關(guān)于《光學(xué)CAD》課程教學(xué)的探討

【摘 要】在工程光學(xué)學(xué)科教學(xué)中，《光學(xué)CAD》課程是一門重要的實踐性課程。該課程所傳授的理論知識能夠鞏固學(xué)生的光學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)，所傳授的光學(xué)設(shè)計軟件的實際操作能夠增強學(xué)生的實踐動手能力與創(chuàng)新能力。針對該課程及其教學(xué)內(nèi)容的主要特點，主要探討了加強理論與實踐相結(jié)合的教學(xué)手段，通過學(xué)生分組和針對性的任務(wù)書下達(dá)，引導(dǎo)學(xué)生合作完成，掌握光學(xué)設(shè)計的基本思路，提高學(xué)生的就業(yè)競爭力和繼續(xù)深造的學(xué)習(xí)能力。

【關(guān)鍵詞】光學(xué)CAD；教學(xué)手段；Zemax

【Abstract】In the teaching courses of Engineering Optics， “Optical CAD” is an important practical course. The theory knowledge of the course can impart can strengthen students optical professional foundation， and the practical operation of optical design software can enhance students practical ability and innovation ability. In this paper， the main characteristics of the course and teaching content are presented. The means of strengthening the combination of theory and practice teaching is discussed. Through the student group and targeted tasks， guide students to cooperate to complete the tasks， master the basic ideas of optical design， and the students employability and the ability to further study are improved.

【Key words】Optical CAD；Teaching Means；Zemax

0 引言

《光學(xué)CAD》課程是南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)院光信息科學(xué)與技術(shù)等相關(guān)專業(yè)的一門專業(yè)選修課，是光電信息工程專業(yè)的特色課程，是一門重要的實踐性課程，所有內(nèi)容都是基于前期學(xué)習(xí)過的《應(yīng)用光學(xué)》和《物理光學(xué)》的理論知識，該課程與先修的理論基礎(chǔ)構(gòu)成一個完整的體系，完成了由理論學(xué)習(xí)到工程實踐的過渡[1]。其相關(guān)知識和工具的使用是該專業(yè)本科生今后就業(yè)和繼續(xù)深造經(jīng)常需要的基本必備能力。南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)院早在2010年就進行了將光學(xué)設(shè)計軟件Zemax應(yīng)用于《應(yīng)用光學(xué)》雙語課程的教學(xué)改革[2]，為《光學(xué)CAD》課程做好了前期學(xué)習(xí)的基本鋪墊。

1 課程及其教學(xué)內(nèi)容的特點

現(xiàn)代光學(xué)儀器的研發(fā)離不開成熟的光學(xué)設(shè)計思想[3]。在工程光學(xué)學(xué)科中，光學(xué)設(shè)計是光學(xué)發(fā)展中關(guān)鍵的一步，對光學(xué)發(fā)展以及教育有著重要的影響[4]?！豆鈱W(xué)CAD》課程的目的就是基于先修課程的理論知識，應(yīng)用于實際的光學(xué)軟件設(shè)計中，使學(xué)生能夠掌握光學(xué)設(shè)計的基本思路，對基本光學(xué)系統(tǒng)能夠進行分析與優(yōu)化設(shè)計。該課程安排在本科生學(xué)習(xí)的第7個學(xué)期進行，共32個學(xué)時，一方面，先修課程《應(yīng)用光學(xué)》和《物理光學(xué)》早已完成；另一方面，這個學(xué)期的學(xué)生正面臨今后就業(yè)和繼續(xù)深造的抉擇期，所以，該課程的學(xué)習(xí)對學(xué)生的影響意義深遠(yuǎn)。

《光學(xué)CAD》課程的主要內(nèi)容有：光學(xué)系統(tǒng)的基本參數(shù)建立、光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)評價、光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化和建立和基本光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計（包括雙膠合透鏡、簡單的擴束系統(tǒng)設(shè)計等）。為了更好的體現(xiàn)課程的實踐性，課程的所有學(xué)時都安排在學(xué)校的計算機輔助實驗室進行，所有的教學(xué)內(nèi)容都是基于先修課程的理論知識，結(jié)合光學(xué)設(shè)計軟件Zemax，一邊講解理論知識，一邊在軟件中進行演示操作或設(shè)計，學(xué)生和老師同步進行軟件的具體操作，基本做到“手把手”的教學(xué)效果。

在該課程中選擇Zemax軟件作為教學(xué)中光學(xué)設(shè)計工具是完全根據(jù)目前的實際應(yīng)用情況來決定的：由于其優(yōu)越的性價比，近幾年來Zemax光學(xué)設(shè)計軟件在光學(xué)設(shè)計領(lǐng)域所占份額越來越大，在全球已經(jīng)成為最廣泛應(yīng)用的軟件之一，2013年Zemax公司還在上海成立了中國子公司。基本上所有的有關(guān)光學(xué)工程師的應(yīng)聘單位已將是否會使用Zemax軟件作為招聘的基本條件。所以，該課程的學(xué)習(xí)，可以使學(xué)生在就業(yè)中提高競爭力，而且走上工作崗位后，可以少走彎路，直接發(fā)揮自己的專業(yè)特長。

2 理論與實踐教學(xué)內(nèi)容的結(jié)合

由于學(xué)生對先修課程中有關(guān)理論知識可能有些遺忘，在該課程的教學(xué)過程中還包含了一部分的理論講解，結(jié)合教育心理學(xué)，上課的前幾分鐘不太適宜新知識的教學(xué)，所以，每次上課的剛開始，都是通過一些含有知識點問題的提問，啟發(fā)學(xué)生去思考問題，回顧前面所學(xué)的知識，再根據(jù)學(xué)生的具體反映情況，來對理論知識進行適度的回顧與講解。在具體的理論知識教學(xué)中，例如，像差理論的學(xué)習(xí)，一邊和學(xué)生一起回顧課本上的各種像差的概念，一邊通過Zemax軟件的具體操作學(xué)習(xí)，分別把各種像差的直觀圖形和分析功能在Zemax中顯示或演示出來，從而既可以加深學(xué)生對有關(guān)像差理論知識的掌握，又可以讓學(xué)生熟練軟件的具體操作。

該課程的培養(yǎng)目標(biāo)，是夯實學(xué)生的光學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生靈活運用基礎(chǔ)知識的能力，培養(yǎng)學(xué)生的分析、發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力與創(chuàng)新能力，是理論與實踐相結(jié)合的要求體現(xiàn)?，F(xiàn)代科技任務(wù)要求人們既具有獨立工作能力，又具有團隊協(xié)作能力，例如，光學(xué)設(shè)計者要與其他相近領(lǐng)域（如光學(xué)機械、制造與檢測）人員能成功溝通與相互促進。為此培養(yǎng)目標(biāo)，老師對學(xué)生的光學(xué)設(shè)計任務(wù)的下達(dá)既要體現(xiàn)個人對理論知識的運用能力，又要體現(xiàn)實團隊的光學(xué)設(shè)計實踐能力。

因此，學(xué)生可以2～3人一組、分工協(xié)作，老師下達(dá)至每一組的任務(wù)書都不同，即每個學(xué)生的設(shè)計任務(wù)不同，如光學(xué)特性參數(shù)要求不同或像差要求不同，這部分任務(wù)可鞏固學(xué)生理解光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)與視場、孔徑、焦距等參數(shù)之間的關(guān)系等等。而且，在技術(shù)要求上，模擬工程領(lǐng)域設(shè)計實務(wù)要求，如必須對曲率半徑按國標(biāo)（如GB3158-82）要求進行規(guī)整。通過這些教學(xué)方法，避免學(xué)生懶惰或相互抄襲，在成績評定上，將設(shè)計結(jié)果的創(chuàng)新性程度、對工程設(shè)計實務(wù)的考慮周全程度等方面作為評分點，并且同設(shè)計任務(wù)一起，詳盡地發(fā)到學(xué)生手中，引導(dǎo)學(xué)生主動設(shè)計有用、可制造、成本低的光學(xué)系統(tǒng)，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計中主動考慮工程實踐的意識，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計意識，避免學(xué)生僅為完成任務(wù)而設(shè)計、或僅為創(chuàng)新而設(shè)計虛擬無用的光學(xué)系統(tǒng)。

在具體的任務(wù)完成過程中，每一組學(xué)生可以通過討論協(xié)商根據(jù)不同的要求來選擇初始結(jié)構(gòu)，然后再按照光學(xué)設(shè)計的基本流程，設(shè)置變量、評價函數(shù)，對初始結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，每一步具體的操作設(shè)計中，都需要學(xué)生的合作來完成。在實際的教學(xué)過程中，老師通過引導(dǎo)學(xué)生，如果在具體是設(shè)計過程中出現(xiàn)了設(shè)計問題，那么組員間就要相互討論先從理論知識方面查找原因，再根據(jù)光學(xué)設(shè)計流程查找實踐操作上的原因，最后讓學(xué)生自己找到解決問題的方法，讓學(xué)生在該課程的學(xué)習(xí)中得到成就感，積極調(diào)動他們學(xué)習(xí)的主觀能動性。

3 結(jié)束語

光學(xué)設(shè)計是光學(xué)發(fā)展中關(guān)鍵的一步，對光學(xué)發(fā)展以及教育有著重要的影響。以光學(xué)設(shè)計為主要教學(xué)內(nèi)容的《光學(xué)CAD》課程，在光學(xué)專業(yè)人才的培養(yǎng)方面具有重要的作用，可增強學(xué)生未來的就業(yè)競爭力，可為后續(xù)光學(xué)專業(yè)的繼續(xù)深造學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。在教學(xué)過程中，加強實踐設(shè)計與理論結(jié)合，不僅能夠夯實學(xué)生對基礎(chǔ)知識的理解，真正體會到先修課程中理論知識的應(yīng)用性，而且能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的實踐設(shè)計能力。因此，《光學(xué)CAD》課程的學(xué)習(xí)對學(xué)生的影響意義深遠(yuǎn)，有關(guān)的課程教學(xué)探討對老師提高教學(xué)水平具有重要的參考價值。

【參考文獻】

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