信息光學(xué)綜合實(shí)踐課程在應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)中的探索

李珂　曹?chē)?guó)洋　王前　李成金

摘 要 信息光學(xué)綜合實(shí)踐課程配合“信息光學(xué)”課程的理論部分進(jìn)行專業(yè)實(shí)踐訓(xùn)練。該課程旨在提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，順應(yīng)應(yīng)用型本科人才的培養(yǎng)需求。本文通過(guò)闡述信息光學(xué)綜合實(shí)踐課程的實(shí)施背景，提出設(shè)置該課程的原則和方法，以兩個(gè)實(shí)例探討了信息光學(xué)綜合實(shí)踐課程對(duì)人才培養(yǎng)的重要作用，對(duì)于光電信息專業(yè)相關(guān)課程的教學(xué)改革具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞 信息光學(xué) 應(yīng)用型人才培養(yǎng) 教學(xué)改革

中圖分類(lèi)號(hào)：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2021.02.029

Exploration of Information Optics Comprehensive Practice Course in the Cultivation of Applied Undergraduate Talents

LI Ke[1]， CAO Guoyang[2]， WANG Qian[1]， LI Chengjin[1]

（[1] Wenzheng College of Soochow University， Suzhou， Jiangsu 215104;

[2] School of Science， Jiangnan University， Wuxi， Jiangsu 214122）

Abstract The comprehensive practice course of information optics is combined with the theoretical part of information optics to carry out professional practice training. The purpose of this course is to improve the comprehensive quality of students and meet the training needs of application-oriented undergraduate talents. This paper expounds the implementation background of information optics comprehensive practice course， puts forward the principles and methods of setting the course， and discusses the important role of information optics comprehensive practice course in personnel training with two examples， which has a certain guiding significance for the teaching reform of photoelectric information professional courses.

Keywords information optics; applied talents training; teaching reform

0 前言

“信息光學(xué)”是光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的一門(mén)專業(yè)核心課程。教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生在熟練運(yùn)用傅里葉變換的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步掌握光的標(biāo)量衍射理論在信息處理中的作用和計(jì)算方法，具有分析評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)的能力。這門(mén)課程結(jié)合了應(yīng)用光學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息科學(xué)相關(guān)知識(shí)，是學(xué)生進(jìn)一步深入圖像處理、全息技術(shù)、光纖通信等領(lǐng)域的堅(jiān)實(shí)階梯。對(duì)提高學(xué)生分析解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的世界觀和創(chuàng)新能力，以及畢業(yè)后繼續(xù)深造進(jìn)行前沿的科學(xué)研究或是從事光電技術(shù)、光學(xué)設(shè)計(jì)、圖像處理等領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)工作奠定基礎(chǔ)。

1 進(jìn)行課程綜合實(shí)踐改革的背景

“信息光學(xué)”課程專業(yè)性強(qiáng)，對(duì)于普通光學(xué)和高等數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)要求較高，理論水準(zhǔn)具有足夠的深度。它要求學(xué)生熟練掌握傅里葉積分變換，將光學(xué)成像過(guò)程從線性系統(tǒng)的觀點(diǎn)的來(lái)分析它的信息傳遞機(jī)制，利用光學(xué)方法進(jìn)行信息處理、計(jì)算和存儲(chǔ)。其教學(xué)內(nèi)容既強(qiáng)調(diào)一定深度的基礎(chǔ)理論，又注重介紹該領(lǐng)域的前沿應(yīng)用成果。[1]

作為應(yīng)用型本科院校，光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)有著自己的特色，以筆者所在的蘇州大學(xué)文正學(xué)院為例，它不僅要求經(jīng)過(guò)四年專業(yè)訓(xùn)練后的本科生掌握本學(xué)科的基本知識(shí)和理論體系，還要結(jié)合長(zhǎng)三角地區(qū)的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)在光電及相關(guān)領(lǐng)域企業(yè)的人才市場(chǎng)需求，使學(xué)生具備一定的實(shí)踐與應(yīng)用能力。學(xué)生畢業(yè)時(shí)不僅能有相當(dāng)比例的學(xué)生能進(jìn)一步在學(xué)科深造考取研究生，還要求能夠在光電技術(shù)、信息處理、圖像處理、光學(xué)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域從事專業(yè)技術(shù)工作。我們總結(jié)為“厚基礎(chǔ)、寬口徑、重實(shí)踐”的培養(yǎng)模式。[2]

雖然這門(mén)課非常重要，但在實(shí)際的課堂教學(xué)中，傳統(tǒng)的教學(xué)方式面臨著許多問(wèn)題。例如：課程內(nèi)容偏重于基礎(chǔ)理論，在學(xué)生的數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)水平參差不齊的情況下，大量復(fù)雜的積分公式和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，使得學(xué)生對(duì)各公式的本質(zhì)含義缺乏理解，學(xué)習(xí)的興趣和信心不足。在共計(jì)51個(gè)課時(shí)的有限時(shí)間內(nèi)，教學(xué)方法單一，授課內(nèi)容無(wú)法與現(xiàn)代科技前沿、產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀有效結(jié)合，偏離實(shí)際生活和社會(huì)問(wèn)題，學(xué)生很難體會(huì)到“信息光學(xué)”作為一門(mén)技術(shù)專業(yè)課程的意義，對(duì)學(xué)生未來(lái)的發(fā)展也缺乏指導(dǎo)。因此需要通過(guò)改進(jìn)教學(xué)方法，應(yīng)用新的教學(xué)手段，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，提升教學(xué)效果。[3-5]

2 進(jìn)行課程綜合實(shí)踐的原則和方法

結(jié)合上述背景分析，專門(mén)針對(duì)“信息光學(xué)”這門(mén)純理論課程開(kāi)設(shè)相應(yīng)的綜合實(shí)踐課程是很有必要的。首先，綜合實(shí)踐課程的內(nèi)容必須是能夠激發(fā)學(xué)習(xí)興趣的;其次，應(yīng)符合課程教學(xué)任務(wù)需求;并且，符合科技發(fā)展和行業(yè)現(xiàn)狀的特色。為此，可總結(jié)為綜合實(shí)踐課程應(yīng)具備三個(gè)原則：注重理論與實(shí)踐和結(jié)合，注重緊密聯(lián)系科學(xué)和產(chǎn)業(yè)前沿，注重滲透交叉學(xué)科培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

2.1 ?注重理論與實(shí)踐和結(jié)合

信息光學(xué)綜合實(shí)踐課程需要以“信息光學(xué)”課程的內(nèi)容為理論基礎(chǔ)，要涵蓋二維線性系統(tǒng)分析、標(biāo)量衍射理論、光學(xué)成像系統(tǒng)的頻率特性、部分相干理論和空間濾波的基本原理等內(nèi)容;教學(xué)內(nèi)容設(shè)置應(yīng)以課程知識(shí)點(diǎn)為核心，多角度展開(kāi)綜合實(shí)踐，覆蓋“信息光學(xué)”理論課的核心知識(shí)點(diǎn)，達(dá)到夯實(shí)課堂理論基礎(chǔ)的目的。

2.2 ?注重緊密聯(lián)系科學(xué)和產(chǎn)業(yè)前沿

“信息光學(xué)”是近60年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興學(xué)科，它傳統(tǒng)的波動(dòng)光學(xué)中脫穎而出。加上數(shù)學(xué)中的傅里葉變換和通信中的線性系統(tǒng)理論使光學(xué)和通信這兩個(gè)不同的領(lǐng)域信息學(xué)范疇內(nèi)統(tǒng)一了起來(lái)，從空域走向頻域。近年來(lái)，信息光學(xué)在光學(xué)互聯(lián)、三維成像系統(tǒng)、光學(xué)三維傳感、光學(xué)新材料和裝置等前沿領(lǐng)域十分活躍。因此配套的綜合實(shí)踐課程設(shè)置應(yīng)緊密?chē)@未來(lái)科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)領(lǐng)域，緊密聯(lián)系信息光學(xué)中的產(chǎn)業(yè)前沿和學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)，使學(xué)生們體會(huì)到學(xué)以致用的成就感和樂(lè)趣，為今后繼續(xù)深造或擇業(yè)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.3 注重滲透交叉學(xué)科培養(yǎng)創(chuàng)新能力

信息光學(xué)綜合實(shí)踐課程對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)是全方位的，課程的實(shí)施將調(diào)動(dòng)起學(xué)生對(duì)于光學(xué)精密實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的準(zhǔn)確操作、調(diào)動(dòng)起學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的熟練運(yùn)用、調(diào)動(dòng)起對(duì)其他相關(guān)課程知識(shí)點(diǎn)的運(yùn)用。充分體會(huì)到“信息光學(xué)”不是一門(mén)孤立的純理論課程，而是結(jié)合了信息科學(xué)、電子信息技術(shù)和圖像處理等學(xué)科，在日常生活、經(jīng)濟(jì)發(fā)展甚至國(guó)防安全等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。

3 課程綜合實(shí)踐案例

依據(jù)以上三個(gè)原則，在貫徹“厚基礎(chǔ)、寬口徑、重實(shí)踐”的培養(yǎng)模式下，信息光學(xué)綜合實(shí)踐課程將依托實(shí)體實(shí)驗(yàn)室和數(shù)字實(shí)驗(yàn)室兩個(gè)平臺(tái)進(jìn)行課程的實(shí)施。本文遴選該課程中諸多實(shí)踐專題中的兩個(gè)實(shí)例分別說(shuō)明在這兩個(gè)平臺(tái)下的信息光學(xué)綜合實(shí)踐的具體內(nèi)容和任務(wù)。

3.1 彩虹全息與防偽技術(shù)

任務(wù)設(shè)置背景：現(xiàn)如今，防偽標(biāo)簽已經(jīng)走入了我們的生活，但是防偽標(biāo)簽僅僅是為了防偽嗎？事實(shí)上不僅如此，對(duì)于不同的商品所需要的功能是不同的，像保健品、進(jìn)口高檔食品、酒類(lèi)等，一般會(huì)傾向于選擇高檔的防偽標(biāo)簽，提升產(chǎn)品的檔次。針對(duì)這類(lèi)商品，設(shè)計(jì)推薦有科技含量的高端防偽標(biāo)簽。不僅防偽功能強(qiáng)大，還有絢爛的外觀，給客戶留下深刻的印象。彩虹全息防偽碼就是檔次較高的防偽標(biāo)簽的代表。

任務(wù)實(shí)踐內(nèi)容：在實(shí)體實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)參考實(shí)驗(yàn)教程，自行選擇光學(xué)元件、調(diào)整光路與光束比、進(jìn)行曝光記錄、對(duì)干板進(jìn)行顯影定影，最終在白光下再現(xiàn)其像。實(shí)現(xiàn)彩虹全息可采用兩步彩虹全息法或一步彩虹全息法，各有優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。此項(xiàng)實(shí)踐任務(wù)學(xué)生將通過(guò)調(diào)研文獻(xiàn)、參考教程、動(dòng)手操作、進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)總結(jié)，最終形成實(shí)踐報(bào)告。鞏固信息光學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，了解全息技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。

3.2 ?用于光束整形的衍射光學(xué)元件設(shè)計(jì)

任務(wù)設(shè)置背景：用于光束整形衍的射光學(xué)元件是在透明基片上刻蝕所設(shè)計(jì)好的深淺不一的浮雕結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)入射光束波前的調(diào)制將入射能量為高斯分布的激光束整形為能量分布均勻的平頂光斑。光斑的形狀可以是圓形、正方形、矩形、橢圓形等等，光斑的尺寸可以幾毫米到十幾微米。在激光加工、醫(yī)療器械、國(guó)防裝備等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。

任務(wù)實(shí)踐內(nèi)容：在虛擬實(shí)驗(yàn)室，利用MATLAB計(jì)算仿真平臺(tái)，通過(guò)對(duì)Gerchberg-Saxton （GS） 算法的學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的衍射光學(xué)元件。在這個(gè)仿真設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要準(zhǔn)確的描述入射光場(chǎng)并對(duì)其進(jìn)行滿足奈奎斯特定理的離散采樣，然后通過(guò)恰當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)置進(jìn)行迭代計(jì)算，最后對(duì)頻譜面的光斑強(qiáng)度分析和質(zhì)量評(píng)價(jià)。此項(xiàng)實(shí)踐任務(wù)不僅很好的結(jié)合信息光學(xué)知識(shí)和編寫(xiě)代碼能力，而且目標(biāo)任務(wù)可靈活多樣化，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

4 問(wèn)題與結(jié)論

信息光學(xué)綜合實(shí)踐課程作為“信息光學(xué)”配套的實(shí)踐類(lèi)課程是對(duì)理論知識(shí)的充分鞏固和應(yīng)用，注重引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與、積極協(xié)作、探索創(chuàng)新。然而，實(shí)踐內(nèi)容的設(shè)置應(yīng)多樣化并層次分明，需要充分結(jié)合學(xué)生的實(shí)際的能力和水平，做到因材施教，學(xué)以致用。本課程有效彌補(bǔ)課堂教學(xué)時(shí)間的不足，塑造了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。在實(shí)戰(zhàn)演練中培養(yǎng)了學(xué)生分析解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力。它的開(kāi)設(shè)為培養(yǎng)合格的專業(yè)技術(shù)人才提供了必備的理論基礎(chǔ)和基本的實(shí)踐技能，而且對(duì)大學(xué)生深造和就業(yè)有很好的促進(jìn)作用。

基金項(xiàng)目：1.江蘇省教育廳、江蘇省高?！扒嗨{(lán)工程”項(xiàng)目資助蘇教師[2018]第12號(hào)。2.江蘇省高等教育學(xué)會(huì)應(yīng)用型本科院校研究會(huì)，項(xiàng)目名稱：基于“基礎(chǔ)引領(lǐng)、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、專創(chuàng)融合”的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式研究與實(shí)踐，項(xiàng)目編號(hào)：2019yz09

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