【摘 要】在工程光學(xué)學(xué)科教學(xué)中，《光學(xué)CAD》課程是一門(mén)重要的實(shí)踐性課程。該課程所傳授的理論知識(shí)能夠鞏固學(xué)生的光學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)，所傳授的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的實(shí)際操作能夠增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力與創(chuàng)新能力。針對(duì)該課程及其教學(xué)內(nèi)容的主要特點(diǎn)，主要探討了加強(qiáng)理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)手段，通過(guò)學(xué)生分組和針對(duì)性的任務(wù)書(shū)下達(dá)，引導(dǎo)學(xué)生合作完成，掌握光學(xué)設(shè)計(jì)的基本思路，提高學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和繼續(xù)深造的學(xué)習(xí)能力。

【關(guān)鍵詞】光學(xué)CAD；教學(xué)手段；Zemax

【Abstract】In the teaching courses of Engineering Optics， “Optical CAD” is an important practical course. The theory knowledge of the course can impart can strengthen students optical professional foundation， and the practical operation of optical design software can enhance students practical ability and innovation ability. In this paper， the main characteristics of the course and teaching content are presented. The means of strengthening the combination of theory and practice teaching is discussed. Through the student group and targeted tasks， guide students to cooperate to complete the tasks， master the basic ideas of optical design， and the students employability and the ability to further study are improved.

【Key words】Optical CAD；Teaching Means；Zemax

0 引言

《光學(xué)CAD》課程是南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)院光信息科學(xué)與技術(shù)等相關(guān)專業(yè)的一門(mén)專業(yè)選修課，是光電信息工程專業(yè)的特色課程，是一門(mén)重要的實(shí)踐性課程，所有內(nèi)容都是基于前期學(xué)習(xí)過(guò)的《應(yīng)用光學(xué)》和《物理光學(xué)》的理論知識(shí)，該課程與先修的理論基礎(chǔ)構(gòu)成一個(gè)完整的體系，完成了由理論學(xué)習(xí)到工程實(shí)踐的過(guò)渡[1]。其相關(guān)知識(shí)和工具的使用是該專業(yè)本科生今后就業(yè)和繼續(xù)深造經(jīng)常需要的基本必備能力。南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)院早在2010年就進(jìn)行了將光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Zemax應(yīng)用于《應(yīng)用光學(xué)》雙語(yǔ)課程的教學(xué)改革[2]，為《光學(xué)CAD》課程做好了前期學(xué)習(xí)的基本鋪墊。

1 課程及其教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)

現(xiàn)代光學(xué)儀器的研發(fā)離不開(kāi)成熟的光學(xué)設(shè)計(jì)思想[3]。在工程光學(xué)學(xué)科中，光學(xué)設(shè)計(jì)是光學(xué)發(fā)展中關(guān)鍵的一步，對(duì)光學(xué)發(fā)展以及教育有著重要的影響[4]?！豆鈱W(xué)CAD》課程的目的就是基于先修課程的理論知識(shí)，應(yīng)用于實(shí)際的光學(xué)軟件設(shè)計(jì)中，使學(xué)生能夠掌握光學(xué)設(shè)計(jì)的基本思路，對(duì)基本光學(xué)系統(tǒng)能夠進(jìn)行分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。該課程安排在本科生學(xué)習(xí)的第7個(gè)學(xué)期進(jìn)行，共32個(gè)學(xué)時(shí)，一方面，先修課程《應(yīng)用光學(xué)》和《物理光學(xué)》早已完成；另一方面，這個(gè)學(xué)期的學(xué)生正面臨今后就業(yè)和繼續(xù)深造的抉擇期，所以，該課程的學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)生的影響意義深遠(yuǎn)。

《光學(xué)CAD》課程的主要內(nèi)容有：光學(xué)系統(tǒng)的基本參數(shù)建立、光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)評(píng)價(jià)、光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化和建立和基本光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（包括雙膠合透鏡、簡(jiǎn)單的擴(kuò)束系統(tǒng)設(shè)計(jì)等）。為了更好的體現(xiàn)課程的實(shí)踐性，課程的所有學(xué)時(shí)都安排在學(xué)校的計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，所有的教學(xué)內(nèi)容都是基于先修課程的理論知識(shí)，結(jié)合光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Zemax，一邊講解理論知識(shí)，一邊在軟件中進(jìn)行演示操作或設(shè)計(jì)，學(xué)生和老師同步進(jìn)行軟件的具體操作，基本做到“手把手”的教學(xué)效果。

在該課程中選擇Zemax軟件作為教學(xué)中光學(xué)設(shè)計(jì)工具是完全根據(jù)目前的實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)決定的：由于其優(yōu)越的性價(jià)比，近幾年來(lái)Zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件在光學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域所占份額越來(lái)越大，在全球已經(jīng)成為最廣泛應(yīng)用的軟件之一，2013年Zemax公司還在上海成立了中國(guó)子公司。基本上所有的有關(guān)光學(xué)工程師的應(yīng)聘單位已將是否會(huì)使用Zemax軟件作為招聘的基本條件。所以，該課程的學(xué)習(xí)，可以使學(xué)生在就業(yè)中提高競(jìng)爭(zhēng)力，而且走上工作崗位后，可以少走彎路，直接發(fā)揮自己的專業(yè)特長(zhǎng)。

2 理論與實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的結(jié)合

由于學(xué)生對(duì)先修課程中有關(guān)理論知識(shí)可能有些遺忘，在該課程的教學(xué)過(guò)程中還包含了一部分的理論講解，結(jié)合教育心理學(xué)，上課的前幾分鐘不太適宜新知識(shí)的教學(xué)，所以，每次上課的剛開(kāi)始，都是通過(guò)一些含有知識(shí)點(diǎn)問(wèn)題的提問(wèn)，啟發(fā)學(xué)生去思考問(wèn)題，回顧前面所學(xué)的知識(shí)，再根據(jù)學(xué)生的具體反映情況，來(lái)對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行適度的回顧與講解。在具體的理論知識(shí)教學(xué)中，例如，像差理論的學(xué)習(xí)，一邊和學(xué)生一起回顧課本上的各種像差的概念，一邊通過(guò)Zemax軟件的具體操作學(xué)習(xí)，分別把各種像差的直觀圖形和分析功能在Zemax中顯示或演示出來(lái)，從而既可以加深學(xué)生對(duì)有關(guān)像差理論知識(shí)的掌握，又可以讓學(xué)生熟練軟件的具體操作。

該課程的培養(yǎng)目標(biāo)，是夯實(shí)學(xué)生的光學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)的能力，培養(yǎng)學(xué)生的分析、發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力與創(chuàng)新能力，是理論與實(shí)踐相結(jié)合的要求體現(xiàn)。現(xiàn)代科技任務(wù)要求人們既具有獨(dú)立工作能力，又具有團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，例如，光學(xué)設(shè)計(jì)者要與其他相近領(lǐng)域（如光學(xué)機(jī)械、制造與檢測(cè)）人員能成功溝通與相互促進(jìn)。為此培養(yǎng)目標(biāo)，老師對(duì)學(xué)生的光學(xué)設(shè)計(jì)任務(wù)的下達(dá)既要體現(xiàn)個(gè)人對(duì)理論知識(shí)的運(yùn)用能力，又要體現(xiàn)實(shí)團(tuán)隊(duì)的光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)踐能力。

因此，學(xué)生可以2～3人一組、分工協(xié)作，老師下達(dá)至每一組的任務(wù)書(shū)都不同，即每個(gè)學(xué)生的設(shè)計(jì)任務(wù)不同，如光學(xué)特性參數(shù)要求不同或像差要求不同，這部分任務(wù)可鞏固學(xué)生理解光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)與視場(chǎng)、孔徑、焦距等參數(shù)之間的關(guān)系等等。而且，在技術(shù)要求上，模擬工程領(lǐng)域設(shè)計(jì)實(shí)務(wù)要求，如必須對(duì)曲率半徑按國(guó)標(biāo)（如GB3158-82）要求進(jìn)行規(guī)整。通過(guò)這些教學(xué)方法，避免學(xué)生懶惰或相互抄襲，在成績(jī)?cè)u(píng)定上，將設(shè)計(jì)結(jié)果的創(chuàng)新性程度、對(duì)工程設(shè)計(jì)實(shí)務(wù)的考慮周全程度等方面作為評(píng)分點(diǎn)，并且同設(shè)計(jì)任務(wù)一起，詳盡地發(fā)到學(xué)生手中，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)設(shè)計(jì)有用、可制造、成本低的光學(xué)系統(tǒng)，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)中主動(dòng)考慮工程實(shí)踐的意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)意識(shí)，避免學(xué)生僅為完成任務(wù)而設(shè)計(jì)、或僅為創(chuàng)新而設(shè)計(jì)虛擬無(wú)用的光學(xué)系統(tǒng)。

在具體的任務(wù)完成過(guò)程中，每一組學(xué)生可以通過(guò)討論協(xié)商根據(jù)不同的要求來(lái)選擇初始結(jié)構(gòu)，然后再按照光學(xué)設(shè)計(jì)的基本流程，設(shè)置變量、評(píng)價(jià)函數(shù)，對(duì)初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，每一步具體的操作設(shè)計(jì)中，都需要學(xué)生的合作來(lái)完成。在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，老師通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生，如果在具體是設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)了設(shè)計(jì)問(wèn)題，那么組員間就要相互討論先從理論知識(shí)方面查找原因，再根據(jù)光學(xué)設(shè)計(jì)流程查找實(shí)踐操作上的原因，最后讓學(xué)生自己找到解決問(wèn)題的方法，讓學(xué)生在該課程的學(xué)習(xí)中得到成就感，積極調(diào)動(dòng)他們學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。

3 結(jié)束語(yǔ)

光學(xué)設(shè)計(jì)是光學(xué)發(fā)展中關(guān)鍵的一步，對(duì)光學(xué)發(fā)展以及教育有著重要的影響。以光學(xué)設(shè)計(jì)為主要教學(xué)內(nèi)容的《光學(xué)CAD》課程，在光學(xué)專業(yè)人才的培養(yǎng)方面具有重要的作用，可增強(qiáng)學(xué)生未來(lái)的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，可為后續(xù)光學(xué)專業(yè)的繼續(xù)深造學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。在教學(xué)過(guò)程中，加強(qiáng)實(shí)踐設(shè)計(jì)與理論結(jié)合，不僅能夠夯實(shí)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解，真正體會(huì)到先修課程中理論知識(shí)的應(yīng)用性，而且能夠激發(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。因此，《光學(xué)CAD》課程的學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)生的影響意義深遠(yuǎn)，有關(guān)的課程教學(xué)探討對(duì)老師提高教學(xué)水平具有重要的參考價(jià)值。

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