谈《光学设计》课程教学改革的探索与实践

时间:2017-07-26 论文范文 我要投稿

  【论文关键词】《光学设计》 教学改革 探索与实践

  【论文摘 要】《光学设计》是一门实践性很强的课程,是光学工程和光信息科学与技术专业的主修课。本文对《光学设计》课堂教学内容的组织、教学方法的改进以及考核方式的改革等进行了探讨,以期对该课程的教学改革提供方法与思路。 
  
  《光学设计》是许多工科院校的“光信息科学与技术”、“光学工程”等专业的主修课程,北京信息科技大学光信息科学与技术专业在应用光学、物理光学等必修课基础上也开设了这门重要的专业选修课。《光学设计》是一门将几何光学与物理光学知识与实践相结合的学科,通过该课程的学习,学生可以系统的了解光学设计方面的知识,了解一些最常用的光学系统的设计方法,以及了解光学设计的发展方向。该课程的特点是应用性较强,涉及的内容较多,如何在有限的学时内,通过该课程的学习,培养学生熟练设计各种光学系统的能力,提高学生的分析能力和实践能力,这对授课教师提出了严峻挑战。该课程一般通过理论教学和实践教学两个环节完成教学内容,本文将几年来的课堂教学工作所积累下来的心得与体会加以总结,主要涉及到教学内容的组织,教学方法的改进与考核方式的变革等。

  一、精心组织授课内容,理清主线,突出重点。

  光学设计课程囊括的知识点比较多,面向不同的教学对象,因为其本身知识积累就不同,而不同的教材组织方式,调强的知识重点也不尽相同,因此需要教师因人而异、不断调整授课内容的组织方式。北京信息科技大学光信息科学与技术专业将该课程核定为32学时,在这么短的课时内,如何选择讲授的知识点来保证教学活动的完成,根据本专业的特点,我们精心组织了教学内容,主要为了理清思路,并突出重点。光学设计涉及到的内容可分为:高斯光学、像差理论、典型光学系统、计算机自动优化方法、光学系统公差分析及光学元件制图等。高斯光学是光学系统分析的基础,光学系统初始结构计算就是基于高斯光学理论的;像差理论是光学设计的重中之重,只有深刻了解了像差理论,才能够自主、灵活的设计光学系统;典型光学系统包括放大镜、显微镜、望远镜等系统,是了解实际光学系统的钥匙,也是光学系统初始结构计算的理论基础;而计算机自动优化方法、光学系统公差分析及光学元件制图等是实践性很强的内容,也是把上述理论知识与实际设计过程联系的纽带。只有理清了这些内容的知识体系,才能有的放矢,条理清楚的讲授。我们经过探索,发现在授课时选择一个实际的光学系统(如开普勒望远镜系统),从它的基本结构讲起,引出物镜和目镜的各自特点,用高斯光学知识分析其放大率、视场角等参数,再引申到实际系统像差对像质的影响,最后讲授怎样设计这样一个系统以及设计中应该注意的问题。这样就能把所有要讲授的内容串联起来,学生就能更好地理清思路,知道哪部分内容的作用以及怎样学习效率更高。另外,讲解时不能一概而论,必须突出重点,每个知识模块的学时要分配得当。比如像差理论是本课程的重点,需要占用较多的学时讲解;而且像差理论这一部分应该把重点放在各种系统参数(比如,光阑大小、位置,材料折射率、相对色散等)对初级像差的影响上,因为这是一个优秀光学设计工程师必须练好的最重要的基本功。最后,处理好知识点与实际光学系统之间的关系。比如要提醒学生每一部分知识点都要结合与实际光学系统设计(包括加工、检测)的关系来学习,做到有的放矢、思路清晰。

  二、教学方法的改进

  1.课堂教学与课外科技创新实践相结合
  学习基本原理知识的目的是为了更好地应用到实际生活中。我们积极鼓励学生参加各种科技创新活动,坚持课堂教学与课外创新实践活动相结合,强化实践能力培养,提高学生的设计与综合分析能力。比如,在学习了照相系统基本知识以后,我们鼓励学生调研如今市场上的各种照相机(包括数码相机、传统相机、摄像机等),让学生考察照相机的基本结构以及重要技术参数,并让学生尝试自己设计一台照相机系统。这样,学生的学习积极性得到大大提高,他们在设计过程中遇到很多问题,再重新回过头在课堂找答案,被动接收变为主动学习,学习效率大大提高。
  2.现代多媒体教学技术的使用
  多媒体教学是以计算机为核心的教学手段,能交互的综合处理文本、图形、图像、动画、音频及视频等多种媒体信息,更丰富、更复杂的信息多媒体教学对全面提高教学质量,增进教学效果起着不可替代的推进作用。基于多媒体的光学设计课程教学优势包括:第一,图文并茂,简洁直观,激发学生学习兴趣,提高学生学习的主动性。比如在讲授望远系统时,我们把目前世界上的各种望远系统图片投影到黑板上,并列举各系统的优缺点,使学生顿时产生了浓厚的学习兴趣。第二,把教师从繁重的板书中解放出来,更有利于教师语言、人格魅力的发挥,学生可以在相同的时间内获取更多的知识,提高课堂教学效率和教学质量。比如,在讲授各种目镜结构时,由于目镜的种类很多,有惠更斯目镜、冉斯登目镜、凯涅尔目镜、对称式目镜以及广角目镜等,一一板书这些目镜结构和特点非常花时间,而且作用不大。使用多媒体就可以很快的展示各种目镜结构以及特点,从而把更多时间放到讲授目镜选型以及设计中去。第三,教师为主导,学生为主体,二者相互有机结合,实现教与学的良性互动。比如,在学习球差与系统相对孔径以及光阑的关系这部分内容时,我们让学生自己提出各种参数,然后现场用多媒体计算光线轨迹并画出光路图、像差图等,学生再根据像差图提出新的修正结构,直到得出满意的球差。在这个过程中,教师与学生不再是填鸭式的灌输与接受知识,而是很好的互动,并激发了学生学习兴趣。
  3.光学设计软件的应用
  在光学设计课程教学中,为了演示光线追迹结果及光学系统在各种不同情况下、不同输入光场时的输出光场情况等,需要编制相应的模块软件。但由于编制这样的模块软件工作量大、难度较高,往住使任课老师放弃在教学过程中演示复杂的光学现象,即使有人花大量时间和精力编制出一些,也因为功能不强、效果不佳而影响教学效果。我们将诸如ZEMAX、OSLO、CODE-V等功能强大的商业光学设计软件引入光学设计课程的教学过程,可以减小设计工作量,并且使课程课件的深度得到加强,从而扩大学生的感性认知和视野,增强教学效果。

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