工程光學多元化教學模式研究

陳穎+王春芳+童凱

[摘 要] 為了提高工程光學課程的教學效果，并增強理論教學與實踐教學的結合，提出了多元化的工程光學教學模式，引入先進教學理念，以啟發式、討論式等教學方法增強師生互動；結合網絡信息平臺，做好課前預習、課后復習和網絡答疑，建設網絡試題庫和教學交流平臺；結合課程設計、大學生創新訓練、科技創新競賽和本科生參與科研課題等多種方式培養學生的實踐能力。課程改革結果表明，學生的設計和動手能力明顯增強。該研究成果為工程光學的教與學提供了一種值得借鑒的新思路，并可為相關專業基礎課及專業方向課的教學實踐提供一定的參考。

[關鍵詞] 工程光學；教學改革；多元化；實踐教學

[中圖分類號] G642 [文獻標志碼] A [文章編號] 1005-4634（2014）02-0089-04

0 引言

《工程光學》是測控技術及儀器專業的專業平臺課，根據燕山大學本科生培養方案設置，其總學時為40學時，其中實驗學時為6學時。在知識結構上，該課程以大學物理和高等數學知識為先導，同時又以光電檢測技術、光學儀器設計、激光檢測技術、紅外檢測技術和光纖傳感及通信等課程為延拓。將幾何光學和物理光學作為主要授課內容，講授測量過程中涉及光學測量的各種方法，講授其基本思想、原理與技術，并以此為理論基礎，使學生在光學參量測量的過程中進行測量系統的分析與設計，并對其性能進行優化及誤差分析，從而滿足系統設計參數的要求和工程實際中的特定需要。

1 教學現狀及存在問題分析

在目前的《工程光學》教學過程中，存在著以下問題。

1）在教學內容上，原來的教學大綱強調教學內容的系統性和完整性，導致物理光學的部分章節與大學物理中的相應內容存在一定重復[1，2]，在幾何光學部分，存在大量的理論公式推導，抽象晦澀。

2）教學方法與手段單一。在以往的教學過程中，由于理論分析和公式推導內容較多，《工程光學》主要以板書教學為主。隨著計算機輔助教學模式在教學中的推廣，多媒體教學方式雖然提高了單位學時內的授課信息量，但也沒有改變以教師為中心、學生被動式學習的基本狀況，互動環節明顯缺失，忽視了授課效果的及時反饋，未能充分地發揮學生的主觀能動性，教學效果不理想[3，4]。

3）實驗內容陳舊，只能完成一些基礎性驗證實驗，而對設計性實驗的實現能力較差。光學器件的設計和加工過程都十分繁雜，因此，根據設計性實驗的要求購買或加工光學組件，其可行性不高。隨著實踐教學模式的探索與推廣，實驗室的作用應得到重視和充分的顯現[5，6]。

在《工程光學》的教學改革過程中，探索多元化教學模式，實現課堂教學與實踐性環節的有機結合，是十分必要的。

2 多元化教學模式探索

在《工程光學》教學改革過程中，嘗試課堂教學與信息網絡平臺、實踐教學和光學前沿講座相結合的多元化相輔相成的改革方案。其框架見圖1。

2.1 引入先進教學理念，改進課堂教學方法

本科生教育在整個教育體系中是一個系統性基礎理論教育部分，而后續的研究生教育階段將主要著眼于知識創新和技術攻關，具有更強的理論性、技術性、應用性和方向性。因此，本科生教育恰是一個打基礎的階段，應注重對學生科學思想的培養，對基礎理論知識的全面系統性學習必須被視為重中之重。

在課堂教學過程中，應精選教學內容，課堂教學內容的設計必須以問題的解決為主線，致力于對學生分析和設計能力的培養。針對每個教學單元的重要知識點，教師選擇有代表性、難度適中、綜合性較強的光學系統，合理設計問題，以點帶面，使學生在遇到實際問題時學會分析問題和解決問題，加深學生對光學原理在測量中實際應用的認識，鍛煉分析和系統設計的能力，激發學生的學習動力。

板書教學這種傳統的課堂教學方式，能夠將教師的語言和肢體動作相結合，教學方式生動，能夠使學生集中注意力，并使教學思路得以逐步地展示，從而使教師的講解過程與學生的理解過程同步。以板書教學為主體，注重學生對基礎性原理知識的掌握，最終達到較為理想的教學效果。多媒體教學能夠綜合文字、圖像、聲音、動畫和視頻，立體教學更適合人的思維習慣和記憶規律。通過聲音、圖像進行多維教學，使課堂上教與學的交流更為流暢、學生的思維更為敏捷、學生的學習效率和自主學習的積極性得到提高。由于授課學時的限制和系統化授課的要求，在保證知識結構完整性的前提下，將物理現象的呈現、應用背景的圖片等通過多媒體的方式進行形象地展示，可使學生獲得的信息豐富且直觀，并激發學生的學習興趣，使其帶著問題對理論性的內容進行學習。

2.2 課堂教學與網絡信息平臺相結合

由于授課學時有限，除了課堂教學所涉及的核心內容之外，對于其先導課程大學物理中已經涉及的內容和難度較小的輔助性內容，可以通過網絡信息平臺的授課視頻和學習資料來完成。與此同時，網絡信息平臺可以幫助學生完成課前預習、課后復習，并培養學生網絡提問和教師離線解答的師生交流模式，更好地保證授課效果，并排查授課過程中的薄弱環節。

網絡信息平臺除了作為課堂教學的延伸之外，還應為教學內容和教學方式的改革提供及時的信息反饋。為了加強對教學過程的監督和管理，不斷提高教學質量，在過去幾年的教學工作中，學校教務部門也建立了教學質量評價體系，通過學生評分和督導組的教學評價，對每門課程的運行情況進行評價。這種方式在很大程度上對教學改革起到了促進作用，但過去時的反饋信息只能指導今后的教學工作，缺乏實時性。通過網絡信息平臺的留言板，方便老師對后續課程的教學內容及方式進行及時調整，并以此作為增進師生交流的互動平臺。

建設《工程光學》課程網絡習題庫。為了配合課堂教學，使之產生更好的收效，課后的練習和自我測試是十分必要的。根據教學重點和難點問題，編制各類習題，并以期末考試和考研等各類考題為參照，編制典型習題，并提供習題講解，從而方便學生課后復習和考前準備。

2.3 引入任務式教學模式，培養學生的實踐能力

《工程光學》的教學改革嘗試，要注重培養學生的工程能力、創新能力、學習知識和運用知識以及解決問題的能力，乃至團隊協作能力。目前，《工程光學》課程設計、大學生創新訓練、科技創新比賽以及《工程光學》開放性實驗，是課程教學改革要涉及到的實踐性環節。在實踐性教學環節中，教師要轉變教學觀念，從教學的主導位置變為指導和輔助學生學習的角色。以明確的任務為驅動，使學生以主動的和實踐的方式進行學習，并建立實踐環節和課程教學內容之間的有機聯系，實現課堂所學的書本理論知識的運用，從而培養學生的工程實踐綜合能力。

Zemax是目前功能較為強大的光學設計軟件，因此，在課程設計中，可以用其完成光學系統的輔助設計，并幫忙學生完成課堂幾何光學教學中各種典型光學系統的像差分析。在課程設計的過程中，以分組的形式安排了“照相物鏡鏡頭設計與像差分析”、“牛頓望遠鏡設計與像差矯正”、“帶有非球面矯正器的施密特-卡塞格林系統設計”、“多重結構配置的激光束擴大器”、“折疊反射鏡面和坐標斷點”和“消色差透鏡設計”等多個設計任務。例如，在照相物鏡鏡頭的設計中，如圖2所示，應用Zemax軟件可以對后置光闌三片物鏡原始結構（其中，分別代表該多光組系統中的3個透鏡元件）進行參數優化，輸入參數并進行焦距縮放，從而生成初始參數及結構。如圖3所示。

進而在Zemax中進行像差分析及參數優化，在初始結構的MTF 曲線中，可看出成像質量很差， 因此需要校正像差，如圖4所示。調整其可變參量（包括6個曲率半徑，2個空氣間隔和3個玻璃的厚度），對物鏡的結構進行逐次優化。每次調整后再次優化實時關注MTF圖的曲線變化，最后使各個參數都在可接受范圍之內，如圖5所示。通過課程設計中對具體光學系統的設計和分析，學生們對課堂所學知識有了更新和更深刻的理解，通過學以致用，更加體會到所學知識的重要性。

在課程設計的基礎上，鼓勵學生結合課堂所學理論知識，開展創新性研究，申報大學生創新訓練計劃項目，教師指導學生進行選題和方案論證，以項目組的形式，明確每個學生的任務分工，使每個學生都有機會參與實際項目的研究或開發，通過項目的實施來驅動學習，在實踐中加深和強化對理論知識的理解。對于大學生創新計劃項目，導師不需特意強調成果，應注重其研究和實施的過程。

在創新訓練基礎上，鼓勵學生參加科技創新比賽，通過賽事培養學生的自主創新意識和團隊協作精神。學生可以親身體驗科學研究的全過程，以個性化的思路提出設計方案，從而大大增強學生解決問題的能力。通過精心的賽前準備，所設計的“光電主動式紅外報警器”在燕山大學校團委組織的“世紀杯”科技創新大賽中獲得了優異的成績，這也極大地增強了學生的自信心，促使學生在實踐中運用所學知識，進一步加深了對知識的理解。

利用實驗室條件，《工程光學》課程設計的設計任務、大學生創新訓練的相關內容、科技創新比賽的前期準備和方案實施等實踐環節對實驗的需求都可以得到很大程度上的解決。將開放性設計性實驗、競賽題目、科研課題與工程光學某些知識相聯系，制定項目的實施方案，規劃實驗流程，列出實驗儀器及元器件清單，通過實驗驗證項目方案的可行性。在不斷發現問題、研究問題和解決問題的過程中，學生會對探索和追求未知的科學領域產生極大的興趣，在學習的過程中變被動為主動，在研究過程中也不斷提高了自身的創新能力，真正實現了以人為本、自主學習的教學理念。

2.4 開展現代光學前沿知識講座

《工程光學》課程所講授的內容是光學的基礎性應用知識，通過開設光學講座的方法，向學生傳遞這些知識在現代光學技術中應用的信息，更能使學生了解光學前沿的概況，給課堂教學內容賦予時代氣息，拓展學生的知識面。通過這類活動，不但能增進學生對學科和本專業科研方向和科研梯隊的了解，更能使學生充分認識到學習《工程光學》的意義，而且也增強了學生熱愛專業、致力于專業課程學習的積極性，從而取得良好的收效。

2.5 教學安排及課時調整

《工程光學》教學改革已經在教學實踐中推進了一年，取得了初步的成果，并將在今后的教學過程中不斷探索、總結和提高。在上一個教學周期中，針對多元化教學模式的采用，已將整個學時安排進行了必要的調整。采用網絡信息平臺，針對大學物理中已經涉及的部分知識點，縮減了每堂課復習舊知識點和考前總復習的時間，網絡試題庫的建設節約了習題課的時間，以上兩方面節約學時數約6個學時，從中分配4個學時進行課堂項目式教學，其余2個學時開設光學前沿講座。更為深入復雜的設計任務則在為期1.5周的《工程光學》課程設計中完成。另外，學生通過大學生科技創新訓練及科技創新比賽，除了獲得實踐能力的鍛煉之外，還獲得了大學四年中必修的“科技創新”學分。

3 結束語

在現今的高等教育中，注重人才的全面發展，多出人才、出好人才，是高等教育的最終目的。在工程光學教學和實踐中，發現了不少問題，有些教學改革的想法還不完善，還將在今后的教學實踐中不斷探索行之有效的改革措施。通過教學實踐和經驗總結，提高教師的理論教學和實踐教學水平，完善教學方法，取得更好的教學效果。通過多元化教學模式的嘗試，在優化課程理論教學內容的同時，引入豐富的實踐教學環節，使學生的工程應用能力、創新能力和綜合素質得到有效的培養，為學生今后的研究和就業開辟更為廣闊的空間。

參考文獻

[1]施建華，王弘剛，梁永輝，江文杰.關于“光學工程”學科課程建設的幾點思考[J].光學技術，2007，33（S1）：309-310.

[2]付瑞紅，王愛冬.信息化時代高等教育理念及課程模式的探索[J].教學研究.2013，36（2）：8-12.

[3]蔡建文.工程光學課程教學探討[J].中國科教創新導刊，2011，（5）：58.

[4]李麗，劉曉波.工程光學教學改革探索[J].實驗技術與管理，2009，26（8）：129-131.

[5]蔡懷宇，郁道銀，李清.“工程光學”國家精品課程的建設與改革[J].高等理科教育，2006，（2）：38-40.

[6]岑兆豐，李曉彤，劉向東.浙江大學應用光學課程的發展和改革[J].光學技術.2007，33（S1）：268-269.

2.3 引入任務式教學模式，培養學生的實踐能力

《工程光學》的教學改革嘗試，要注重培養學生的工程能力、創新能力、學習知識和運用知識以及解決問題的能力，乃至團隊協作能力。目前，《工程光學》課程設計、大學生創新訓練、科技創新比賽以及《工程光學》開放性實驗，是課程教學改革要涉及到的實踐性環節。在實踐性教學環節中，教師要轉變教學觀念，從教學的主導位置變為指導和輔助學生學習的角色。以明確的任務為驅動，使學生以主動的和實踐的方式進行學習，并建立實踐環節和課程教學內容之間的有機聯系，實現課堂所學的書本理論知識的運用，從而培養學生的工程實踐綜合能力。

Zemax是目前功能較為強大的光學設計軟件，因此，在課程設計中，可以用其完成光學系統的輔助設計，并幫忙學生完成課堂幾何光學教學中各種典型光學系統的像差分析。在課程設計的過程中，以分組的形式安排了“照相物鏡鏡頭設計與像差分析”、“牛頓望遠鏡設計與像差矯正”、“帶有非球面矯正器的施密特-卡塞格林系統設計”、“多重結構配置的激光束擴大器”、“折疊反射鏡面和坐標斷點”和“消色差透鏡設計”等多個設計任務。例如，在照相物鏡鏡頭的設計中，如圖2所示，應用Zemax軟件可以對后置光闌三片物鏡原始結構（其中，分別代表該多光組系統中的3個透鏡元件）進行參數優化，輸入參數并進行焦距縮放，從而生成初始參數及結構。如圖3所示。

進而在Zemax中進行像差分析及參數優化，在初始結構的MTF 曲線中，可看出成像質量很差， 因此需要校正像差，如圖4所示。調整其可變參量（包括6個曲率半徑，2個空氣間隔和3個玻璃的厚度），對物鏡的結構進行逐次優化。每次調整后再次優化實時關注MTF圖的曲線變化，最后使各個參數都在可接受范圍之內，如圖5所示。通過課程設計中對具體光學系統的設計和分析，學生們對課堂所學知識有了更新和更深刻的理解，通過學以致用，更加體會到所學知識的重要性。

在課程設計的基礎上，鼓勵學生結合課堂所學理論知識，開展創新性研究，申報大學生創新訓練計劃項目，教師指導學生進行選題和方案論證，以項目組的形式，明確每個學生的任務分工，使每個學生都有機會參與實際項目的研究或開發，通過項目的實施來驅動學習，在實踐中加深和強化對理論知識的理解。對于大學生創新計劃項目，導師不需特意強調成果，應注重其研究和實施的過程。

在創新訓練基礎上，鼓勵學生參加科技創新比賽，通過賽事培養學生的自主創新意識和團隊協作精神。學生可以親身體驗科學研究的全過程，以個性化的思路提出設計方案，從而大大增強學生解決問題的能力。通過精心的賽前準備，所設計的“光電主動式紅外報警器”在燕山大學校團委組織的“世紀杯”科技創新大賽中獲得了優異的成績，這也極大地增強了學生的自信心，促使學生在實踐中運用所學知識，進一步加深了對知識的理解。

利用實驗室條件，《工程光學》課程設計的設計任務、大學生創新訓練的相關內容、科技創新比賽的前期準備和方案實施等實踐環節對實驗的需求都可以得到很大程度上的解決。將開放性設計性實驗、競賽題目、科研課題與工程光學某些知識相聯系，制定項目的實施方案，規劃實驗流程，列出實驗儀器及元器件清單，通過實驗驗證項目方案的可行性。在不斷發現問題、研究問題和解決問題的過程中，學生會對探索和追求未知的科學領域產生極大的興趣，在學習的過程中變被動為主動，在研究過程中也不斷提高了自身的創新能力，真正實現了以人為本、自主學習的教學理念。

2.4 開展現代光學前沿知識講座

《工程光學》課程所講授的內容是光學的基礎性應用知識，通過開設光學講座的方法，向學生傳遞這些知識在現代光學技術中應用的信息，更能使學生了解光學前沿的概況，給課堂教學內容賦予時代氣息，拓展學生的知識面。通過這類活動，不但能增進學生對學科和本專業科研方向和科研梯隊的了解，更能使學生充分認識到學習《工程光學》的意義，而且也增強了學生熱愛專業、致力于專業課程學習的積極性，從而取得良好的收效。

2.5 教學安排及課時調整

《工程光學》教學改革已經在教學實踐中推進了一年，取得了初步的成果，并將在今后的教學過程中不斷探索、總結和提高。在上一個教學周期中，針對多元化教學模式的采用，已將整個學時安排進行了必要的調整。采用網絡信息平臺，針對大學物理中已經涉及的部分知識點，縮減了每堂課復習舊知識點和考前總復習的時間，網絡試題庫的建設節約了習題課的時間，以上兩方面節約學時數約6個學時，從中分配4個學時進行課堂項目式教學，其余2個學時開設光學前沿講座。更為深入復雜的設計任務則在為期1.5周的《工程光學》課程設計中完成。另外，學生通過大學生科技創新訓練及科技創新比賽，除了獲得實踐能力的鍛煉之外，還獲得了大學四年中必修的“科技創新”學分。

3 結束語

在現今的高等教育中，注重人才的全面發展，多出人才、出好人才，是高等教育的最終目的。在工程光學教學和實踐中，發現了不少問題，有些教學改革的想法還不完善，還將在今后的教學實踐中不斷探索行之有效的改革措施。通過教學實踐和經驗總結，提高教師的理論教學和實踐教學水平，完善教學方法，取得更好的教學效果。通過多元化教學模式的嘗試，在優化課程理論教學內容的同時，引入豐富的實踐教學環節，使學生的工程應用能力、創新能力和綜合素質得到有效的培養，為學生今后的研究和就業開辟更為廣闊的空間。

參考文獻

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[6]岑兆豐，李曉彤，劉向東.浙江大學應用光學課程的發展和改革[J].光學技術.2007，33（S1）：268-269.

2.3 引入任務式教學模式，培養學生的實踐能力

《工程光學》的教學改革嘗試，要注重培養學生的工程能力、創新能力、學習知識和運用知識以及解決問題的能力，乃至團隊協作能力。目前，《工程光學》課程設計、大學生創新訓練、科技創新比賽以及《工程光學》開放性實驗，是課程教學改革要涉及到的實踐性環節。在實踐性教學環節中，教師要轉變教學觀念，從教學的主導位置變為指導和輔助學生學習的角色。以明確的任務為驅動，使學生以主動的和實踐的方式進行學習，并建立實踐環節和課程教學內容之間的有機聯系，實現課堂所學的書本理論知識的運用，從而培養學生的工程實踐綜合能力。

Zemax是目前功能較為強大的光學設計軟件，因此，在課程設計中，可以用其完成光學系統的輔助設計，并幫忙學生完成課堂幾何光學教學中各種典型光學系統的像差分析。在課程設計的過程中，以分組的形式安排了“照相物鏡鏡頭設計與像差分析”、“牛頓望遠鏡設計與像差矯正”、“帶有非球面矯正器的施密特-卡塞格林系統設計”、“多重結構配置的激光束擴大器”、“折疊反射鏡面和坐標斷點”和“消色差透鏡設計”等多個設計任務。例如，在照相物鏡鏡頭的設計中，如圖2所示，應用Zemax軟件可以對后置光闌三片物鏡原始結構（其中，分別代表該多光組系統中的3個透鏡元件）進行參數優化，輸入參數并進行焦距縮放，從而生成初始參數及結構。如圖3所示。

進而在Zemax中進行像差分析及參數優化，在初始結構的MTF 曲線中，可看出成像質量很差， 因此需要校正像差，如圖4所示。調整其可變參量（包括6個曲率半徑，2個空氣間隔和3個玻璃的厚度），對物鏡的結構進行逐次優化。每次調整后再次優化實時關注MTF圖的曲線變化，最后使各個參數都在可接受范圍之內，如圖5所示。通過課程設計中對具體光學系統的設計和分析，學生們對課堂所學知識有了更新和更深刻的理解，通過學以致用，更加體會到所學知識的重要性。

在課程設計的基礎上，鼓勵學生結合課堂所學理論知識，開展創新性研究，申報大學生創新訓練計劃項目，教師指導學生進行選題和方案論證，以項目組的形式，明確每個學生的任務分工，使每個學生都有機會參與實際項目的研究或開發，通過項目的實施來驅動學習，在實踐中加深和強化對理論知識的理解。對于大學生創新計劃項目，導師不需特意強調成果，應注重其研究和實施的過程。

在創新訓練基礎上，鼓勵學生參加科技創新比賽，通過賽事培養學生的自主創新意識和團隊協作精神。學生可以親身體驗科學研究的全過程，以個性化的思路提出設計方案，從而大大增強學生解決問題的能力。通過精心的賽前準備，所設計的“光電主動式紅外報警器”在燕山大學校團委組織的“世紀杯”科技創新大賽中獲得了優異的成績，這也極大地增強了學生的自信心，促使學生在實踐中運用所學知識，進一步加深了對知識的理解。

利用實驗室條件，《工程光學》課程設計的設計任務、大學生創新訓練的相關內容、科技創新比賽的前期準備和方案實施等實踐環節對實驗的需求都可以得到很大程度上的解決。將開放性設計性實驗、競賽題目、科研課題與工程光學某些知識相聯系，制定項目的實施方案，規劃實驗流程，列出實驗儀器及元器件清單，通過實驗驗證項目方案的可行性。在不斷發現問題、研究問題和解決問題的過程中，學生會對探索和追求未知的科學領域產生極大的興趣，在學習的過程中變被動為主動，在研究過程中也不斷提高了自身的創新能力，真正實現了以人為本、自主學習的教學理念。

2.4 開展現代光學前沿知識講座

《工程光學》課程所講授的內容是光學的基礎性應用知識，通過開設光學講座的方法，向學生傳遞這些知識在現代光學技術中應用的信息，更能使學生了解光學前沿的概況，給課堂教學內容賦予時代氣息，拓展學生的知識面。通過這類活動，不但能增進學生對學科和本專業科研方向和科研梯隊的了解，更能使學生充分認識到學習《工程光學》的意義，而且也增強了學生熱愛專業、致力于專業課程學習的積極性，從而取得良好的收效。

2.5 教學安排及課時調整

《工程光學》教學改革已經在教學實踐中推進了一年，取得了初步的成果，并將在今后的教學過程中不斷探索、總結和提高。在上一個教學周期中，針對多元化教學模式的采用，已將整個學時安排進行了必要的調整。采用網絡信息平臺，針對大學物理中已經涉及的部分知識點，縮減了每堂課復習舊知識點和考前總復習的時間，網絡試題庫的建設節約了習題課的時間，以上兩方面節約學時數約6個學時，從中分配4個學時進行課堂項目式教學，其余2個學時開設光學前沿講座。更為深入復雜的設計任務則在為期1.5周的《工程光學》課程設計中完成。另外，學生通過大學生科技創新訓練及科技創新比賽，除了獲得實踐能力的鍛煉之外，還獲得了大學四年中必修的“科技創新”學分。

3 結束語

在現今的高等教育中，注重人才的全面發展，多出人才、出好人才，是高等教育的最終目的。在工程光學教學和實踐中，發現了不少問題，有些教學改革的想法還不完善，還將在今后的教學實踐中不斷探索行之有效的改革措施。通過教學實踐和經驗總結，提高教師的理論教學和實踐教學水平，完善教學方法，取得更好的教學效果。通過多元化教學模式的嘗試，在優化課程理論教學內容的同時，引入豐富的實踐教學環節，使學生的工程應用能力、創新能力和綜合素質得到有效的培養，為學生今后的研究和就業開辟更為廣闊的空間。

參考文獻

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