí)的興趣。如在應(yīng)用光學(xué)中，可通過Zemax設(shè)計(jì)透鏡的幾何參數(shù)，然后計(jì)算物像距離，以及組合透鏡系統(tǒng)的成像特點(diǎn)；在學(xué)習(xí)像差理論時(shí)，可在Zemax中設(shè)置不同的像差，并在像面或軸向位置觀察不同像差對(duì)光線的影響以及實(shí)際圖像與理想的圖像的區(qū)別，讓學(xué)生更好地理解像差的作用；在光學(xué)CAD課程設(shè)計(jì)中，Zemax可用于優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)的幾何參數(shù)，可幫助學(xué)生理解各參數(shù)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響。

本文將工業(yè)雙遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)置為像差理論和光學(xué)CAD課程設(shè)計(jì)的研究型課題，雙遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)具有高分辨率、超寬景深、低畸變等獨(dú)特的光學(xué)特性被廣泛應(yīng)用到光電檢測(cè)和視覺測(cè)量中，其可對(duì)目標(biāo)物體的形為參數(shù)進(jìn)行高分辨非接觸檢測(cè)。將雙遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)作為研究型課題，可讓學(xué)生深入了解光學(xué)設(shè)計(jì)過程以及當(dāng)前熱門機(jī)械視覺中的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和大視場(chǎng)像差校正。雙遠(yuǎn)心鏡頭的設(shè)計(jì)方法通常有三種，第一，先設(shè)計(jì)一個(gè)像方遠(yuǎn)心系統(tǒng)，然后對(duì)優(yōu)化好的像方遠(yuǎn)心系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)稱變換，便可得到物方遠(yuǎn)心系統(tǒng)，將兩個(gè)系統(tǒng)組合，即可形成雙遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)；第二，分別設(shè)計(jì)像方遠(yuǎn)心系統(tǒng)和物方遠(yuǎn)心系統(tǒng)，組合兩個(gè)系統(tǒng)，形成雙遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)；第三，選取雙高斯結(jié)構(gòu)或反遠(yuǎn)距等光闌位于系統(tǒng)中部的普通成像系統(tǒng)作為初始結(jié)構(gòu)，對(duì)其優(yōu)化后，前半部分形成物方遠(yuǎn)心系統(tǒng)，后半部分形成像方遠(yuǎn)心系統(tǒng)，從而組合構(gòu)成雙遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)。不同的設(shè)計(jì)方法對(duì)像差校正的方式不同，學(xué)生可自由選擇設(shè)計(jì)方法。具體的設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：可見光波長(zhǎng)；物方線視場(chǎng)y/mm：60mm放大倍率：-0.18；系統(tǒng)總長(zhǎng)：<260mm;物距：100mm；F數(shù)：8；遠(yuǎn)心度：<0.02；畸變：<0.1%；MTF：>0.4(77.5 lp/mm)。由于該指標(biāo)中物方線視場(chǎng)較大，屬于寬光束，與光學(xué)CAD課程設(shè)計(jì)中主講的近軸光學(xué)系統(tǒng)像差校正方法不同，學(xué)生需深刻理解像差的定義和公式，然后根據(jù)公式研究高級(jí)球差、色球差的控制函數(shù)、寬光束子午慧差與場(chǎng)曲的控制函數(shù)、弧矢寬光束場(chǎng)曲的控制函數(shù)以及垂軸色差的控制函數(shù)。在該研究型課題中，學(xué)生可以深入理解像差產(chǎn)生的原因、對(duì)系統(tǒng)的影響以及如何校正像差，同時(shí)，掌握光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般過程，即根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)，計(jì)算并選取初始結(jié)構(gòu)，設(shè)置優(yōu)化函數(shù)，挑選優(yōu)化幾何參數(shù)，優(yōu)化后調(diào)整優(yōu)化函數(shù)以及需優(yōu)化的參數(shù)，直至獲得滿足設(shè)計(jì)要求的光學(xué)系統(tǒng)。

(二)設(shè)定基于Matlab軟件的研究型課題

在物理光學(xué)和信息光學(xué)這些課程中有很多繁瑣的理論公式和復(fù)雜的光場(chǎng)分布，學(xué)生在上理論課時(shí)很難理解并應(yīng)用這些公式，所以在教學(xué)時(shí)可通過Matlab軟件對(duì)課程中的經(jīng)典光學(xué)問題和案例進(jìn)行模擬仿真，并以圖片、動(dòng)畫和視頻等形式將結(jié)果展示給學(xué)生，從而提高教學(xué)效果。如在講授物理光學(xué)中衍射傳輸時(shí)，可用Matlab軟件模擬光束的傳輸過程以及任意位置處的光場(chǎng)分布；在講授信息光學(xué)中全息概念時(shí)，可用Matlab軟件模擬全息形成的過程以及如何從全息圖中解算相位信息。

上述的Matlab軟件的應(yīng)用都屬于強(qiáng)化知識(shí)訓(xùn)練，為設(shè)置研究型課題，需選擇當(dāng)前熱門、前沿的技術(shù)，本文選取基于結(jié)構(gòu)光的三維測(cè)量技術(shù)作為研究型課題，該技術(shù)服務(wù)于當(dāng)前熱門的人臉識(shí)別技術(shù)，如蘋果手機(jī)中的人臉識(shí)別。高精度、高靈敏的人臉識(shí)別技術(shù)主要采集的是人臉的三維輪廓信息，本文選用的基于結(jié)構(gòu)光的三維測(cè)量技術(shù)提取三維信息，為人臉識(shí)別提供數(shù)據(jù)。首先，需用Matlab軟件模擬成像過程，即通過投射結(jié)構(gòu)光到待測(cè)物體上，然后在反射方向用相機(jī)捕獲結(jié)構(gòu)光的圖像。由于待測(cè)物體表面的形貌，相機(jī)接收到的結(jié)構(gòu)光圖像會(huì)產(chǎn)生形變，通過形變量可提取三維形貌信息。求解三維形貌信息的方法有很多種，如四步移相、三步移相、彩色編碼等，具體方法可由學(xué)生自由選擇。在該研究型課題中，學(xué)生還需研究光場(chǎng)的傳輸、傅里葉透鏡的成像過程以及結(jié)構(gòu)光(全息圖的形成)等內(nèi)容。通過該課題，學(xué)生可深入理解衍射公式以及熟練Matlab軟件編程語言。

三、結(jié)語

研究型課題的引進(jìn)，是連接基礎(chǔ)知識(shí)與前沿技術(shù)的一個(gè)紐帶，它可以鞏固、加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)和能力，增強(qiáng)學(xué)生的觀察、動(dòng)手和思考能力。同時(shí)，該教學(xué)模式可以促進(jìn)學(xué)生從一個(gè)理論學(xué)習(xí)者向一個(gè)實(shí)踐應(yīng)用者轉(zhuǎn)變，增強(qiáng)學(xué)生面對(duì)現(xiàn)實(shí)問題時(shí)的應(yīng)對(duì)能力。該教學(xué)模式滿足社會(huì)對(duì)光學(xué)方面學(xué)生的需求，可培養(yǎng)符合時(shí)代發(fā)展的新型、研究能力強(qiáng)的光學(xué)人才。