逯力红 尚可可

关键词 光学设计 光电设计竞赛 课程改革

中图分类号：G642                                  文献标识码：A   DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2019.09.028

Abstract Optical design course is a characteristic course of Optoelectronic Information Science and engineering specialty. It requires students to solve practical problems with theoretical knowledge， which has strong practicality and applicability. In order to cultivate students' comprehensive practical ability， innovative consciousness and innovative ability， the characteristics and teaching methods of optical design course are discussed in order to train students to be practical talents in optoelectronic industry with both solid theoretical basis and considerable practical and innovative ability.

Keywords optical design; photoelectric design competition; course reform

0 引言

随着光电技术的快速发展，光学仪器和光电仪器的应用越来越广泛，而这些仪器的核心部分就是光学系统。光学系统的质量直接影响着光学仪器和光电仪器的性能，好的光学系统不但能够满足仪器性能指标，而且结构简单，容易加工及装调，可靠性高，能够最大限度减小仪器成本。其中，光学系统设计是决定光学系统质量的最基本和最关键的部分。

光学设计是光电信息科学与工程专业的特色课程，它的先修课程是物理光学和应用光学两门理论基础课程，光学设计是一门学生从掌握理论知识到运用理论知识解決实际问题的与实践紧密联系的课程，它以光学系统设计为核心，以培养学生的工程实践能力和综合创新能力为目标，将学生培养成为具有坚实理论基础和相当实践能力的复合型实用人才。[1]因此，光学设计是一门适合培养学生实践能力和创新能力的专业特色课程。

1 光学设计课程特点

实践能力是指学生的动手能力和操作能力，而创新能力是指运用知识和理论完成创新过程、产生创新成果的综合能力。[2]学生创新与实践能力培养的目标是将学生培养成具有较强综合实践能力和创新意识的复合创新型人才。光学设计是一门综合性、实践性以及开发性较强的课程，该课程可以为学生的创新能力培养提供合适的条件及平台。

由于光学系统设计的特殊性，即使完全相同的系统参数，由于每个人思考问题和解决问题的思路和方法不同，在优化过程中设置的评价函数、选择变量的顺序及种类也各不相同。因此，不同的设计人员经过优化计算，最后得到的系统结构及成像质量也完全不一样。基于光学设计的这个特点，为了能更好地激发学生的兴趣，培养学生的创新意识，在设置平时练习的题目时，不但让学生设计一些他们常用的、感兴趣的光学系统，而且提出设计要求时，只给光学系统设定最低标准，例如，手机相机是学生常用的光学系统，每个人的手机型号不同，所配置的镜头也不同，因此成像质量也完全不同。为了让学生将在理论课上学到的摄影光学系统与手机镜头联系起来，要求学生设计一个手机镜头，仅要求镜头片数不多于4块，系统总长小于5mm，要求达到的性能指标是光学传递函数在250线对时大于0.4。其它系统参数让学生自行选择与试验，在设计过程中，学生通过不断改变系统参量，设置不同的评价函数等方法寻找最优的系统方案，不断提高自己的设计水平，提高了学生的实践能力。同时，由于约束较少，给学生更多自由发挥的空间，鼓励学生大胆创新，尝试新的系统结构，从而培养学生的创新意识和创新能力。

2 教学方式改革

2.1 将全国大学生光电设计竞赛引入课堂

全国大学生光电设计竞赛是由中国光学学会和教育部高等学校光电信息科学与工程专业教学指导分委员会联合主办的一项全国性重要赛事，是高校光电类专业的顶级赛事，是目前光电信息科学与工程专业学生可以参加的重要的对口学科竞赛，到今年为止已经举行了六届。其历届赛题如表1所示。

由竞赛的历届赛题可以看到，每届光电设计竞赛都会设置关于光学系统方面的题目，尤其从第五届开始，专门设置了关于光学系统设计的题目，这些赛题在很大程度上都是考察学生关于光学系统的知识，不但要求学生具有较扎实的理论基础，而且能够将理论知识应用到实践中解决实际问题，并在此过程中，鼓励学生进行技术创新。在教学过程中，根据当年的参赛题目，由学生自由组合，组成几支参赛队，各队成员相互协作，完成从资料检索、方案可行性分析、系统设计、撰写项目报告和答辩等环节，鼓励学生进行创新，培养学生的创新意识。同时，开放专业的光学实验室给学生提供实验平台，鼓励学生自行搭建光学系统，对提出的方案进行实验验证并发现问题，进行改进优化，从而提高学生的实践能力。

2.2 理论讲解与上机操作相结合

传统授课过程中，理论知识讲解和上机操作部分是分开进行的，一般是先进行理论知识讲解，理论知识全部讲解完成后再进行上机操作。这种授课方式虽然能保证知识体系的完整，但是对于一些晦涩难懂、单靠课堂讲解学生难以理解的知识来说，例如像差理论，学生接受起来比较困难，因此知识掌握的不扎实。当进行上机操作时仍然一头雾水，不知如何进行设计，之前学的理论知识无法很好地融会贯通并应用于实际的光学系统设计。将上机操作穿插到理论讲解中，与理论讲解相结合，不但能够很好地保持理论知识的体系完整，而且能够帮助学生更好地理解和掌握所讲授的知识，为后面的学习及上机操作打下坚实的基础。

像差理论一直是光学设计的重点和难点，传统讲解方式是进行公式推导，但是由于涉及的变量、公式繁多，推导过程复杂，学生理解起来困难，对于像差的产生原因、影响因素和消除方法等难以理解。采用上机及理论讲解相结合的方式，每讲解一种像差，便在现场教学时让学生利用光学设计软件对该像差进行演示及观察，同时观察点列图、像差曲线等能够反映该像差及影响系统成像质量的图表，通过改变特定的系统结构参数来观察像差的变化，从而对影响该像差的因素及如何消除像差也能更好地掌握。通过理论讲解和上机操作，让学生系统地理解像差，并掌握如何消除像差，为学生后面进行光学系统设计打下坚实的理论基础。

2.3 考核方式

传统的考核方式是笔试，但是笔试在很大程度上只能考核学生理论知识的掌握情况，学生的实践能力和创新能力无法考核。一些高校采用了理论笔试和上机操作相结合的考核方式，[3-5]这种考核方式的实践题一般是由老师指定一组或者几组题目，由学生在规定的时间内独立完成。但是，所设置的题目由于老师本身的知识深度和广度的影响而会存在一定的局限性;学生在独立进行系统设计时，也受到自身水平的限制，只能利用自己所掌握的知识进行设计，思维得不到启发和发散。因此，这种考核方式虽然能够对学生的实践能力进行考核，但是对学生创新能力的考核仍然具有一定的局限性。

由于把全国大学生光电设计竞赛赛题引入了课堂，而全国大学生光电设计竞赛的赛题是竞赛委员会在全国范围内征集选优的结果，因此赛题非常具有代表性。赛题在学期初便布置给学生，学生平时可以随时到光学实验室进行赛题研究，在学期末时完成设计报告及答辩，作为最终的实践成绩。

答辩采用三队一组相互答辩方式进行。每三组轮流担任正方、反方和评论方，课题组老师担任评委为三方打分。在整个环节中，正方阐述自己的设计思路，设计方法，以及最终得到的设计结果;反方结合自己对赛题的理解对正方的设计思路、设计方案及实验结果提出自己的异议，指出其中存在的问题及可完善的地方;而评论方根据正反双方的表现进行评价总结。整个答辩过程中，学生一直起主导作用，通过阐述自己的方案，演示实验，提出或回答其它队伍的质疑，或者对双方的方案进行总结评价，这些环节不但加深了对题目的理解，而且开阔了思维。因此，整个过程不但能够培养学生的团队协作能力，而且在很大程度上培养了学生的实践和创新能力。

每队的实践成绩包括课题组教师评定的设计报告成绩、各队答辩成绩，每队的队长根据各成员的貢献大小给各成员打分，该分数加上本队的实践成绩就是各队每个人的实践成绩。其中，实践成绩占总成绩的50%。

3 结束语

光学设计课程是光电信息科学与工程专业的特色课程，对光电专业学生的实践能力和创新能力培养起着重要作用。本文对光学设计的课程特点及教学方式进行了探索。实践证明，采用新的教学方式，不但能够提高教学质量，而且能够激发学生的学习兴趣，培养学生综合实践能力以及创新能力，为光电行业培养更多更好的专业人才。

基金项目：天津工业大学高等教育教学改革研究项目（项目编号：2017-2-36）

参考文献

[1] 李晓艳，王乐，石岩.注重素质和实践能力的现代光学系统设计课程教学方法研究[J].科技信息，2011（02）：113.

[2] 史凤贤.基于职业生涯规划提高大学生创新创业能力[J].辽宁科技学院学报，2013.15（04）：92-93.

[3] 牟达，罗春华，李艳红.“光学设计及CAD”课程多媒体教学实践与研究[J].长春理工大学学报，2012.7（11）：226-227.

[4] 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.

[5] 刘宝元，刘钧，路绍军.学生“现代光学系统设计”计算能力培养的探索与实践[J].中国西部科技，2008（27）：99-100.