基于Zemax軟件的光學(xué)仿真實驗平臺的設(shè)計探究

許曉賦，楊秀珍，鄭飛杰，高忠堅，張銳戈

(三明學(xué)院 機電工程學(xué)院, 福建 三明 365004)

研究型人才和應(yīng)用型人才的培養(yǎng)是目前我國高等教育發(fā)展的兩條培養(yǎng)路徑[1-2].研究型人才在專業(yè)深度上屬于厚知識結(jié)構(gòu)，提倡知識必要原則；應(yīng)用型人才在專業(yè)廣度上屬于寬知識結(jié)構(gòu)，提倡知識夠用原則.應(yīng)用型人才培養(yǎng)和工程實踐活動是緊密聯(lián)系的.工程實踐是一種需要觀察和動手的實踐活動，因而實踐是未來工程師培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)[3]，而實踐教學(xué)是培養(yǎng)應(yīng)用型人才的重要教學(xué)手段之一.為此，未來工程師的培養(yǎng)有必要減少理論學(xué)時，增加實踐環(huán)節(jié)學(xué)時.同時，現(xiàn)代工程師的培養(yǎng)任務(wù)應(yīng)當(dāng)由個人獨立學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變到分組合作學(xué)習(xí)，讓學(xué)生參與系統(tǒng)的構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運行中的全部過程.因此，將工程師的培養(yǎng)需求應(yīng)用到專業(yè)教學(xué)，是應(yīng)用型人才培養(yǎng)的未來發(fā)展趨勢.

光電信息科學(xué)與工程是一門培養(yǎng)未來工程師的專業(yè).該專業(yè)由于實踐性強和對數(shù)理基礎(chǔ)要求高的特點，因而在理論環(huán)節(jié)和實踐環(huán)節(jié)的要求較高[4].光學(xué)設(shè)計是光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的核心課程之一[5]，且其是一門運用理論知識結(jié)合上機實踐操作、突出學(xué)生知識的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力的課程.而知識的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力是現(xiàn)代工科大學(xué)生創(chuàng)新實踐能力的體現(xiàn)[6].推進創(chuàng)新教育改革，是國家實施創(chuàng)新驅(qū)動的發(fā)展戰(zhàn)略，是高校推進教育綜合改革和高校促進畢業(yè)生更高質(zhì)量就業(yè)的重要舉措[7].當(dāng)下，全國各個高校試行以培養(yǎng)學(xué)生工程素質(zhì)與綜合創(chuàng)新能力為基本目標(biāo)，將學(xué)生培養(yǎng)為既具有堅實理論基礎(chǔ)又具有相當(dāng)實踐能力的復(fù)合型實用人才.同時，采用合適的教學(xué)方法，提高學(xué)生的實踐動手能力，是高校教師值得思考的問題.例如，結(jié)合創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、第二課堂、教師科研及學(xué)生畢業(yè)論文等實踐環(huán)節(jié)，提高學(xué)生實踐動手能力，培養(yǎng)學(xué)生獨立分析問題、解決問題的能力，以提升學(xué)生自身的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力及工程訓(xùn)練能力，從而為學(xué)生在未來更好地從事光學(xué)設(shè)計方面的工作打下堅實基礎(chǔ).為此，本文從光學(xué)設(shè)計課程在實踐教學(xué)的角度出發(fā)，對該課程實踐教學(xué)部分存在的問題進行了研究和解決方案探索.

1 光學(xué)設(shè)計實踐教學(xué)中存在的問題

目前，在開設(shè)有光學(xué)信息科學(xué)與工程專業(yè)的高校中，光學(xué)設(shè)計的課程實踐教學(xué)效果往往不太理想.其主要原因在于：專業(yè)實踐的教學(xué)體系不合理[8-9]，實踐教學(xué)方法單一[10-11]，“雙師型”師資隊伍薄弱[12-13]，以及實踐教學(xué)設(shè)施和校企合作不足[14-17]等.這些因素在一定程度上限制了實踐教學(xué)課程的推進與提升.其中，實踐教學(xué)設(shè)施的不足，歸根結(jié)底還是經(jīng)費原因.雖然高校經(jīng)費容易受各方面因素的限制，但是大部分高校仍會積極采取各種措施改進實驗平臺，以保證教學(xué)的正常進行.目前，在全國各高校開設(shè)光電信息科學(xué)與工程專業(yè)中的光學(xué)設(shè)計實踐教學(xué)平臺中，普遍采用由一臺教師端的電腦和一系列學(xué)生端的電腦通過交換機及網(wǎng)線等輔助設(shè)備構(gòu)成，優(yōu)化前的光學(xué)設(shè)計仿真實驗平臺結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.同時，在硬件搭建完成后，需要在每一臺電腦上安裝課程教學(xué)軟件Zemax.Zemax軟件分為：標(biāo)準版(Standard)、專業(yè)版(Professional)以及旗艦版(Premium).其中，Zemax軟件旗艦版在功能上最齊全.目前，該旗艦版軟件的市場價格大約為20萬元.一套Zemax軟件的序列號，只允許在同一局域網(wǎng)內(nèi)10個用戶同步使用，而一個正常的教學(xué)班級人數(shù)為50人左右.因此，要完成一個班級的正常教學(xué)需要購買五個序列號，才能達到教學(xué)的基本條件.而同時使用多個序列號，容易造成管理上的困難，并會存在賬號遺失或轉(zhuǎn)移的風(fēng)險.并且地方應(yīng)用型本科院校的教學(xué)經(jīng)費相對有限.因此，一次性購買五個系列號的方案難以實現(xiàn).

圖1 優(yōu)化前的光學(xué)設(shè)計仿真實驗平臺

筆者針對傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計仿真實驗平臺存在的問題，提出了一種在光學(xué)設(shè)計課程實踐中使用Zemax軟件的仿真實驗平臺搭建的解決方案.

2 光學(xué)設(shè)計仿真實驗平臺的設(shè)計及搭建

在只有單個序列號的Zemax軟件的限制下，要能夠完成50人左右教學(xué)班級的正常教學(xué)活動，可通過提升光學(xué)設(shè)計仿真實驗平臺的硬件來替代購置多套Zemax軟件的方案.整個方案如圖2所示.其中，虛線框的教師端，用于安裝Zemax軟件及授權(quán)碼.兩臺高端的服務(wù)器作為主機且同時安裝Zemax軟件.服務(wù)器上的軟件是同一局域網(wǎng)上教師端主程序的分發(fā)席位.

圖2 優(yōu)化后的光學(xué)設(shè)計仿真實驗平臺

表1 Zemax軟件的系統(tǒng)要求

2.1 系統(tǒng)硬件的設(shè)計搭建

對于服務(wù)器的配置，需要根據(jù)Zemax軟件的要求.一方面，根據(jù)Zemax軟件提供方提供的數(shù)據(jù)可知，要達到多用戶同步操作服務(wù)器上的Zemax軟件，其服務(wù)器平臺可采用Windows Server 2019操作系統(tǒng).另一方面，根據(jù)Zemax軟件提供方提供的數(shù)據(jù)可知，一個用戶正常使用Zemax軟件至少得使用雙核CPU及2G內(nèi)存.而50個客戶端同步遠程訪問服務(wù)器，服務(wù)器至少得擁有100核CPU及100G內(nèi)存.根據(jù)這些條件，需要配置兩臺服務(wù)器.每臺服務(wù)器大體可采用如下配置：CPU采用4個Intel Xeon Gold 615，總核心數(shù)為72核；服務(wù)器內(nèi)存配置5個64GB的R-ECC DDR4內(nèi)存(頻率為2666MHz)；其他(如主板、顯卡等)按支持的CPU來配置.根據(jù)這個配置，兩臺服務(wù)器分配給50個用戶數(shù)中的每個用戶雙核CPU及8G內(nèi)存.剩下的44核CPU及240G內(nèi)存由服務(wù)器上的其他程序運行使用.兩個服務(wù)器的配置總價格大概在30萬元，這樣可以節(jié)約一半的教學(xué)經(jīng)費.

2.2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計搭建

在上述的硬件基礎(chǔ)上，還需要軟件的支撐.對于校內(nèi)訪問而言，學(xué)生通過校內(nèi)局域網(wǎng)的連接，可以在機房的客戶端直接遠程訪問服務(wù)器上的Zemax軟件進行軟件的學(xué)習(xí)、操作和設(shè)計等環(huán)節(jié)，也可以在宿舍通過本人的電腦遠程訪問服務(wù)器.電腦上的遠程桌面訪問服務(wù)器的界面(以Win 7為例)，如圖3所示.設(shè)置服務(wù)器的IP地址及預(yù)先在服務(wù)器上設(shè)置允許訪問的賬號及密碼等就可以順利訪問.客戶端的遠程桌面連接界面如圖3所示.

表2 運行Zemax軟件的硬件最低要求

如若學(xué)生訪問端不在校內(nèi)網(wǎng)，想在外部環(huán)境下使用校內(nèi)的Zemax軟件，則可按照以下流程進行操作.首先，在個人電腦上安裝Easy Connect軟件.此處選用的Easy Connect(版本號為7.6.7)；其次，在打開的軟件[界面如圖4(a)所示]中輸入學(xué)校的VPN網(wǎng)址；再次，在之后彈出的的界面上[如圖4(b)所示]，學(xué)生通過自己的網(wǎng)絡(luò)賬號及密碼進入校內(nèi)網(wǎng)；最后，學(xué)生通過遠程桌面(如圖3所示)即可正常訪問服務(wù)器上的Zemax軟件.

圖3 客戶端的遠程桌面連接界面

圖4 VPN連接校園網(wǎng)界面

以上的設(shè)計方案實施，可解決Zemax軟件在單套用戶數(shù)少、多套價格昂貴等問題，且學(xué)生還可隨時隨地使用正版軟件，從而在技術(shù)上可以保證學(xué)校的教學(xué)及學(xué)生的學(xué)習(xí)正?；?

3 結(jié)語

光學(xué)設(shè)計課程是一門與工程實踐結(jié)合很緊密的學(xué)科，其實踐教學(xué)內(nèi)容也要不斷改進，以適應(yīng)當(dāng)今光學(xué)設(shè)計人才培養(yǎng)的需求.Zemax軟件是高校光電信息科學(xué)與工程專業(yè)光學(xué)設(shè)計虛擬仿真實驗課程的主流軟件，也是該專業(yè)學(xué)生未來從事光學(xué)設(shè)計工作的重要實踐工具.針對Zemax軟件使用人數(shù)限制的特點，建設(shè)以服務(wù)光電專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)為目的的虛擬仿真實驗平臺，讓學(xué)生在校內(nèi)自由通過遠程桌面實現(xiàn)平臺系統(tǒng)的訪問，在校外也可通過VPN結(jié)合遠程桌面實現(xiàn)平臺系統(tǒng)的訪問.該方案的設(shè)計及搭建可保證實踐教學(xué)的正常開展及學(xué)生課后學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計等環(huán)節(jié)的使用，從而大大節(jié)省學(xué)校教學(xué)經(jīng)費的支出，并保證該仿真實驗平臺系統(tǒng)的利用率得到有效提高.