摘要

為培養(yǎng)光電領(lǐng)域的專業(yè)學(xué)位碩士研究生能夠掌握扎實(shí)的專業(yè)基本理論，并具有一定的工程實(shí)踐能力以及有關(guān)光電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力，筆者基于理論與實(shí)踐相結(jié)合的理念，在“現(xiàn)代工程光學(xué)”課程的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)方面作了一定的探索。在本課程中通過引入虛擬軟件 Zemax 的仿真，結(jié)合當(dāng)代科技發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)分析，可以在理論教學(xué)中更直觀形象地使學(xué)生掌握好相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，在上機(jī)實(shí)踐教學(xué)中更直接地鍛煉學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和綜合素質(zhì)，對(duì)培養(yǎng)研究生滿足新時(shí)代科技發(fā)展的人才要求具有一定的教學(xué)參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)；實(shí)踐教學(xué)；Zemax軟件

近年來，隨著物理研究領(lǐng)域技術(shù)的飛速發(fā)展，光電信息行業(yè)對(duì)所需人才也提出了更高的能力要求，尤其對(duì)于相關(guān)的專業(yè)學(xué)位碩士研究生而言，不僅要求其掌握扎實(shí)的光電技術(shù)的基本理論和基礎(chǔ)知識(shí)，而且還需具有一定的工程實(shí)踐能力以及有關(guān)光電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力。目前，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是我國高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容[1]，而案例教學(xué)一直是專業(yè)學(xué)位研究生教學(xué)的有效手段[2]，本文基于虛擬仿真軟件的引入，結(jié)合具體的案例教學(xué)，對(duì)“現(xiàn)代工程光學(xué)”課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了相應(yīng)的探索。

“現(xiàn)代工程光學(xué)”課程是南京郵電大學(xué)電子與光學(xué)工程學(xué)院電子信息類別專業(yè)學(xué)位碩士研究生一年級(jí)的學(xué)位基礎(chǔ)課。通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠掌握工程光學(xué)的基礎(chǔ)理論和光學(xué)設(shè)計(jì)基本方法，主要包括幾何光學(xué)中的基本原理、理想光學(xué)系統(tǒng)成像、典型光學(xué)系統(tǒng)以及像差基本理論等，物理光學(xué)中的光的干涉、衍射、偏振的基本理論及其基本應(yīng)用等，能夠熟練使用 Zemax 光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，懂得如何利用 Zemax 軟件進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可為學(xué)習(xí)本專業(yè)后續(xù)的專業(yè)技術(shù)課程、從事光電系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)和今后課題的科學(xué)研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.主要教學(xué)設(shè)計(jì)內(nèi)容及特色

科技領(lǐng)域的進(jìn)步與發(fā)展，離不開理論和實(shí)踐的結(jié)合、科學(xué)研究與工程應(yīng)用的結(jié)合[3]。基于虛擬仿真的應(yīng)用，將 Zemax 光學(xué)設(shè)計(jì)軟件全面應(yīng)用于“現(xiàn)代工程光學(xué)”課程的理論教學(xué)和設(shè)計(jì)實(shí)踐中，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐設(shè)計(jì)能力。主要教學(xué)設(shè)計(jì)內(nèi)容為：（1）理論知識(shí)的教學(xué)方面，結(jié)合我國現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展近況，通過有關(guān)的知識(shí)點(diǎn)引出課程中與其相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)的教學(xué)，對(duì)于一些抽象的或難以想象的基本概念，利用軟件仿真出簡潔直觀的圖形，更易于學(xué)生理解；（2）設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)方面，因?yàn)楣鈱W(xué)設(shè)計(jì)是工程光學(xué)學(xué)科發(fā)展中必不可少的部分，所以，基于理論教學(xué)內(nèi)容，該課程還安排了上機(jī)實(shí)踐教學(xué)，基于 Zemax 光學(xué)設(shè)計(jì)軟件引入，將理論與實(shí)踐設(shè)計(jì)相結(jié)合，學(xué)生在老師的指導(dǎo)下完成具體的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、并親身體驗(yàn)理論知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用。

2.理論教學(xué)與設(shè)計(jì)實(shí)踐的案例解析

由于本學(xué)院的專業(yè)學(xué)位碩士研究生在本科期間已通過“大學(xué)物理”課程或與光電相關(guān)的專業(yè)課程等，學(xué)習(xí)過有關(guān)光學(xué)方面的最基本的理論知識(shí)，但由于時(shí)間較長的關(guān)系可能有所遺忘，所以，“現(xiàn)代工程光學(xué)”課程的理論教學(xué)過程中，老師針對(duì)這一情況，主要將幾何光學(xué)和物理光學(xué)中理論知識(shí)的框架結(jié)構(gòu)和重點(diǎn)、難點(diǎn)進(jìn)行梳理與講授，其他的基本理論主要靠研究生自己進(jìn)行復(fù)習(xí)或自學(xué)，老師輔以答疑即可，這樣既可以培養(yǎng)研究生的自學(xué)能力，又能夠?qū)⒄n程的理論教學(xué)內(nèi)容得以壓縮，為后續(xù)的設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)留有足夠的時(shí)間。

根據(jù)上述的教學(xué)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容，這里列舉了幾個(gè)相關(guān)的案例解析。

2.1 “典型光學(xué)系統(tǒng)”中的人眼光學(xué)系統(tǒng)

幾何光學(xué)中的“典型光學(xué)系統(tǒng)”內(nèi)容主要是學(xué)習(xí)有關(guān)目視光學(xué)儀器的光學(xué)成像原理，而且人眼也是精密的光學(xué)系統(tǒng)，所以，結(jié)合老師在“我國人眼光學(xué)系統(tǒng)模型的建立”有關(guān)課題項(xiàng)目的研究基礎(chǔ)[4]，根據(jù)人眼光學(xué)成像結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件 Zemax 展示了人眼光學(xué)模型光路圖，如圖 1 所示。