光學(xué)信息處理課程教學(xué)改革思考

王本立

摘? 要：光學(xué)信息處理是一門理論性和應(yīng)用性都很強(qiáng)的課程。本文針對(duì)近年來(lái)該門課程在電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的教學(xué)活動(dòng)中發(fā)現(xiàn)的一些問(wèn)題，提出了一些針對(duì)性的改革措施，包括縮減部分光學(xué)信息處理課程和其他課程重復(fù)的內(nèi)容、增加虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、提高學(xué)生在課程中的參與度，以及加大課程的過(guò)程考核。通過(guò)這些措施的實(shí)施，有效地提高了教學(xué)效果，提升了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。

關(guān)鍵詞：光學(xué)信息處理? 教學(xué)改革? 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)? 過(guò)程考核

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）11（c）-0171-04

Thoughts on the Teaching Reform of Optical Information Processing Course

WANG Benli*

（College of Mathematics and Physics， Beijing University of Chemical Technology， Beijing， 100029 China）

Abstract： The optical information processing course is highly theoretical and practical.? Some related problems have been found in the teaching activities for electronic science and technology major in recent years. Reform measures including some deletions of this course， adding virtual simulation experiments， increasing student participation and course process assessment are proposed in this paper in order to address the problems. These measures effectively improve the teaching effect and the self-study ability of students.

Key Words： Optical information processing; Teaching reform; Virtual simulation experiment; Process assessment

光，對(duì)于地球生物來(lái)講，是非常重要的。我們每個(gè)人從一出生就開始接觸、觀察和利用光，比如反射現(xiàn)象、彩虹和海市蜃樓。人們?cè)谟^察和研究光的過(guò)程中，逐漸發(fā)展出了物理學(xué)的一個(gè)新的學(xué)科方向——光學(xué)。光學(xué)屬于物理學(xué)的一個(gè)重要學(xué)科分支，其發(fā)展不僅促進(jìn)了人們對(duì)光的本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，而且了衍生出一系列基于此的技術(shù)，對(duì)現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展具有重要的意義。特別是自從20世紀(jì)60年代初激光器的誕生以后，光學(xué)的發(fā)展進(jìn)入了新的時(shí)代，以激光器為基礎(chǔ)的光學(xué)研究成為了非常活躍的研究領(lǐng)域，形成了包括非線性光學(xué)、信息光學(xué)、量子光學(xué)等分支的現(xiàn)代光學(xué)[1-2]，而其應(yīng)用也已滲透到了許多領(lǐng)域，如通信、信息處理、工業(yè)生產(chǎn)、生物醫(yī)學(xué)、國(guó)防軍事等。進(jìn)入21世紀(jì)以后，光學(xué)在理論和應(yīng)用上都得到了迅速的發(fā)展，理論上形成了以微納光學(xué)為代表的新的學(xué)科分支[3-6]，同時(shí)也是非?；钴S的前沿研究領(lǐng)域;而實(shí)際應(yīng)用更是滲透到生活的方方面面，如隨處可見的掃碼技術(shù)。可以預(yù)見未來(lái)光學(xué)仍將是非?；钴S的學(xué)科方向，而其應(yīng)用也將會(huì)與我們的生活更加密切。

1? 改革背景

信息光學(xué)屬于現(xiàn)代光學(xué)的一個(gè)重要的學(xué)科分支，它是將應(yīng)用光學(xué)和信息科學(xué)相結(jié)合，采用信息學(xué)的方法研究光學(xué)問(wèn)題的學(xué)科。而對(duì)于光學(xué)信息處理這門課程來(lái)講，很容易看出來(lái)該門課程是講述采用某些方法對(duì)光學(xué)信息進(jìn)行處理的過(guò)程，因此該門課程的許多內(nèi)容和信息光學(xué)是一致的，只是側(cè)重點(diǎn)不同，光學(xué)信息處理課程強(qiáng)調(diào)的是光學(xué)信息處理的方法[7]。首先，我們簡(jiǎn)單回顧下光學(xué)信息處理的發(fā)展歷程。光學(xué)信息處理的早期發(fā)展可以追溯到1873年德國(guó)科學(xué)家阿貝的研究工作，即阿貝關(guān)于顯微鏡成像提出的二次成像理論，在該理論的基礎(chǔ)上，就有了著名的阿貝-波特實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了空間濾波;1935年，澤尼克發(fā)明了相襯顯微鏡，通過(guò)將相位分布轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度分布，使得相位物體可以被觀測(cè)到，利用空間濾波實(shí)現(xiàn)了相位分布到強(qiáng)度分布的轉(zhuǎn)換;近代，光學(xué)信息處理發(fā)展迅速，1948年，英國(guó)科學(xué)家丹尼斯提出了波陣面再現(xiàn)理論，即全息術(shù)的概念;1955年，光學(xué)傳遞函數(shù)的概念得以建立;1960年，激光器誕生;1963年，范德拉提出了復(fù)數(shù)空間濾波的概念，至此，光學(xué)信息處理開始進(jìn)入廣泛應(yīng)用的階段。20世紀(jì)80年代以后，光學(xué)信息處理進(jìn)入了新的發(fā)展階段，如光電混合系統(tǒng)、光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、全光計(jì)算等。

其次，我們來(lái)探討光學(xué)信息處理的課程內(nèi)容。該門課程包括以下內(nèi)容，首先為傅里葉光學(xué)基礎(chǔ)部分，該部分需要講授常用的幾個(gè)初等函數(shù)，包括它們的形式、特點(diǎn)和性質(zhì)，傅里葉變換理論、角譜理論以及透鏡的傅里葉變換性質(zhì)，前面兩小部分內(nèi)容偏數(shù)學(xué)，而后面兩小部分則為物理光學(xué)內(nèi)容，偏理論，也比較抽象;其次為經(jīng)典光學(xué)信息處理內(nèi)容，主要包括空間濾波技術(shù)、照相圖像的恢復(fù)，全息術(shù)等;再次為非相干光學(xué)信息處理部分，包括楊氏干涉儀和邁克爾遜干涉儀以及對(duì)應(yīng)的空間相干性和時(shí)間相干性，該部分屬于物理光學(xué)部分內(nèi)容，傅里葉變換光譜儀、消像素技術(shù)以及計(jì)算層析術(shù)等;接下來(lái)為光學(xué)圖像識(shí)別部分，主要介紹圖像識(shí)別技術(shù)、Vander Lugt相關(guān)器以及聯(lián)合變換相關(guān)器等內(nèi)容;再次為廣義傅里葉變換及其光學(xué)實(shí)現(xiàn)，包括廣義傅里葉變換的定義、性質(zhì)以及從光學(xué)設(shè)計(jì)上如何實(shí)現(xiàn)等內(nèi)容;再次為小波變換，類似的包括小波變換原理、光學(xué)實(shí)現(xiàn)方法等;再次為在光學(xué)信息處理中經(jīng)常用到的一種器件——空間光調(diào)制器，包括電尋址空間光調(diào)制器、光尋址空間光調(diào)制器以及分別對(duì)應(yīng)的常用幾種空間光調(diào)制器的原理、結(jié)構(gòu)等內(nèi)容;此外，在教材里面還介紹了光纖通信基礎(chǔ)、天文觀測(cè)中的光信息處理等內(nèi)容[7]。通過(guò)以上介紹，很容易發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)這么多年的發(fā)展，光學(xué)信息處理的內(nèi)容已經(jīng)非常豐富，而且還在不斷發(fā)展中，同時(shí)也可以看出來(lái)，如果只是從理論上去講授這些知識(shí)，很多內(nèi)容都比較抽象。

至此，我們已經(jīng)對(duì)光學(xué)信息處理的發(fā)展進(jìn)行了簡(jiǎn)單的回顧，也對(duì)光學(xué)信息處理課程內(nèi)容進(jìn)行了介紹。接下來(lái)我們將結(jié)合課程實(shí)際情況介紹課程改革的緣由。首先，我們?cè)撻T課程的授課對(duì)象是北京化工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)大三學(xué)生，學(xué)生們經(jīng)過(guò)大學(xué)前兩年的學(xué)習(xí)已經(jīng)有一定的課程基礎(chǔ)，但是一方面由于本專業(yè)不是物理類專業(yè)，所以學(xué)生們的光學(xué)知識(shí)的儲(chǔ)備還是略顯不足;另外一方面由于該門課程的相關(guān)課程應(yīng)用光學(xué)屬于專業(yè)選修課，因此學(xué)生們的相關(guān)知識(shí)基礎(chǔ)也是不同的。其次，通過(guò)前面課程內(nèi)容的講述，我們可以看出該門課程的內(nèi)容還是非常多的，然而我們課程的學(xué)時(shí)安排只有32學(xué)時(shí)，如何在這么短的時(shí)間內(nèi)讓學(xué)生掌握我們的課程內(nèi)容，就需要在教學(xué)過(guò)程不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、調(diào)整以及對(duì)課程進(jìn)行一些改革。再次，該門課程是以傅里葉光學(xué)為基礎(chǔ)，在這部分內(nèi)容里面，需要講解傅里葉變換以及空間分布和空間頻率分布的轉(zhuǎn)換[7-9]，這些內(nèi)容都比較抽象，學(xué)生理解較為困難，如何讓學(xué)生能夠更好地理解這些物理圖像對(duì)于教學(xué)效果來(lái)講是非常重要的。最后，從專業(yè)培養(yǎng)的角度來(lái)講，我們希望培養(yǎng)面向未來(lái)的光電復(fù)合型人才;而從我們學(xué)生的實(shí)際就業(yè)情況來(lái)看，我們專業(yè)的學(xué)生有許多也進(jìn)入了光學(xué)相關(guān)的企業(yè)，如京東方。因此，從課程需求來(lái)講，該門課程是非常重要的，同時(shí)也需要面向未來(lái)不斷進(jìn)行改進(jìn)?？傊?，不管是從實(shí)際教學(xué)角度，還是面向未來(lái)培養(yǎng)高素質(zhì)的科學(xué)素養(yǎng)人才的角度，都需要課程不斷進(jìn)行改革，教學(xué)現(xiàn)代化，以求取更好的教學(xué)效果。

2? 改革原則和目標(biāo)

2.1 從光學(xué)信息處理課程的特點(diǎn)出發(fā)，解決好兩個(gè)基本問(wèn)題

進(jìn)行該門課程改革的目的，是提高教學(xué)效果，培養(yǎng)面向未來(lái)的具有高科學(xué)素養(yǎng)的人才。我們需要努力解決好該門課程需要面對(duì)的兩個(gè)基本問(wèn)題，首先是該門課程內(nèi)容的選擇和有限的課時(shí)安排導(dǎo)致的問(wèn)題，其次是部分學(xué)生相關(guān)知識(shí)積累可能不足的問(wèn)題。

光學(xué)信息處理屬于現(xiàn)代光學(xué)的一個(gè)分支，需要學(xué)生具有一定的應(yīng)用光學(xué)和傅里葉光學(xué)基礎(chǔ)，課程內(nèi)容豐富，涉及到了許多實(shí)際的光學(xué)應(yīng)用，如空間濾波、全息術(shù)、指紋識(shí)別等，這樣也導(dǎo)致課程內(nèi)容分散，不易形成一個(gè)完整的體系。因此，在課程改革過(guò)程中，既要重視基礎(chǔ)的推演和分析，如傅里葉光學(xué)的基礎(chǔ)和簡(jiǎn)單的幾何光路分析，又要總結(jié)和歸納，將4-f系統(tǒng)作為一條基本的線，將課程系統(tǒng)化。此外，注重講解課程的基礎(chǔ)知識(shí)和難點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生掌握分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，而對(duì)于部分課程內(nèi)容，如原理和技術(shù)手段相同，只是應(yīng)用實(shí)例不同，可以留給學(xué)生自己學(xué)習(xí)。這樣我們就可以解決好上述兩個(gè)基本問(wèn)題。

2.2 以學(xué)為主，注重過(guò)程考核

光學(xué)信息處理課程既是電子科學(xué)與技術(shù)的專業(yè)課，又是擴(kuò)展學(xué)生工程實(shí)踐見識(shí)的基礎(chǔ)課。在課程活動(dòng)中，要將傳統(tǒng)上的以教為主，轉(zhuǎn)化為以學(xué)為主，加強(qiáng)學(xué)生課程活動(dòng)中的參與度，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。

3? 改革內(nèi)容

在具體的教學(xué)活動(dòng)的開展過(guò)程中，我們進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的探索。

（1）考慮到該課程需要在短短的32個(gè)學(xué)時(shí)內(nèi)完成，在保證課程的培養(yǎng)目標(biāo)的前提下，我們將課程內(nèi)容安排做了一些調(diào)整，首先傅里葉光學(xué)基礎(chǔ)部分的內(nèi)容需要6個(gè)學(xué)時(shí)來(lái)完成，在這部分授課過(guò)程中，強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)和應(yīng)用，淡化數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)，重視物理概念的理解。通過(guò)這一部分課程的學(xué)習(xí)，使得學(xué)生都能滿足課程的知識(shí)要求。此外，在課程內(nèi)容上，考慮到有限的學(xué)時(shí)和教材部分內(nèi)容與其他課程的重復(fù)，我們將廣義傅里葉變換、光纖通信等章節(jié)作為選學(xué)自修內(nèi)容，這樣一方面可以保證我們整個(gè)課程內(nèi)容具有充足的時(shí)間，另外一方面由于給基礎(chǔ)內(nèi)容留下較多的時(shí)間，這樣可以強(qiáng)化學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下牢固的基礎(chǔ)。

（2）光學(xué)信息處理課程如果只進(jìn)行理論授課，許多概念往往比較抽象，學(xué)生掌握起來(lái)比較困難，比如該課程中非常重要的光學(xué)系統(tǒng)4-f系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)我們可以實(shí)現(xiàn)物的空間分布到空間頻率分布，再回到空間分布的轉(zhuǎn)換，學(xué)生可能從理論上理解了這種轉(zhuǎn)換，然而在實(shí)際應(yīng)用時(shí)往往并不能很好地掌握這其中的物理圖像。為了使學(xué)生更好地掌握該課程的內(nèi)容，如空間頻率分布的形式、空間濾波等，該門課程應(yīng)該增加專門的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，這樣便能夠直觀地觀測(cè)各種現(xiàn)象，也能夠更深刻地理解光學(xué)信息處理涉及的物理概念和方法。但是，由于我校電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)進(jìn)度等客觀原因，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目還無(wú)法開放。結(jié)合實(shí)際情況，考慮到本專業(yè)的仿真實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)建設(shè)完成，為了更好地促進(jìn)學(xué)生的理解，我們將6個(gè)學(xué)時(shí)專門分配給仿真實(shí)驗(yàn)的開展。仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要是完成空間濾波實(shí)驗(yàn)，包括阿貝實(shí)驗(yàn)?zāi)M以及其他的空間濾波實(shí)驗(yàn)，學(xué)生需要自己完成濾波器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，以及最終完成整個(gè)濾波器實(shí)驗(yàn)的模擬。此外，我們還嘗試在課程中引入更多的仿真實(shí)驗(yàn)，當(dāng)然在不增加課程總學(xué)時(shí)的前提下，我們引入的其他的仿真實(shí)驗(yàn)可以以作業(yè)形式留給學(xué)生自己完成。考慮到這一情況，我們的仿真實(shí)驗(yàn)安排在課程中進(jìn)行，即講完經(jīng)典光學(xué)信息處理以后，我們就先開展仿真實(shí)驗(yàn)，這樣學(xué)生可以提前熟悉仿真實(shí)驗(yàn)的流程，也方便自己完成其他的仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

（3）作為大三的專業(yè)課程，我們不只需要培養(yǎng)學(xué)生掌握課程內(nèi)的內(nèi)容，而且需要培養(yǎng)學(xué)生文獻(xiàn)查閱、整理以及自主學(xué)習(xí)的能力。在課程中，我們會(huì)根據(jù)課程的進(jìn)度，安排學(xué)生分組查詢相關(guān)技術(shù)的最新發(fā)展，最后以小組報(bào)告的形式在課上展示給大家。同時(shí)，我們加強(qiáng)了過(guò)程考核，增加了平時(shí)成績(jī)所占比例，通過(guò)平時(shí)課程的作業(yè)，加強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意識(shí)，逐步地將以教為主，向以學(xué)為主轉(zhuǎn)換。

4? 教學(xué)效果分析

為了了解我們?cè)诠鈱W(xué)信息處理課程中所進(jìn)行的一些改革探索的效果，以及在后續(xù)的課程中更有針對(duì)性地進(jìn)行一些課程探索，以更好地提高教學(xué)效果，我們分別對(duì)2017年、2018年和2019年該門課程的成績(jī)進(jìn)行了分析。首先，我們來(lái)看下該門課程的選課情況，2017年該門課程的選課人數(shù)為69，2018年的選課人數(shù)為66，2019年的選課人數(shù)為61，此3年該門課程的選課人數(shù)都超過(guò)了整個(gè)專業(yè)人數(shù)的50%，在實(shí)際教學(xué)活動(dòng)中，每年都有個(gè)別學(xué)生因?yàn)楦鞣N原因沒(méi)有參加實(shí)際教學(xué)活動(dòng)或考試，剔除掉這部分學(xué)生以后，2017年的有效學(xué)生人數(shù)為66，2018年的有效學(xué)生人數(shù)為65，2019年有效學(xué)生人數(shù)為59，在后續(xù)的分析中，我們以有效學(xué)生人數(shù)為準(zhǔn)。從整體選課情況來(lái)看，學(xué)生對(duì)課程還是比較認(rèn)可的。其次，我們來(lái)說(shuō)明下這3年該門課程的考核形式，為了強(qiáng)調(diào)過(guò)程考核，該3年我們過(guò)程考核所占成績(jī)比例都為40%，最終考試所占成績(jī)比例為60%，2017年和2018年過(guò)程考核形式相同，成績(jī)主要由各種作業(yè)和課堂表現(xiàn)決定，而在2019年我們引入了仿真實(shí)驗(yàn)，這部分也納入到了過(guò)程考核中。該3年的期末考試內(nèi)容難易程度相當(dāng)，都是適中的，主要考察學(xué)生對(duì)基本知識(shí)和方法的掌握。最后，我們來(lái)對(duì)3年的課程成績(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，2017年和2019年平均成績(jī)都在74分左右，2018年的平均成績(jī)?yōu)?0分，2018年的平均分偏低一些的原因是個(gè)別同學(xué)雖然在我們的有效計(jì)算人數(shù)內(nèi)，但是卷面成績(jī)幾乎為0分，我們預(yù)期平均分在78分左右，基本達(dá)到了我們的預(yù)期;此外我們對(duì)優(yōu)秀率也進(jìn)行了分析，2017年為7人，占比為10.6%，2018年為6人，占比為9.2%，2019年為11人，占比到達(dá)了18.6%，2019年優(yōu)秀率為2018年的兩倍多，和2017年相比也幾乎達(dá)到兩倍。由此，我們可以看出，我們?cè)谡n程中進(jìn)行的一些改革探索，還是比較成功，首先學(xué)生對(duì)該門課程是認(rèn)可的，作為電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的光學(xué)類課程，選課人數(shù)超過(guò)了專業(yè)人數(shù)的一半;其次，課程成績(jī)的效果也是比較明顯地，特別是在2019年，我們將仿真實(shí)驗(yàn)引入了課程中，效果是非常明顯的。

5? 結(jié)語(yǔ)

總之，不管是從我們培養(yǎng)面向未來(lái)人才的目的來(lái)講，還是從社會(huì)發(fā)展的角度來(lái)講，我們的授課方式和授課內(nèi)容都是需要不斷調(diào)整，當(dāng)然課程改革屬于系統(tǒng)性的工程，也需要更多的實(shí)踐去驗(yàn)證和支持，未來(lái)針對(duì)光學(xué)信息處理課程我們將進(jìn)一步嘗試改革，特別是建立更多的仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，平衡理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)系，進(jìn)一步提高教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 鐘錫華.現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)[M].2版.北京：北京大學(xué)出版社，2012.

[2] B. D. Guenther. Modern Optics[M].Second Edition.USA：Oxford University Press，2018：1-736.

[3] 田澤安，白愛芳.微納光學(xué)器件的研究進(jìn)展[J].貴州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2018，35（6）：20-26.

[4] 謝洪洋，余曉暢，高麒淦，等.自組裝膠體晶體在微納光學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2019，56（23）：230001.

[5] 陳珊珊，劉幸，劉之光，等.基于聚焦離子束納米剪紙/折紙形變的三維微納制造技術(shù)及其光學(xué)應(yīng)用[J].物理學(xué)報(bào)，2019，68（24）：248101.

[6] S.Guillaume.Nano-optics： Launching plasmons with molecules[J].Nature Photonics，2016，10（4）：208-209.

[7] 宋菲君.近代光學(xué)信息處理[M].2版.北京：北京大學(xué)出版社，2014.

[8] 徐德芹，屠煒巍.淺析傅里葉變換在信息光學(xué)中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2018（26）：157-158.

[9] 張書赫，邵夢(mèng)，張盛昭，等.傅里葉域中的光線[J].物理學(xué)報(bào)，2019，68（21）：214202.