光學(xué)設(shè)計CAD課程的教學(xué)改革與實踐

張繼艷

摘 要：《光學(xué)設(shè)計CAD》是應(yīng)用光學(xué)系列課程不可缺少的實踐環(huán)節(jié)，是提高學(xué)生創(chuàng)新實踐能力的重要課程，該文從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、教材編寫、教學(xué)成效反饋等方面，提出了一系列的改革措施，經(jīng)實踐證明，課程的教學(xué)改革取得了一定的成效。

關(guān)鍵詞：光學(xué)設(shè)計 教學(xué)改革 實踐教學(xué) 翻轉(zhuǎn)課堂

中圖分類號：G643.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）03（a）-0183-02

如何應(yīng)對快速發(fā)展的光電信息產(chǎn)業(yè)，更好地培養(yǎng)創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才，是光電信息科學(xué)技術(shù)專業(yè)的工作重點，而具有光電特色的應(yīng)用性課程的學(xué)習(xí)則是提高學(xué)生創(chuàng)新能力的最好途徑之一，光學(xué)設(shè)計CAD正是一門具有很強應(yīng)用性的實踐類課程。

光學(xué)設(shè)計CAD是光電信息科學(xué)技術(shù)專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)選修課，是光學(xué)系列課程中不可缺少的實踐環(huán)節(jié)，在培養(yǎng)大學(xué)生工程素質(zhì)與創(chuàng)新意識中發(fā)揮著重要的作用，同時這門課也是光電信息專業(yè)的特色課程。結(jié)合地方企業(yè)需求，開設(shè)具有光電特色的光學(xué)設(shè)計CAD實踐課程，這對于學(xué)生綜合素質(zhì)的提高和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有十分重要的意義。同時，對于推動其他高校相關(guān)專業(yè)和實踐教學(xué)課程體系的改革與創(chuàng)新也具有積極的促進作用。

1 改革教學(xué)內(nèi)容

像差理論是《光學(xué)設(shè)計CAD》重要的基礎(chǔ)知識[1]，貫穿整個課程的始終，像差部分的理論內(nèi)容中數(shù)學(xué)內(nèi)容繁多，大量像差公式的推導(dǎo)和光路圖繪制，難免會讓學(xué)生感到枯燥，同時專業(yè)術(shù)語的晦澀，其中公式定理的聯(lián)系和區(qū)別往往讓學(xué)生無所適從。為了方便學(xué)生記憶與理解，在像差部分學(xué)習(xí)中引入動態(tài)多媒體教學(xué)[2]，尤其光路的繪制的內(nèi)容統(tǒng)一使用CAI課件，動態(tài)光線可以詳細的描繪像差產(chǎn)生的機理及像差的消除和控制等內(nèi)容。

廈門理工學(xué)院的光學(xué)設(shè)計CAD課程分為理論課程和上機實驗課程兩部分，共計3個學(xué)分，其中理論課占2個學(xué)分，實驗課占1個學(xué)分。隨著素質(zhì)教育的不斷推近，筆者認識到實驗課程的得要性，著力塑造具有特色的光學(xué)設(shè)計實驗課程。實驗課程主要強調(diào)的是學(xué)生的動手能力與創(chuàng)新思維，在平時的理論課程中會穿插實驗教學(xué)的內(nèi)容，比如理論教學(xué)中介紹照相機光圈的知識，就直接引入Zemax軟件，打開一個設(shè)計好的照相物鏡程序，通過調(diào)整入瞳的大小觀察成像的情況。使學(xué)生能夠直觀地掌握光圈與相機分辨率之間的關(guān)系。在分析判斷像差的環(huán)節(jié)，借助簡單的單透鏡與雙膠合透鏡的光學(xué)系統(tǒng)作為例子，學(xué)生即可以對像差有更深刻的理解，同時也在學(xué)習(xí)過程中逐漸熟悉了軟件。實驗課內(nèi)容的設(shè)置貼近生活實踐，簡單的設(shè)計題目有單透鏡的設(shè)計，雙膠合透鏡的設(shè)計，多重配置的激光擴束望遠鏡的設(shè)計，設(shè)計題目由淺入深逐步過渡到自主選題的三片式照相物鏡、手機照相物鏡、顯微物鏡等設(shè)計。學(xué)生通過對光學(xué)設(shè)計軟件的操作可以更深刻的理解理論學(xué)習(xí)中的相關(guān)概念。實驗課程的最后增加了公差設(shè)計的內(nèi)容，讓學(xué)生了解整個工程設(shè)計的完整過程，使整個學(xué)習(xí)過程更貼近工程實踐。

在教學(xué)中穿插1～2節(jié)課的前沿性的技術(shù)報告或是講座，聘請合作企業(yè)的工程師或是大學(xué)研究所的科研人員作一到兩場報告，使學(xué)生了解行業(yè)內(nèi)的最新發(fā)展狀況，了解最新的技術(shù)工藝，學(xué)生通過學(xué)術(shù)報告對課程的興趣也日漸增加。

2 改革教學(xué)方式

打破教師一言堂的教學(xué)模式，提高學(xué)生的參與度。引入翻轉(zhuǎn)課堂的新的授課形式，課堂突出學(xué)生的主體意識，在一些教學(xué)內(nèi)容上，嘗試讓學(xué)生上臺講解，老師在一邊聽，并不斷拋出問題，誘導(dǎo)學(xué)生不斷的思考與探究。比如，用PW法求解雙膠合透鏡的結(jié)構(gòu)，請同學(xué)在課后預(yù)習(xí)，課上分組討論，并派每組的代表上臺講解。通過多樣的形式，學(xué)生的參與度得到提高，提高了其主體意識，也增加了其學(xué)習(xí)的興趣。

實驗課的考核采用自主選題的實驗設(shè)計項目，從企業(yè)需求和教師科研等渠道尋找設(shè)計題目，設(shè)計題目的難易度選擇適中，即要使學(xué)生得到訓(xùn)練，又要使學(xué)生通過一定的努力才能設(shè)計成功。其次是要求學(xué)生組成課題組，采用簽訂項目合同書的形式[3]，教師同課題組要簽訂一個完全按照科研項目開發(fā)合同擬定的任務(wù)書，任務(wù)書中有項目設(shè)計的具體內(nèi)容，并有各階段各項任務(wù)完成的時間點，設(shè)計完成進入答辯環(huán)節(jié)，每組派代表上臺答辯，學(xué)生答辯環(huán)節(jié)，翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方法發(fā)揮了極大的作用，學(xué)生在答辯的過程中可以及時地發(fā)現(xiàn)問題，并進行分析總結(jié)，如果沒有完成任務(wù)書要求，就要繼續(xù)設(shè)計直到答辯通過。

3 建立網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺。

為了向?qū)W生提供形式多樣的學(xué)習(xí)環(huán)境[4]，特別開發(fā)了光學(xué)設(shè)計CAD課程的網(wǎng)絡(luò)課堂，網(wǎng)絡(luò)課堂上有教師的授課視頻，授課的課件，教案，相應(yīng)的參考資料。網(wǎng)絡(luò)課堂可以讓學(xué)生在課后預(yù)習(xí)、自習(xí)、提交作業(yè)、了解課外知識，并可以和教師進行網(wǎng)上交流、輔導(dǎo)答疑，網(wǎng)絡(luò)課堂提高了學(xué)生的主動性和自覺性，也為輔助教學(xué)提供了極大地幫助。自開通以來受到了學(xué)生的極大歡迎，收到很好的成效。

4 教材編寫

目前，市面上一直缺少針對本科生教學(xué)使用的《光學(xué)設(shè)計CAD》教材，尤其是《光學(xué)設(shè)計CAD》實踐內(nèi)容相結(jié)合的配套教材，目前出版的相關(guān)教材不是難度太大，不適合本科生使用，就是內(nèi)容繁多，應(yīng)用性不強，而相關(guān)的軟件如Zemax的學(xué)習(xí)資料更是少之又少，如果要使用中英文的Zemax說明書來輔助教學(xué)，明顯內(nèi)容太過繁多，大部分內(nèi)容不適用。因此教師根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗，編寫了適用于本科生使用的教材，教材內(nèi)容貼近實踐，包括光學(xué)設(shè)計的基本概念，軟件的基本操作與簡單的分析工具，并有軟件設(shè)計的實例與詳細的操作步驟。目前，市場上對熟練操作光學(xué)設(shè)計軟件的人才需求日益增加，學(xué)生如果在學(xué)校就可以熟練操作軟件，在未來的人才市場上會更具有競爭力。

5 與課程相結(jié)合的競賽與項目

教學(xué)的目的是學(xué)以致用，教學(xué)相長，學(xué)生在學(xué)習(xí)了相關(guān)的知識后，可以鼓勵學(xué)生積極的參與該課程相關(guān)的學(xué)科競賽與創(chuàng)新項目。該校光電信息專業(yè)學(xué)生參加了第五屆全國大學(xué)生光電設(shè)計大賽，其中兩組學(xué)生選擇了最佳單透鏡構(gòu)建的題目，這個題目中景深擴展、像差設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計與照明設(shè)計等內(nèi)容剛好是光學(xué)設(shè)計的相關(guān)內(nèi)容。學(xué)生通過參與競賽，提高了動手操作能力，增強了團隊合作意識和競爭意識。最終我校的學(xué)生取得了省級二等獎、國家級二等獎的好成績。光電信息專業(yè)同學(xué)參于了多項省級、校極大學(xué)生創(chuàng)新項目的申報，所申報的題目中也有和光學(xué)設(shè)計相關(guān)的題目。學(xué)生積極主動的尋找題目，聯(lián)系導(dǎo)師，購買相應(yīng)的原材料與器件，突出了學(xué)生的主體意識，無形中更近一步提高他們的實踐創(chuàng)新能力。

6 教學(xué)成效反饋和評估

教學(xué)實踐的最終成效，要綜合考慮教師、學(xué)生、用人單位等多方面的需求，并建立較完善的教學(xué)成效反饋和評估方法。該校有校級督導(dǎo)及學(xué)生評教的活動，該課程無論在校級督導(dǎo)還是學(xué)生評教活動中均獲得了一致的好評。同時，該校光電信息專業(yè)近幾年與多家企業(yè)合作，如廈門晶宇光電有限公司，廈門華聯(lián)電子、廈門勵德光電有限公司、廈門光莆電子、廈門麥克奧迪有限公司、廈門朗星照明等，簽訂共建實踐教學(xué)基地協(xié)議，為光電信息專業(yè)學(xué)生的實踐實習(xí)提供了條件，該校主動和企業(yè)座談，請企業(yè)來評估光學(xué)設(shè)計CAD課程，依據(jù)企業(yè)的需求提出課程的改革目標。建立企業(yè)雇主與校友的訪談機制，通過調(diào)查問題卷進一步了解從事光學(xué)設(shè)計相關(guān)專業(yè)的校友對于課程建設(shè)上的意見與建議，并不斷地完善教學(xué)機制，從而提高適應(yīng)社會需求的能力。

7 結(jié)語

在經(jīng)過了以上的教學(xué)改革后，光學(xué)設(shè)計CAD課程已取得了初步的成效，但在某些環(huán)節(jié)上的改革還需進一步深入，同時在課堂的授課方式上，擬增加企業(yè)參觀實踐環(huán)節(jié)，使學(xué)生能夠親身了解企業(yè)工程師對于光學(xué)設(shè)計知識的運用與操作。實踐環(huán)節(jié)貫穿的素質(zhì)教育，必將為學(xué)生的職業(yè)選擇上助力，提高學(xué)生在未來人才市場上的競爭力。

參考文獻

[1] 劉鈞，高明.光學(xué)設(shè)計[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

[2] 牟達，羅春華，李艷紅.光學(xué)設(shè)計及CAD“課程多媒體教學(xué)實踐與研究”[J].長春理工大學(xué)學(xué)報，2012，7（11）：226-227.

[3] 岑兆豐，李曉彤，劉向東.引入科研模式的光學(xué)系統(tǒng)CAD課程[J].光學(xué)技術(shù)，2007，33（11）：272-274.

[4] 李玉紅.光學(xué)課程教學(xué)改革實踐與成果[J].高等理科教育，2006（2）：97-99.