提升“光電檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)質(zhì)量的探索
——以“薄透鏡光學(xué)傳遞函數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)”為例

葉劍鋒，蔣峰建，焦 錚

（黃山學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 黃山 254041）

1 引 言

光電檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)是《光電檢測(cè)技術(shù)》課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)[1]。通過實(shí)驗(yàn)學(xué)生不但可以從中驗(yàn)證理論，還可以鍛煉動(dòng)手能力和創(chuàng)新性思維。目前我校光電檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)作為一個(gè)單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)課程總共開設(shè)了6個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，共18個(gè)學(xué)時(shí)。現(xiàn)有的教學(xué)模式還是采用傳統(tǒng)的方法，先由老師進(jìn)行演示，學(xué)生直接按照演示過程進(jìn)行，讓學(xué)生按照老師的思路完成一些驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)。這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法陳舊，在實(shí)驗(yàn)中學(xué)生學(xué)習(xí)處于被動(dòng)狀態(tài)，基本上不用思考，更談不上創(chuàng)新，以至于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課毫無興趣，不符合校應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求[2-4]。為此對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的綜合設(shè)計(jì)性方面進(jìn)行了探索。

本文以薄透鏡的光學(xué)傳遞函數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)為例展開。以此為例是因?yàn)樽鳛閷?duì)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量評(píng)價(jià)的指標(biāo)，光學(xué)傳遞函數(shù)（Optical Transfer Function，OTF）能夠直接方便地進(jìn)行測(cè)量[5]。此個(gè)例在光電檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)中具有一定的代表性。

2 “薄透鏡光學(xué)傳遞函數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)”教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段，先要求學(xué)生自行分成若干小組。為了給學(xué)生留出足夠的探索空間，教師僅給出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求。指導(dǎo)教師在實(shí)驗(yàn)之前通過班級(jí)群組的方式將光學(xué)傳遞函數(shù)實(shí)驗(yàn)的背景與意義、基本原理、實(shí)驗(yàn)室可提供的相關(guān)器材和測(cè)量軟件、實(shí)驗(yàn)需要達(dá)到的目標(biāo)發(fā)布給學(xué)生。此環(huán)節(jié)中需要給學(xué)生指出平時(shí)所說的光學(xué)傳遞函數(shù)（OTF）往往是指調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）。

2.1.1 實(shí)驗(yàn)光路設(shè)計(jì)

依據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖1 所示，要求學(xué)生在充分理解實(shí)驗(yàn)原理前提下，能夠利用實(shí)驗(yàn)室提供的器材，精心設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)光路結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)的光路中應(yīng)解決以下幾個(gè)問題：通過哪些光學(xué)器件產(chǎn)生所需平行光？什么器件可作為光路中的物？數(shù)據(jù)又通過哪些電子設(shè)備采集并處理？

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

2.1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量步驟設(shè)計(jì)

為了能夠有效并準(zhǔn)確地測(cè)量出薄透鏡在不同空間頻率下的兩個(gè)方向（子午方向和弧矢方向）的MTF，提醒學(xué)生在設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)步驟中要體現(xiàn)出如下幾個(gè)節(jié)點(diǎn)。

1.共軸等高：所需實(shí)驗(yàn)器材在導(dǎo)軌上安裝完畢后，要檢查各個(gè)器材是否在同一個(gè)水平直線上。

2.清晰成像：對(duì)光柵校對(duì)，在計(jì)算機(jī)上能否見到清晰的光柵成像，如圖2所示。

圖2 光柵成像采集圖

3.測(cè)量目標(biāo)：要對(duì)空間頻率分別為2lp/mm（線對(duì)/毫米）、10lp/mm、25lp/mm和50lp/mm的矩形光柵分別測(cè)量子午方向和弧矢方向的MTF。

最終實(shí)驗(yàn)前兩天要求學(xué)生在線提交一份實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)報(bào)告給指導(dǎo)教師檢查，檢查通過方可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室開展實(shí)驗(yàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)實(shí)施操作階段

通過方案的實(shí)施，能夠培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際能力。學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)光路和實(shí)驗(yàn)步驟，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，開展實(shí)驗(yàn)研究。學(xué)生如果在實(shí)驗(yàn)中遇到問題，先自行思考并解決，教師只起指導(dǎo)作用，一般不直接幫助解決問題。

2.3 實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫階段

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集完成后，要求學(xué)生整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并利用相關(guān)的軟件（Excel 或Origin）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，而后完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫。其中重點(diǎn)是在報(bào)告中要充分對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)：是否根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)儀器參數(shù)模擬出薄透鏡的MTF 曲線（推薦使用ZEMAX 軟件）；是否分析出影響測(cè)量精度的主要原因有哪些；對(duì)如何進(jìn)一步提高測(cè)量精度還可以做哪些改進(jìn)。通過實(shí)驗(yàn)報(bào)告中以上幾個(gè)方面的思考和撰寫，不僅能鍛煉學(xué)生的文字表達(dá)能力，也鍛煉了學(xué)生的科學(xué)思維能力。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

3.1 效果評(píng)價(jià)反饋

通過問卷調(diào)查和隨機(jī)訪談的方式[6]，對(duì)我校2016 級(jí)光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的75 位參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生進(jìn)行調(diào)查。學(xué)生普遍反映整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程豐富且具有挑戰(zhàn)性。參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生在課前認(rèn)真準(zhǔn)備，實(shí)驗(yàn)過程中積極主動(dòng)參與動(dòng)手，通過實(shí)驗(yàn)不僅提高了將前期知識(shí)綜合運(yùn)用能力，還提高了自身的科研素養(yǎng)。如表1顯示90%以上的學(xué)生認(rèn)為通過實(shí)驗(yàn)自己在學(xué)習(xí)科研能力等方面都有了顯著的提升。

表1 實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)表

3.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果展示

將2016 級(jí)同學(xué)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告對(duì)比往年學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告可以發(fā)現(xiàn)，不僅從整個(gè)報(bào)告構(gòu)架還是實(shí)驗(yàn)分析討論質(zhì)量上都有了很大的提升。以往的同學(xué)寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告不知道怎么寫，尤其是實(shí)驗(yàn)誤差分析討論寥寥幾行字。而通過團(tuán)隊(duì)參與設(shè)計(jì)討論并自己動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的同學(xué)明顯有了很大的改善。圖3和表2、表3 展示了學(xué)生利用ZEMAX 軟件根據(jù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)模擬出理論值。提出了引起實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差的主要原因是視場角，并且計(jì)算出誤差百分比。而且對(duì)實(shí)驗(yàn)的誤差原因有了較為清楚的認(rèn)識(shí)，在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中也提出了相應(yīng)提高測(cè)量精度的方法。

圖3 ZEMAX擬合結(jié)果

表2 透鏡（焦距110mm）誤差比

表3 透鏡（焦距190mm）誤差比

4 結(jié) 語

光學(xué)傳遞函數(shù)的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)收到了良好的教學(xué)效果，培養(yǎng)了學(xué)生綜合能力，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。在今后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中將進(jìn)一步改進(jìn)，在廣度上應(yīng)該推廣至其它的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，而在深度上應(yīng)不斷推陳出新，在考核機(jī)制上再做進(jìn)一步的有效性創(chuàng)新改革。