面向新工科人才培養(yǎng)的光學(xué)系統(tǒng)CAD課程改革與實踐

陽 威

（武昌首義學(xué)院 湖北·武漢 430064）

0 引言

為提高新工科高水平應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量，全國很多高校實施了基于學(xué)生的學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式（OBE），進行了深化教學(xué)內(nèi)容和模式的改革。在培養(yǎng)方法上，更加注重以項目工程為載體，讓學(xué)生對項目任務(wù)進行自主的構(gòu)思、設(shè)計、改進，從而實現(xiàn)項目設(shè)計，來增強其工程設(shè)計能力和工程應(yīng)用能力。

本文結(jié)合武昌首義學(xué)院光電信息科學(xué)與工程專業(yè)實際，為到達新工科要求學(xué)生具有獨立光學(xué)工程應(yīng)用和設(shè)計能力的目的，以新工科理念為引領(lǐng)，并運用OBE工程教育模式來進行課程改革，把確立科學(xué)合理的教學(xué)目標、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和方法、完善考核評價模式和創(chuàng)立開放探索性實踐教學(xué)環(huán)境，作為光學(xué)系統(tǒng)CAD課程改革的主要內(nèi)容，以此來加強對學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，并將教學(xué)重點融入到實踐項目中，從而全過程的培養(yǎng)和提高學(xué)生的工程實踐能力。

1 課程定位和課程特點

1.1 課程定位

光學(xué)系統(tǒng)CAD廣泛應(yīng)用于多種傳統(tǒng)和現(xiàn)代光電系統(tǒng)中，是光電信息科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生需要掌握的重要能力之一。該課程著重培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和工程素質(zhì)，使學(xué)生完成從理論知識學(xué)習(xí)到工程實際應(yīng)用的轉(zhuǎn)變，掌握工程實際中需要考慮的基本問題和解決問題的思路和能力。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生較系統(tǒng)和全面地掌握光學(xué)設(shè)計理論和設(shè)計方法，并能完成大多數(shù)典型光學(xué)部件和系統(tǒng)的設(shè)計工作。

1.2 課程特點

“光學(xué)系統(tǒng)CAD”是一門培養(yǎng)學(xué)生具有光學(xué)設(shè)計能力的課程，有以下特點：

（1）理論性和系統(tǒng)性強。本課程的理論知識有幾何光學(xué)、像差理論、像質(zhì)評價與優(yōu)化理論、光學(xué)部件與光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計理論。這些知識緊密聯(lián)系，在進行設(shè)計實踐前必須先掌握這些知識。

（2）應(yīng)用性強。在設(shè)計中要靈活地應(yīng)用學(xué)過的理論知識，理解軟件的每個設(shè)計功能的理論根據(jù)，用理論指導(dǎo)設(shè)計實踐。當設(shè)計過程出現(xiàn)問題，能利用理論知識較準確地對設(shè)計參數(shù)進行修正，最終得到最佳像質(zhì)系統(tǒng)。

2 課程建設(shè)思路與內(nèi)容

2.1 課程目標

按照新工科理念，結(jié)合OBE工程教育模式中定義學(xué)習(xí)產(chǎn)出的方法，確立以培養(yǎng)理論知識扎實、工程素質(zhì)與綜合創(chuàng)新能力強、具有獨立設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)的高素質(zhì)光電人才為目標。

2.2 “以成果為導(dǎo)向，以項目工程為載體”的實踐課程教學(xué)模式

按照OBE工程教育模式中實現(xiàn)學(xué)習(xí)產(chǎn)出的方法，通過以實踐項目為載體的教學(xué)模式，改變“先教授、后使用”的教學(xué)方法，采用引導(dǎo)式、自主式、團隊式的教學(xué)形式，以基礎(chǔ)型項目的教學(xué)作為引導(dǎo)階段，以綜合型和提高型項目作為設(shè)計階段，將工程的項目和思想貫穿于教學(xué)全過程。

以基礎(chǔ)型項目作為引導(dǎo)階段的實踐訓(xùn)練，主要目的是使學(xué)生了解和初步掌握光學(xué)設(shè)計軟件的使用方法，掌握光學(xué)系統(tǒng)和評價優(yōu)化的設(shè)計理論與方法。直接以“案例式”項目為切入點來講解光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的問題，讓學(xué)生一邊熟悉軟件功能，一邊思考和掌握設(shè)計理論和方法，讓學(xué)生帶著具體的任務(wù)來學(xué)習(xí)、操作光學(xué)設(shè)計軟件，快速地體會到設(shè)計的流程與目的。

以綜合型和提高型項目作為設(shè)計任務(wù)，學(xué)生組成設(shè)計團隊，按照項目要求進行自主的構(gòu)思、設(shè)計、改進，從而實現(xiàn)項目設(shè)計。教師適時對學(xué)生的設(shè)計過程及分工合作進行指導(dǎo)，實現(xiàn)教師和學(xué)生以及學(xué)生之間的交流。

2.3 教學(xué)內(nèi)容

光學(xué)系統(tǒng)CAD課程主要內(nèi)容包括：光學(xué)像差理論、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計方法、典型光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計、現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計、光學(xué)設(shè)計CAD軟件應(yīng)用、光學(xué)零件與光學(xué)制圖等。

在教學(xué)內(nèi)容安排上，按照新工科光學(xué)工程的高級應(yīng)用型人才的要求，結(jié)合實際的現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)項目，進行全過程的項目設(shè)計，來增強學(xué)生的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計能力。在保證基礎(chǔ)內(nèi)容的前提下，壓縮經(jīng)典光學(xué)內(nèi)容，增加現(xiàn)代光學(xué)內(nèi)容，弱化理論推導(dǎo)，例如代數(shù)法求解透鏡的基本結(jié)構(gòu)。從薄透鏡的初級像差和數(shù)、光學(xué)設(shè)計軟件應(yīng)用開始教學(xué)，給學(xué)生仔細講解每個像差和數(shù)公式中符號的意義，而不用介紹如何推導(dǎo)得到像差和數(shù)，強調(diào)概念的物理意義及其應(yīng)用。

在課程設(shè)計項目中，我們結(jié)合實際設(shè)計項目中的案例來講解光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的問題。同時設(shè)置“普羅棱鏡望遠鏡的設(shè)計與仿真”、“照相物鏡設(shè)計”、“顯微物鏡設(shè)計”、“變焦鏡頭設(shè)計”、“非球面光電轉(zhuǎn)換耦合鏡頭優(yōu)化設(shè)計”、“F-激光掃描物鏡設(shè)計”、“手機鏡頭設(shè)計”、“激光擴束系統(tǒng)設(shè)計”等設(shè)計性、綜合性和創(chuàng)新性的實踐項目。教師提出各設(shè)計項目的主要內(nèi)容和技術(shù)指標，引導(dǎo)學(xué)生查閱國內(nèi)、外的光學(xué)技術(shù)文獻、資料和手冊，按照規(guī)范程序進行初始結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、像質(zhì)評價、像差校正和公差分析的設(shè)計，并繪制光學(xué)系統(tǒng)圖和光學(xué)零件圖，使學(xué)生通過完整的設(shè)計了解工程研發(fā)的整個流程，使學(xué)生能在未來的就業(yè)市場上具有一定的競爭優(yōu)勢。

在采用案例教學(xué)中，這些工程案例中往往會涉及一些項目背景，這時可乘勢開展思政教育。例如，在典型光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計中，可以引入國產(chǎn)品牌的最新系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，幫助學(xué)生們確立文化自信，培養(yǎng)學(xué)生的愛國情懷和主人翁精神，鼓勵學(xué)生將自己的夢想與中國夢相結(jié)合。在講授知識點的同時深入挖掘?qū)W科史、人物史中的豐富背景資源，尤其是偉大科學(xué)家的真實事跡，用偉人們孜孜不倦追求真理的歷程，來引導(dǎo)學(xué)生，感染學(xué)生。讓同學(xué)們在實踐學(xué)以致用的同時，更要學(xué)習(xí)科學(xué)家的精神，激勵學(xué)生大膽創(chuàng)新，不斷追求新知。

2.4 考核內(nèi)容與方式

采用過程評價和終結(jié)性評價相結(jié)合，重點考察學(xué)生對光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的掌握程度、實際應(yīng)用能力、分析和解決問題的能力。過程評價主要包含“課堂表現(xiàn)”和“技術(shù)答辯”，重點考察學(xué)生的光學(xué)系統(tǒng)分析與計算能力，以及交流表達和團隊合作能力；終結(jié)性評價主要包含“設(shè)計結(jié)果”和“課程設(shè)計報告”，重點考察學(xué)生的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計和光學(xué)技術(shù)文檔撰寫能力，以及工程素質(zhì)與綜合創(chuàng)新能力。

按OBE工程教育模式的“光學(xué)系統(tǒng)CAD”課程目標（光學(xué)系統(tǒng)分析與計算能力、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)能力、光學(xué)文獻查閱與技術(shù)文檔撰寫能力）和達成度計算方法，進行課程目標達成度評價。課程考核成績應(yīng)從學(xué)生的創(chuàng)新精神、工程能力、自學(xué)能力、交流溝通與表達能力、團隊合作等多方面對其進行綜合考核評價，使考核成績更能客觀地反映學(xué)生綜合素質(zhì)提高的程度。

3 教學(xué)軟硬件條件建設(shè)

3.1 教學(xué)軟件和實踐教材

引入應(yīng)用十分廣泛的光學(xué)設(shè)計軟件ZEMAX，讓學(xué)生從光傳輸?shù)幕舅枷肴胧?，以光學(xué)設(shè)計軟件為工具，將手動初始結(jié)構(gòu)參數(shù)計算與自動優(yōu)化設(shè)計相結(jié)合、像差校正和像質(zhì)評價相結(jié)合、系統(tǒng)設(shè)計和加工相結(jié)合，更好地將本課程與社會的實際需求相聯(lián)系，提高學(xué)生綜合運用相關(guān)知識的技能，培養(yǎng)學(xué)生光學(xué)設(shè)計的能力和水平。

為使學(xué)生較好的掌握ZEMAX設(shè)計軟件的應(yīng)用和光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，在基于多年的教學(xué)經(jīng)驗上，編寫和整編了與“光學(xué)系統(tǒng)CAD”課程內(nèi)容相配套的《ZEMAX光學(xué)設(shè)計實用操作教程》、《ZEMAX光學(xué)設(shè)計應(yīng)用案例教程》、《光學(xué)系統(tǒng)CAD實踐教程》等實踐教材，在實踐教程中結(jié)合課程設(shè)計的要求，增加了相關(guān)的光學(xué)工藝要求和光學(xué)圖紙方面的內(nèi)容，使實踐設(shè)計環(huán)節(jié)與理論課學(xué)習(xí)更好結(jié)合。

3.2 編制多媒體教學(xué)課件

根據(jù)“光學(xué)系統(tǒng)CAD”課程的特點（光路圖較多、知識面廣、公式推導(dǎo)復(fù)雜、演示環(huán)節(jié)多），對“應(yīng)用光學(xué)”和“光學(xué)系統(tǒng)CAD”兩門課程，應(yīng)用多媒體課件的顏色、圖像、動畫等多種技術(shù)，按理論知識和“案例式項目”編制了一套“重點突出、形象生動、層次分明”的多媒體教學(xué)課件，將授課內(nèi)容圖文并茂的展示給學(xué)生，將抽象的教學(xué)內(nèi)容形象化，從而提高學(xué)生對光學(xué)設(shè)計的理解和學(xué)習(xí)興趣。

3.3 構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺

依托學(xué)院的“信息技術(shù)虛擬仿真云基地”，構(gòu)建“光學(xué)系統(tǒng)CAD”課程的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，實現(xiàn)了更緊密的“教、學(xué)、做”一體化，為學(xué)生的學(xué)習(xí)提供了一個靈活、自主、多樣的學(xué)習(xí)環(huán)境。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺上提供課程的教學(xué)大綱、任務(wù)書、進度安排、實踐教程、教學(xué)課件、參考資料的下載，也可在網(wǎng)絡(luò)平臺上進行項目設(shè)計和結(jié)果提交。利用網(wǎng)絡(luò)平臺上的交流欄目加強教師與學(xué)生的交流溝通，讓教師了解學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)效果，讓學(xué)生得到教師的針對性指導(dǎo)。

4 結(jié)束語

本文按新工科理念和OBE工程教育模式，進行了一系列具體的課程改革，主要內(nèi)容包括：確立了科學(xué)合理的學(xué)習(xí)產(chǎn)出目標，制定了光學(xué)系統(tǒng)CAD課程的教學(xué)內(nèi)容和模式，完善了考核評價內(nèi)容與方式，整編了一套符合實用創(chuàng)新人才需求的實踐教材，構(gòu)建了開放探索性的實踐教學(xué)環(huán)境，融入了課程思政教育的德育元素。

實踐證明，通過對“光學(xué)系統(tǒng)CAD”課程的改革，對提高教學(xué)質(zhì)量和提高學(xué)生的創(chuàng)新能力、工程素質(zhì)和解決工程問題能力等方面，收到了良好的效果。該課程是一門與現(xiàn)代光學(xué)應(yīng)用設(shè)計結(jié)合很緊密的學(xué)科，我們應(yīng)不斷更新課程教學(xué)內(nèi)容和方法，以適應(yīng)當今社會對光學(xué)設(shè)計領(lǐng)域發(fā)展的最新人才要求。