“工程光學(xué)（上）”的研究型教學(xué)方式改革探索

張穎 牛燕雄 馮麗爽 孫軍華

摘要：“工程光學(xué)（上）”是北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院相關(guān)本科專業(yè)的專業(yè)核心課程之一，其教學(xué)效果直接影響著后續(xù)專業(yè)課程。為了進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性、工程實踐能力和創(chuàng)新能力，我們對該課程分別進(jìn)行了基于光學(xué)測量的教學(xué)方式改革方案設(shè)計、基于光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評價的教學(xué)方式改革方案設(shè)計和基于基礎(chǔ)光學(xué)設(shè)計的研究型教學(xué)方式改革方案設(shè)計，預(yù)計下一步實施之后能夠使教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量得到一定的改善。

關(guān)鍵詞：工程光學(xué);研究型教學(xué);改革;教學(xué)方式

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9324（2020）22-0227-02

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，工程光學(xué)已經(jīng)交叉融入到信息科學(xué)、能源科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)、空間科學(xué)、精密機(jī)械與制造、計算機(jī)科學(xué)及微電子技術(shù)等多個領(lǐng)域的研究之中，在當(dāng)今的科技領(lǐng)域及工業(yè)技術(shù)中發(fā)揮著重要作用。為了適應(yīng)時代發(fā)展的要求，將學(xué)生向研究型人才方向培養(yǎng)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性、工程實踐能力和創(chuàng)新能力，我們對“工程光學(xué)（上）”進(jìn)行了教學(xué)方法方面的改革方案設(shè)計，預(yù)計在下一步實施之后能夠使教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量得到一定的改善。

一、教學(xué)現(xiàn)狀及分析

北航儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院“工程光學(xué)（上）”的授課團(tuán)隊由四名教師組成，在明確本學(xué)院人才培養(yǎng)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，制定“工程光學(xué)（上）”的教學(xué)大綱，確定教學(xué)目標(biāo)及任務(wù)，通過課堂教學(xué)和課下學(xué)院科研團(tuán)隊設(shè)立實驗兩個主要環(huán)節(jié)，使學(xué)生掌握幾何光學(xué)中的概念、基本光學(xué)原理與定律，學(xué)習(xí)和熟悉典型光學(xué)儀器的結(jié)構(gòu)和原理，提升學(xué)生用幾何光學(xué)知識解決工程問題的能力。教學(xué)團(tuán)隊通過研究和討論的形式對當(dāng)前存在的教學(xué)問題進(jìn)行了分析，認(rèn)為問題主要是當(dāng)前課堂教學(xué)中的大量理論分析和公式推導(dǎo)使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中感到枯燥，主動性不高。

二、研究型教學(xué)方式改革探索

在“工程光學(xué)（上）”的教學(xué)改革過程中，嘗試將課堂教學(xué)與研究型實驗教學(xué)相結(jié)合，制定相輔相成的教學(xué)改革方案，如圖1所示。

1.基于光學(xué)測量的教學(xué)方式改革。針對幾何光學(xué)基本定律與成像概念、理想光學(xué)系統(tǒng)、平面與平面系統(tǒng)這三章的內(nèi)容，在采用傳統(tǒng)教學(xué)方式的基礎(chǔ)上進(jìn)行基于光學(xué)測量的研究型教學(xué)方式改革方案與實踐，并設(shè)計了光學(xué)元件及光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)的綜合測試實驗。針對光學(xué)元件及光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用形成的原理紛繁復(fù)雜，其測試方法也有所不同，在這個學(xué)科領(lǐng)域可以涌現(xiàn)出大量的創(chuàng)新方法。所設(shè)計的光學(xué)系統(tǒng)性能測試平臺，目的在于體現(xiàn)元件測試、系統(tǒng)測試以及綜合測試的要求，主要針對焦距、視場角等幾個光學(xué)系統(tǒng)基本參量進(jìn)行基礎(chǔ)方法的引導(dǎo)，旨在拋磚引玉，給學(xué)生一個創(chuàng)新性發(fā)揮的空間。

焦距是光學(xué)系統(tǒng)和透鏡的最重要光學(xué)參數(shù)，以該參量的測量方法為例，迄今已經(jīng)有多種行之有效的測量方法。在幾何光學(xué)原理基礎(chǔ)上，最基本的測量焦距和頂焦距的方法是放大率法。對于較大口徑光學(xué)系統(tǒng)的焦距要求很準(zhǔn)確時，可以采用精密測角法。在教學(xué)過程中，我們將給出這兩種基本測量方法的測量原理，如圖2和圖3所示。

2.基于光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評價的教學(xué)方式改革。針對光學(xué)系統(tǒng)方面的內(nèi)容，在采用傳統(tǒng)教學(xué)方式的基礎(chǔ)上引入其成像質(zhì)量測試方法對比教學(xué)，進(jìn)行基于光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評價的教學(xué)方式改革方案與實踐。

設(shè)計了典型光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評價的綜合測試實驗。針對小視場小孔徑、小視場大孔徑、大視場小孔徑和大視場大孔徑等四組攝影鏡頭，分別通過星點測試和分辨率測試兩種方法完成對光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的測試。

3.基于基礎(chǔ)光學(xué)設(shè)計的研究型教學(xué)方式改革。針對光學(xué)系統(tǒng)方面的教學(xué)內(nèi)容，具體包括光學(xué)系統(tǒng)中的光闌與光束限制、典型光學(xué)系統(tǒng)、現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)評價和像差公差等，進(jìn)行基礎(chǔ)光學(xué)設(shè)計的研究型教學(xué)方式改革。在課堂教學(xué)中，結(jié)合前面學(xué)過的光學(xué)基礎(chǔ)理論知識和各類光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，利用ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件設(shè)計簡單、典型的光學(xué)系統(tǒng)。

三、結(jié)語

上述教學(xué)方法是我們的教學(xué)團(tuán)隊從多年的本科工程光學(xué)教學(xué)經(jīng)歷中摸索出來的，在下一步實施之后會進(jìn)一步評估其對教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量的改善程度。在“工程光學(xué)（上）”教學(xué)的過程中，應(yīng)以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性、工程實踐能力和創(chuàng)新能力作為教學(xué)的重要目標(biāo)，讓學(xué)生學(xué)以致用、不斷創(chuàng)新，這種教學(xué)觀念應(yīng)該貫穿于教學(xué)的各個環(huán)節(jié)。在今后的教學(xué)工作中還應(yīng)加大改革的力度，不斷改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，緊隨時代的步伐，為祖國培養(yǎng)出更多、更優(yōu)秀的創(chuàng)新性人才。

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Exploration of the Reform of the Research-based Teaching Method of Engineering Optics （I）

ZHANG Ying， NIU Yan-xiong， FENG Li-shuang， SUN Jun-hua

（School of Instrumentation Science & Opto-Electronics Engineering， Beihang University， Beijing 100191， China）

Abstract： Engineering Optics （I） is one of the core courses of the undergraduate majors of School of Instrumentation Science & Opto-electronics Engineering of Beihang University. The teaching effect of this course will directly affect the follow-up professional courses. In order to further develop students' learning initiative， engineering practice ability and innovation ability， we have carried out the reform of teaching methods respectively based on optical measurement， the evaluation of optical system image quality and basic optical design. It is expected that after the next step of implementation， the teaching effect and teaching quality will be improved.

Key words： Engineering Optics; research-based teaching; reform; teaching method

收稿日期：2019-09-11

基金項目：2015—2019年北京航空航天大學(xué)教改項目“《工程光學(xué)（上）》研究型教學(xué)方式改革與實踐”

作者簡介：張穎（1979-），女（漢族），山西朔州人，博士，副教授，研究方向：新型光電探測技術(shù)。