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基于光學(xué)設(shè)計軟件的應(yīng)用光學(xué)課程建設(shè)研究
基于光學(xué)設(shè)計軟件的應(yīng)用光學(xué)課程建設(shè)研究
李莉1,李飛2,徐春梅1,劉秉琦1
(1.軍械工程學(xué)院電子與光學(xué)工程系,河北石家莊050003;2.石家莊陸軍指揮學(xué)院,河北石家莊050003)
摘要:光學(xué)已成為一門越來越重要的學(xué)科,而應(yīng)用光學(xué)課程作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課程在光學(xué)專業(yè)人才的培養(yǎng)方面起到了至關(guān)重要的作用。針對該課程傳統(tǒng)教學(xué)方法手段的不足,本文研究了基于光學(xué)設(shè)計軟件的課程建設(shè)內(nèi)容與應(yīng)用實踐。
關(guān)鍵詞:光學(xué)設(shè)計軟件;應(yīng)用光學(xué);教學(xué)建設(shè);應(yīng)用實踐
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基金項目:軍械工程學(xué)院教學(xué)研究課題(jxlx12w41)
作者簡介:李莉(1981-),女,河北大學(xué)光學(xué)專業(yè),碩士學(xué)歷,現(xiàn)為中國人民解放軍軍械工程學(xué)院講師。
應(yīng)用光學(xué)課程是光學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)方案中非常重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程,課程包含了工科院校光學(xué)專業(yè)學(xué)員所需必備的光學(xué)基礎(chǔ)知識,為后續(xù)專業(yè)課程奠定理論基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)。如何充分發(fā)揮各種信息化教學(xué)方法手段上好《應(yīng)用光學(xué)》課程是專業(yè)課程建設(shè)和學(xué)員能力培養(yǎng)的關(guān)鍵問題之一。隨著信息技術(shù)的發(fā)展,信息化教學(xué)模式的優(yōu)勢越來越顯著,各種信息化教學(xué)方法手段被廣泛應(yīng)用到教學(xué)中來[1]。因此要瞄準(zhǔn)課程建設(shè)需要以及信息化教學(xué)改革的需要,將光學(xué)設(shè)計軟件引入到教學(xué)中來,利用先進(jìn)的光學(xué)設(shè)計軟件進(jìn)行教學(xué)實例以及仿真實驗的建設(shè),推動應(yīng)用光學(xué)課程的信息化建設(shè)進(jìn)程。
一、光學(xué)設(shè)計軟件在應(yīng)用光學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用意義
經(jīng)過多年的《應(yīng)用光學(xué)》課程教學(xué)實踐,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的教學(xué)手段,如黑板、粉筆、多媒體示意圖等還存在很多不足[2]。比如,在理論教學(xué)時,大量復(fù)雜的光路圖、光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖以及實用的光學(xué)元器件圖等等都不同于一般的示意圖,要求準(zhǔn)確度很高,而且有時還涉及到空間光線,大大地增加了課堂講授難度,同時也影響了教學(xué)效果。在針對光學(xué)系統(tǒng)成像過程的講授時,傳統(tǒng)的教學(xué)手段也不能給出實際的成像裝置及成像過程,遇到復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)時,更是不能定量地畫出光路圖,也不能給出其動態(tài)的成像過程。又比如,在實踐教學(xué)時,為了能夠進(jìn)一步獲得深層次的理性認(rèn)識,必須在感性認(rèn)識的基礎(chǔ)之上,通過實踐,培養(yǎng)出學(xué)員實驗的邏輯思維方法和訓(xùn)練出解決實際問題的能力。然而,眾所周知,光學(xué)實驗的條件要求非常高,實驗現(xiàn)象可以用弱、精、微來總結(jié),在課堂上由于條件的限制很多將難以演示或呈現(xiàn)出便于觀察、正確的結(jié)果。這些非常成熟,但又顯露出相對落后的傳統(tǒng)教學(xué)手段,造成了光學(xué)理論與實驗在教學(xué)時間和空間上的不匹配,已經(jīng)非常明顯地影響了應(yīng)用光學(xué)的教學(xué)效果,急需進(jìn)行教學(xué)方法手段的改進(jìn)。
我們利用先進(jìn)的光學(xué)設(shè)計軟件進(jìn)行教學(xué)實例以及仿真實驗的建設(shè),凸出意義有以下三點。
1.利用專業(yè)的光學(xué)設(shè)計軟件可以將課程中涉及到的光路、光學(xué)元件進(jìn)而到光學(xué)系統(tǒng),甚至實用化到光學(xué)儀器,以三維實體的方式精準(zhǔn)地構(gòu)建出來(這是光學(xué)設(shè)計軟件的基本功能之一),這些構(gòu)建實例相比于傳統(tǒng)教學(xué)中使用的二維示意圖,準(zhǔn)確度大大提高,甚至上升到了光學(xué)量級,加上高度的形象化和精密的準(zhǔn)確性可以確保虛擬仿真的效果并極大地增強(qiáng)教學(xué)效果。
2.隨著教改的進(jìn)行,新的專業(yè)人才培養(yǎng)方案中,加入了很多新的課程,也整合了很多原有課程,應(yīng)用光學(xué)課程的學(xué)時進(jìn)行了縮減,而要想在更為有限的課時中,加入并很好地開展各種實驗,將比較困難。通過將光學(xué)設(shè)計軟件與應(yīng)用光學(xué)課程有機(jī)結(jié)合,以軟件為平臺,將各種抽象的或難以演示的光學(xué)實驗?zāi)M仿真出來后運(yùn)用于課堂教學(xué)中,緊密結(jié)合抽象理論與直觀實驗,將很好地加深學(xué)員對理論知識的理解,提高學(xué)員對科學(xué)實驗的認(rèn)知,實現(xiàn)理論與實驗實時結(jié)合的課堂一體化教學(xué)。
3. 光學(xué)設(shè)計軟件作為光學(xué)領(lǐng)域?qū)I(yè)的工程軟件,在科研、生產(chǎn)工作中應(yīng)用非常廣泛,教員將它引入到教學(xué)建設(shè)中,同樣也是引入到學(xué)員的學(xué)習(xí)過程中,也就意味著為學(xué)員提供了一個培養(yǎng)創(chuàng)新意識和鍛煉工程能力的平臺,可以實現(xiàn)所學(xué)應(yīng)用光學(xué)知識在光學(xué)系統(tǒng)、光學(xué)儀器甚至光電儀器中的實際應(yīng)用,使教學(xué)、科研充分銜接,適應(yīng)工程實踐需求[3]。
二、具體建設(shè)內(nèi)容與應(yīng)用實踐
信息化條件下基于光學(xué)設(shè)計軟件的應(yīng)用光學(xué)課程建設(shè)可以從以下幾個方面進(jìn)行。
1.教學(xué)實例的計算機(jī)仿真建設(shè),推進(jìn)信息化教學(xué)方法手段的應(yīng)用。(www.htc668.com)教學(xué)實例的計算機(jī)仿真建設(shè)由來已久,在原有的課程資源中,已經(jīng)制作了比較多的簡單多媒體應(yīng)用,比如簡單的示意圖、靜態(tài)照片圖片,也包括一些Flash簡單示意動畫,這些還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,利用專業(yè)的光學(xué)設(shè)計軟件模擬出具有光學(xué)精度的交互式三維實體模型[4]取而代之以推進(jìn)信息化教學(xué)方法手段的應(yīng)用。例如,對于光學(xué)元件以及由光學(xué)元件組成的典型成像光學(xué)系統(tǒng)的建模及仿真分析,可以采用業(yè)內(nèi)目前流通非常廣泛的ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件來完成;而光度學(xué)、色度學(xué)部分中涉及到的非成像、照明光學(xué)系統(tǒng)的建模分析可以采用以照明分析見長的TracePro軟件來完成。
2.虛擬仿真光學(xué)實驗建設(shè),促進(jìn)理論與實驗課堂一體教學(xué)。眾所周知,虛擬仿真實驗是計算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用于實驗教學(xué)而形成的一種現(xiàn)代實驗教學(xué)手段,在很多理工科課程中均已有應(yīng)用。其優(yōu)點在于不受實驗條件的限制,使得很多現(xiàn)實不易完成的實驗均可借助虛擬技術(shù)實現(xiàn)。通過建設(shè)與課程內(nèi)容匹配的幾何光學(xué)、典型光學(xué)系統(tǒng)(如顯微系統(tǒng)與望遠(yuǎn)系統(tǒng)的比較、兩類望遠(yuǎn)系統(tǒng)的比較),甚至一部分物理光學(xué)的虛擬仿真實驗(如理想光學(xué)系統(tǒng)與實際光學(xué)系統(tǒng)的分辨率),可以有效地解決課時受限、實驗條件受限的困境,使學(xué)員更好地掌握基本的光學(xué)理論知識的同時,加深對典型的光學(xué)系統(tǒng)的認(rèn)識。
3.學(xué)員科研訓(xùn)練基地建設(shè),課堂教學(xué)與工程實踐并重。1989年麻省理工學(xué)院提出“回歸工程”的新觀念后得到了包括世界一流大學(xué)和一般大學(xué)的普遍認(rèn)同,回歸工程主要指將普通工科高校的一切工作回到以技術(shù)創(chuàng)新為中心的素質(zhì)教育上來[5]。在人才培養(yǎng)方案中,應(yīng)用光學(xué)屬于專業(yè)基礎(chǔ)課程,它與其他專業(yè)課相比,有著更廣的內(nèi)容,也與基礎(chǔ)學(xué)科(如數(shù)學(xué)、物理)和相關(guān)學(xué)科(如儀器科學(xué)、測量科學(xué))有著更為廣泛的聯(lián)系,更容易知識的綜合與學(xué)科的交叉。因此,將光學(xué)設(shè)計軟件引入到教學(xué)建設(shè)中來,就是引入到學(xué)員當(dāng)前的學(xué)習(xí)、未來的工作中來,通過分解提取一些與應(yīng)用光學(xué)課程內(nèi)容有聯(lián)系的科研創(chuàng)作。如像質(zhì)良好放大鏡的設(shè)計、簡單望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計、相機(jī)取景器的設(shè)計等等,培養(yǎng)一些優(yōu)秀學(xué)員,成為研究型教學(xué)的對象,做到課堂教學(xué)與工程實踐并重。
在以上建設(shè)內(nèi)容完成的前提之下,將建設(shè)成果合理地引入到應(yīng)用光學(xué)課程的教學(xué)實踐中來,才能體現(xiàn)出其價值,并帶來效益,具體應(yīng)用實踐如下。
1.利用建設(shè)的教學(xué)實例進(jìn)行理論教學(xué)。經(jīng)專業(yè)光學(xué)設(shè)計軟件模擬出的具有光學(xué)精度的三維實體模型實例可以應(yīng)用于理論教學(xué)過程中,例如,在講授光闌的選擇這部分內(nèi)容時,僅利用課本、示意圖將很難講解清楚,利用Zemax光學(xué)設(shè)計軟件建立的望遠(yuǎn)系統(tǒng)實例,通過逐一選擇不同的光學(xué)零件作為孔徑光闌,學(xué)員們可以清楚地看到透鏡數(shù)據(jù)欄中各個零件的口徑大。ň_到0.001mm),也可以直觀地通過三維圖查看設(shè)計的望遠(yuǎn)系統(tǒng)外形,合理與否一目了然。這樣的實例,可以加快、加深學(xué)員對相關(guān)知識的理解。
2.上機(jī)實踐與課程的理論學(xué)習(xí)相結(jié)合?梢酝ㄟ^安排一定的上機(jī)時間,讓學(xué)員直接進(jìn)行軟件操作學(xué)習(xí),學(xué)以致用,真正體會“應(yīng)用光學(xué)”應(yīng)用性的所在,加上應(yīng)用光學(xué)是光學(xué)設(shè)計的基礎(chǔ),通過初步掌握光學(xué)設(shè)計軟件Zemax的使用方法,還可以使學(xué)員更多地了解有關(guān)光學(xué)設(shè)計的知識,促進(jìn)學(xué)員向著更深的專業(yè)領(lǐng)域中去鉆研。另外,雙語教學(xué)雖然還沒有開始開展,但是,也已經(jīng)成為普遍的趨勢,而Zemax恰是國外引進(jìn)的專業(yè)軟件,為全英文界面,所用術(shù)語均與專業(yè)領(lǐng)域相同,因此學(xué)員在利用該軟件進(jìn)行課程學(xué)習(xí)的同時,也是不斷提高專業(yè)英語的過程,可以說采用光學(xué)設(shè)計軟件與應(yīng)用光學(xué)課程相結(jié)合的教學(xué)手段,加強(qiáng)實踐環(huán)節(jié)的建設(shè),不僅可以鞏固和加深對應(yīng)用光學(xué)基礎(chǔ)理論的理解,而且通過必要的設(shè)計實踐使學(xué)員掌握對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行初步設(shè)計的知識,逐步具備解決工程實際問題的能力。
3.總結(jié)成果形成實用的配套資料。將建設(shè)的教學(xué)實例以及上機(jī)實踐科目整理總結(jié),形成供教員教學(xué)以及學(xué)員學(xué)習(xí)的課程配套資料,并通過每年的講授加以不斷地完善,形成常態(tài),永無止境地追求教學(xué)效果的提高。另一個原因,雖然目前光學(xué)設(shè)計軟件Zemax所占有的市場份額較高,用戶較廣,但是有關(guān)Zemax的中英文對照教材還不多,國內(nèi)獨家代理公司雖然每年有培訓(xùn)班、培訓(xùn)資料,但對課程的針對性不強(qiáng),這些不利于學(xué)員很快的入門,所以,將教員每年的教學(xué)經(jīng)驗積累起來,將相應(yīng)建設(shè)內(nèi)容匯集起來,形成完整、系統(tǒng)且實用又有針對性的教與學(xué)配套資料,并不斷應(yīng)用到實踐中來,達(dá)到良性循環(huán)。
三、結(jié)束語
應(yīng)用光學(xué)課程本身具備理論與實際相結(jié)合、應(yīng)用性強(qiáng)的特點,在培養(yǎng)學(xué)員科學(xué)的思維方式,綜合運(yùn)用基礎(chǔ)理論知識分析并解決實際光學(xué)儀器問題的能力,以及知識的梳理和擴(kuò)展學(xué)習(xí)的能力方面作用重大。我們對該課程的建設(shè)進(jìn)行了有益的探索與實踐,并將繼續(xù)努力加以完善。
參考文獻(xiàn):
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