淺談在工程光學(xué)教學(xué)中引入光學(xué)仿真的教改方法

覃翠 張健

【摘要】工程光學(xué)是光電信息科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課。根據(jù)課程的內(nèi)容、性質(zhì)和特點(diǎn)，本文結(jié)合教學(xué)經(jīng)驗(yàn)提出在工程光學(xué)的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)之間引入光學(xué)仿真的教改方法。加強(qiáng)直觀(guān)教學(xué)，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和有效性，以及培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。

【關(guān)鍵詞】工程光學(xué) 光學(xué)仿真 教學(xué)改革

【中圖分類(lèi)號(hào)】O435.1 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2015）14-0070-01

1、引言

光電信息科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)是由光學(xué)、光電子、微電子等技術(shù)結(jié)合而成的多學(xué)科綜合技術(shù)專(zhuān)業(yè)。為了培養(yǎng)學(xué)生在光電信息工程領(lǐng)域具有光纖傳輸系統(tǒng)與光電傳感技術(shù)、光電檢測(cè)與控制技術(shù)、信息光電子應(yīng)用技術(shù)與光電圖像處理技術(shù)等方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。光電信息科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)所開(kāi)設(shè)的課程包括工程光學(xué)、光電子技術(shù)、信息光學(xué)、光纖通信技術(shù)、激光原理與器件等基礎(chǔ)課[1]。

工程光學(xué)是光電信息科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的必修基礎(chǔ)課，也是光學(xué)設(shè)計(jì)、光電檢測(cè)、光學(xué)測(cè)量和光電成像技術(shù)等其他專(zhuān)業(yè)課的先修課程，所以課程在學(xué)科中的地位極其重要。通過(guò)這門(mén)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能對(duì)光學(xué)的基本概念、基本原理和典型光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有較為深刻的認(rèn)識(shí)，為學(xué)生今后學(xué)習(xí)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、光信息理論和從事光學(xué)研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[2-3]。工程光學(xué)是本專(zhuān)業(yè)學(xué)生所接觸的第一門(mén)光學(xué)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，由于課程具有知識(shí)點(diǎn)多，理論性強(qiáng)，公式多等特點(diǎn)，讓學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)難以理解通透，并且感到乏味。為了提高教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)能力，有必要對(duì)該門(mén)課程的教學(xué)方法做出適當(dāng)?shù)母母?。該門(mén)課程傳統(tǒng)的教學(xué)方法是講授法，我們?cè)诮淌诜ǖ幕A(chǔ)上引入了對(duì)光學(xué)的基本原理和基本現(xiàn)象進(jìn)行仿真模擬的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生在仿真模擬中對(duì)課程里重要的公式內(nèi)涵有更深刻的理解以及對(duì)一些重要光學(xué)現(xiàn)象有直觀(guān)認(rèn)識(shí)。

2、仿真模擬的教學(xué)內(nèi)容

工程光學(xué)的內(nèi)容包含兩部分：應(yīng)用光學(xué)和物理光學(xué)。應(yīng)用光學(xué)部分介紹了幾何光學(xué)的基本定律與成像理論，理想光學(xué)系統(tǒng)和平面成像系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)和成像特性、光度學(xué)和色度學(xué)的基本原理、光線(xiàn)光路計(jì)算和像差基本理論以及典型的光學(xué)系統(tǒng)的成像特性和設(shè)計(jì)。物理光學(xué)部分介紹了光的電磁性質(zhì)、光在各向同性介質(zhì)界面上的傳播規(guī)律和光波的疊加與分析、光波的干涉和衍射的基本原理以及光的偏振。在教學(xué)內(nèi)容中選取的仿真模擬內(nèi)容即要是一些重點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)同時(shí)內(nèi)容的模擬難度還不能太大。因?yàn)閷W(xué)生剛進(jìn)入大學(xué)二年級(jí)，接觸的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言是C語(yǔ)言，對(duì)語(yǔ)言的熟練程度尚不足以模擬復(fù)雜的物理問(wèn)題。因此，我們選擇了以下內(nèi)容進(jìn)行仿真模擬：

（1）實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的光路計(jì)算。通過(guò)課堂的學(xué)習(xí)，學(xué)生知道可以用圖解法和解析法求解一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的基點(diǎn)和基面，這兩種方法各有利弊。圖解法能讓學(xué)生直觀(guān)的看到光線(xiàn)經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)之后的光路，但是利用這種方法求解多個(gè)光組組合系統(tǒng)的基點(diǎn)和基面是很復(fù)雜和繁瑣的。解析法沒(méi)有圖解法那樣直觀(guān)，但是通過(guò)對(duì)公式的反復(fù)利用，可以求解出每組光組的像方截距和像方孔徑角以及整個(gè)光組的基點(diǎn)的位置參數(shù)。而在解析法中對(duì)公式的反復(fù)計(jì)算問(wèn)題利用計(jì)算機(jī)程序語(yǔ)言中的循環(huán)和迭代運(yùn)算可以很輕松的解決。通過(guò)這個(gè)例子不僅讓學(xué)生加深公式的理解，同時(shí)體會(huì)到程序設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。此外，有能力的學(xué)生可以將其做成界面交互的軟件形式，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，體會(huì)創(chuàng)作的樂(lè)趣。

（2）光的衍射和干涉現(xiàn)象。這部分知識(shí)是物理光學(xué)的主要內(nèi)容，也是重點(diǎn)和難點(diǎn)知識(shí)所在，在實(shí)驗(yàn)課上會(huì)有相關(guān)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。在理論授課和實(shí)驗(yàn)課程中增加仿真模擬環(huán)節(jié)，可以讓學(xué)生將生澀的數(shù)學(xué)表達(dá)形式轉(zhuǎn)化為圖像的表現(xiàn)形式，同時(shí)也使學(xué)生能更清楚的理解實(shí)驗(yàn)原理的來(lái)龍去脈。在實(shí)驗(yàn)中采用單色光源和白光光源，得到不同光源的干涉與衍射圖像。首先編寫(xiě)出光柵衍射仿真程序，然后通過(guò)改變輸入?yún)?shù)而達(dá)到利用一個(gè)程序同時(shí)仿真干涉與衍射實(shí)驗(yàn)的目的。最后編寫(xiě)操作性很強(qiáng)的人機(jī)交互界面，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。

（3）光纖中的光傳播特性。對(duì)于學(xué)有余力的學(xué)生，可以讓學(xué)生嘗試光纖或者激光器專(zhuān)題的仿真模擬。這部分知識(shí)在理論課上只做了淺顯的講解，學(xué)生若感興趣，可以通過(guò)仿真模擬進(jìn)一步學(xué)習(xí)光波導(dǎo)的知識(shí)。學(xué)生可以模擬光場(chǎng)的傳播演化過(guò)程，考慮不同的光纖結(jié)構(gòu)對(duì)光場(chǎng)損耗的影響。此外，可以模擬高斯光束與光纖耦合的情況。從光纖端面輻射到自由空間中的光場(chǎng)是發(fā)散的，對(duì)于單模光纖其端面輻射光場(chǎng)可以近似為高斯光束，因此，要深入了解高斯光束的傳輸特性，以及它與光纖連接的光功率損耗情況。

總之，在選擇模擬仿真內(nèi)容時(shí)應(yīng)根據(jù)學(xué)生的能力，注重理論聯(lián)系實(shí)際。突出課程的工程應(yīng)用背景，為了培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手設(shè)計(jì)能力，積極利用一些仿真軟件（例如zemax）加強(qiáng)學(xué)生的技能。此外，自60年代激光器發(fā)明以來(lái)，在光學(xué)領(lǐng)域涌現(xiàn)出新課題、新概念和新技術(shù)，使光學(xué)知識(shí)更加斑斕多彩。為了拓寬學(xué)生的知識(shí)面，應(yīng)向?qū)W生介紹本領(lǐng)域的最新科研成果以及基礎(chǔ)知識(shí)在生產(chǎn)實(shí)踐的應(yīng)用，開(kāi)展光學(xué)前沿知識(shí)講座，講授與光學(xué)相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，使枯燥的理論學(xué)習(xí)變得豐富生動(dòng)，既調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性又開(kāi)闊了視野，使他們的知識(shí)結(jié)構(gòu)更趨合理，讓學(xué)生意識(shí)到這門(mén)課程的價(jià)值。

3、結(jié)束

工程光學(xué)作為光電信息工程專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課，在培養(yǎng)學(xué)生的素質(zhì)和專(zhuān)業(yè)能力方面發(fā)揮重要的作用。本文針對(duì)課程的特點(diǎn)，提出在工程光學(xué)教學(xué)中引入光學(xué)仿真的教改方法，并列舉了部分仿真模擬的內(nèi)容，希望通過(guò)教學(xué)手段和教學(xué)內(nèi)容的改進(jìn)，找出適合人才發(fā)展的課程教學(xué)方法，可以更好的提高教學(xué)水平，達(dá)到教學(xué)效果，為社會(huì)培養(yǎng)優(yōu)秀的、需要的人才，為光信息專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)奠定良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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