《现代光学设计及仪器》课程中的案例式教学探索_高帅.pdf

第 44 卷 第 1 期 广西物理 GUANGXI PHYSICS Vol.44 No.1 202384现代光学设计及仪器 课程中的案例式教学探索*高帅，汪盛佳，杨兴华，滕平平，卢春莲（哈尔滨工程大学物理与光电工程学院，黑龙江哈尔滨150000）摘要：现代光学设计及仪器 是一门应用性极强的研究生课程。为了提高教学质量，通过分析传统教学中存在的问题以及面临的挑战，对课程进行了改革，将案例式教学应用到课程中。课堂由传统的授课式教学过渡到案例式教学，将具体的设计案例引入课堂，通过完成案例任务，着重培养学生的创造能力以及解决实际问题的能力，突破传统教学脱离实际应用的困境。关键词：光学设计；案例式教学；实践教学中图分类号：G642.4 文献标识码：A 文章编号：1003-7551(2023)01-0084-030引言现代光学设计及仪器 是哈尔滨工程大学面向研究生开设的课程，实用性强，建立在光学成像基本原理、典型光学系统结构、像差理论等理论基础与前序知识上，旨在培养学生的光学创新应用能力，能够根据给定的光学系统技术指标，能够利用光学设计软件 zemax 进行光学系统设计和优化。1教学中存在的问题现代光学设计及仪器 课程的传统教学方式主要为讲授式，由教师对经典光学设计知识进行讲解，再利用课程中的少部分时间对光学设计软件 zemax 进行介绍，对如何真正使用 zemax 进行光学系统设计这一方面有所欠缺1。课程存在如下问题：（1）授课过程中，基本采用板书与课件结合的方式，由授课教师对知识点进行讲解，照本宣科的教学方式缺乏对知识的深入探讨，仅停留在较浅的知识层面。此外，这种讲授方式主要由教师输出知识，讲授部分多，实践空间少，难以实现理论到实践的突破2。（2）在有限的实践训练中，一般基于理想状态下的条件参数，以经典系统为蓝本，通过教师手把手教学，学生应用 zemax 软件完成一到两个经典系统的设计。此过程中缺失了学生对设计过程的主动思考与创新，导致学生难以独立完成系统设计，操作技能不足，不能学以致用3，难以实现具有创新能力的研究生培养。（3）目前教学过于依赖经典教材，而实际中的发展日新月异，传统课本时常不能传达前沿设计中的需求，与实际工程应用的结合不够紧密。传统的教学素材中，学生不能接触到更新、更前沿、更贴合实际的教学内容。作为一门以工程设计为主的课程，如果不结合实际应用，将难以达到教学目标。2教学方法探讨面向培养高水平研究生的需求，针对目前教学中存在的问题，本课程团队将案例式教学融入课堂，进行了 现代光学设计及仪器 课程改革。2.1设计案例式教学方案案例式教学的着眼点在于学生创造能力以及实际解决问题的能力的培养，而不仅仅是照本宣科，有助于深入了解专业领域知识和提高专业技能。通过案例式教学，令学生接触到实际工程案例，将书本上抽象的知收稿日期：2022-12-15*基金项目：2022 年哈尔滨工程大学研究生教学改革项目“现代光学设计及仪器课程中案例式教学方法研究”（JG2022Y061）；教育部产学合作协同育人项目“三海一核 行业特色型光电专业师资队伍建设”（220402116294255）通讯作者：第 44 卷 第 1 期 广西物理 GUANGXI PHYSICS Vol.44 No.1 202385识转化到具体的案例任务，在实际设计与操作中深化知识理解，同时培养学生的创新意识与自主学习意识。由于这种形式的教学需要较强的信息收集能力与自学能力，因此非常适合研究生。将案例式教学结合到 现代光学设计及仪器 课程中，通过教学探索，利用案例式教学的优势，突破传统教学脱离实际的困境，令学生通过这种“做中学”的形式获取知识，从而真正掌握技能，实现更高水平的研究生培养。2.2建设案例库教学中，以培养目标为指导，基于课程目标与课程内容，根据本专业学生日后深造与就业的实际情况，参照实际设计任务标准，选取课程教学案例，需建立不同难度层次与不同设计类型的案例库。为了真正对学生的学习结果进行考查与评价，同时，为了打破任课教师个人知识水平的局限性，本课程中，案例库来源主要有三个途径，第一为文献搜集、专利查询等；第二为历年光电赛的赛题中摘取光学设计部分；第三为向全院教师征集的合作企业需求。案例的筛选原则为：覆盖课程大纲中的主要知识点，同时考虑案例的典型性、实用性、创新性，案例选择应由易到难，循序渐进。2.3打造混合教学模式由于引入了案例式教学，传统的课上教学时间已不能满足教学需要；同时，为了培养学生的积极性，将教学模式从原来的“课堂教学”延展到“课前课上课后”的拓展课堂形式，如图 1 所示，这种拓展课堂的形式能够提高学生主动学习的能力。式能够提高学生主动学习的能力。图 1 现代光学设计及仪器 课程的混合教学模式教学过程中，主要包括“任务导入”“方案制定”“方案实施”“结果反馈”四个环节。课前，教师将案例布置给学生，完成“任务导入”，明确项目任务及目标，令学生对设计任务形成直观的认识；学生需要在课前进行信息搜集与资料分析，对案例形成深入理解。课上，完成“方案制定”，学生对任务目标进行分析，确定完成任务所涉及的各种要素，确定实施方案；同时教师完成指导与答疑，把握方案设计方向。课后，完成“方案实施”，学生利用 zemax 软件，通过应用前序知识与新探索，按照已制定好的计划逐步完成项目任务；教师提供线上指导，实现师生之间的高效交流；另外，学生将自己的设计结果形成报告，并与原始设计文件共同提交给教师。下一次课上，进行“结果反馈”环节，学生进行 PPT 展示答辩，对自己的设计思路、设计方案与设计结果进行汇报；教师与全体同学一起提出问题，进行师生交互与生生交互，另外，教师对学生所存在的共性问题加以评价与强调。3案例解析本文中，以其中的五个案例为例，介绍学生的完成情况。五个案例如表 1 所示：单透镜设计；变焦镜头设计；望远物镜、显微物镜、照相物镜设计；棱镜构建（直接构建法、棱镜展开法、序列/非序列混合法）；激光变倍准直扩束系统。第 44 卷 第 1 期 广西物理 GUANGXI PHYSICS Vol.44 No.1 202386表 1课程中的部分案例设计任务设计基础典型光学系统设计设计技巧综合设计单透镜设计变焦镜头设计望远物镜显微物镜照相物镜棱镜构建（直接构建、棱镜展开、序列/非 序 列 混合）激光变倍准直扩束系统单透镜设计为课程第一部分引入的案例，学生通过该案例建立对 zemax 软件的初步认识和掌握，了解设计流程与优化原则，掌握评价函数的使用，掌握像差评价标准，为后续更复杂的系统设计打下基础。通过这一单透镜的设计，学生能够快速建立光学设计思维，掌握基础的光学设计方法与优化方案。变焦镜头设计为课程第二部分中引入的案例，通过本案例，学生开始接触典型光学系统设计。在本案例中，主要掌握多重结构的使用，继续巩固评价函数的使用与像差评价标准，能够熟练地进行光学系统的优化4。望远物镜、显微物镜、照相物镜的设计是光学设计类课程中尤为经典且重要的案例，通过本案例的设计与学习，学生更灵活地将光学理论计算与光学系统设计对应起来，深入、全面地掌握典型光学系统的设计，并灵活掌握像质评价与光学系统优化，培养按照给定标准进行设计的能力5-7。另外，鼓励学生进行不同种类镜头的设计练习，并鼓励学生将非球面透镜应用到镜头系统中以比较像差。通过这两个典型光学系统的设计案例，令学生更进一步地掌握光学系统的设计方法，对设计流程、设计方案都有更深的了解。在课程中引入棱镜构建这一案例，要求使用直接构建法、棱镜展开法、序列/非序列混合法三种方法构建一个棱镜，通过此案例进一步加强光学理论计算与光学系统设计结合的能力，并引入 zemax 设计中的非序列结构，令学生在设计光学系统时，能够灵活应用非序列结构减少工作量以及设计更为复杂的系统。进一步鼓励学生进行其他种类棱镜的设计，从 zemax 库中带有的元件延伸到需要自行编辑参数的元件，更进一步地掌握光学设计方法。这一部分的案例主要提升设计技巧，令学生从基础知识的掌握进阶到进行灵活的光学设计。通过以上几个案例，学生已经能灵活应用 zemax 对给定指标的光学系统进行设计。最后，在综合设计部分，引入激光变倍准直系统的设计，要求其匹配给定参数的激光器并经过准直扩束后仍能用于干涉系统。该案例中，再次强化评价函数的使用、像质评价、光学理论计算与设计的结合等光学系统设计中必备的技能，令学生不仅能完成系统设计，更能完成一个满足指标且能真正应用的系统设计8。这部分的案例结合了以往涉及的多个知识点，能够增强学生对复杂光学系统设计方法的理解。通过综合设计部分的实例设计练习，学生能够完整地进行一个具有一定复杂性的光学系统的设计。4结语现代光学设计及仪器 是一门重要的研究生课程，旨在提高学生的实践能力与创新能力。通过本课程的学习，将案例式教学引入本课程，突破了传统教学中理论授课脱离实际的困境。案例式教学提高了学生的积极性，令学生主动参与课堂互动，大大提升了学生的课堂参与度，从而显著提高教学质量，真正实现了实践能力与创新能力的培养。参考文献1 刘钧,高明.光学设计 M.北京:国防工业出版社,2012.2 李晓英,牛春晖,郎晓萍.在 光学设计 课程教学中加强实际设计能力 J.科技资讯,2017,15(34):185+187.3 许晓赋,廖珊珊,高忠坚,等.光学设计 课程教学模式的探索与实践 J.福建教育学院学报,2014,15(04):69-71.4 林晓阳.ZEMAX 光学设计超级学习手册 M.北京:人民邮电出版社,2014.5 朱孝辉.基于 Zemax 的牛顿式望远镜设计 J.无线互联科技,2019,16(12):49-51.6 吉紫娟,包佳祺,刘祥彪.ZEMAX 光学系统设计实训教程 M.武汉：华中科技大学出版社,2018.7 耿瑞辰,黄军霞.光学塑料折射非球面在双高斯照相物镜设计中的应用 J.制造业自动化,2010,32(13):145-148.8 王璞,常昊.一种激光变倍准直扩束系统:中国,CN208752314UP.2019-04-16.