趙書濤，李艷梅，王麗萍，武 山，張志國，張開銀，吳言寧

(阜陽師范學(xué)院，安徽 阜陽 236037)

結(jié)合Zemax、Matlab Gui編程，提高應(yīng)用光學(xué)的教學(xué)質(zhì)量

趙書濤，李艷梅，王麗萍，武 山，張志國，張開銀，吳言寧

(阜陽師范學(xué)院，安徽 阜陽 236037)

應(yīng)用光學(xué)是學(xué)院應(yīng)用物理專業(yè)的一門核心課程，具有很強的實用性。為了更好的改進課堂教學(xué)效果，結(jié)合前期應(yīng)用光學(xué)理論教學(xué)中存在的問題，從課程內(nèi)容安排、課堂組織形式和理論與實踐結(jié)合度方面進行改革。實施課程內(nèi)容優(yōu)化，注重課堂學(xué)生自主學(xué)習(xí)，引入Zemax光學(xué)設(shè)計、Matlab GUI編程培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力。

應(yīng)用光學(xué)；Zemax；Matlab Gui

應(yīng)用光學(xué)是光電類的一門重要的專業(yè)核心課程，同時它又是一門實踐性很強的學(xué)科，需要鍛煉同學(xué)們的科學(xué)素養(yǎng)和動手能力，為后續(xù)的光學(xué)檢測技術(shù)及應(yīng)用、光電子、光電器件及應(yīng)用等課程教學(xué)的開展打下基礎(chǔ)[1]。

本文對應(yīng)用光學(xué)課程的教學(xué)進行探討，對課程教學(xué)的特點和不足之處進行總結(jié)，并針對性的提出建設(shè)性的改進措施，使學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的認同感有所增強，興趣有所提高，為后續(xù)的光電課程學(xué)習(xí)打下一個良好的基礎(chǔ)。

1 課程教學(xué)存在的問題

應(yīng)用光學(xué)是我院應(yīng)用物理專業(yè)和新申報專業(yè)光電信息科學(xué)與工程的核心課程。應(yīng)用物理專業(yè)的應(yīng)用光學(xué)課程，安排在大三上學(xué)期，總學(xué)時為51學(xué)時。另外，根據(jù)學(xué)校培養(yǎng)方案和大綱的要求，該課程可以結(jié)合具體實驗條件開展12學(xué)時實踐教學(xué)。在應(yīng)光課程的教學(xué)實踐過程中，遇到以下問題：

1) 跟以前所學(xué)課程內(nèi)容有交叉。應(yīng)物專業(yè)在大二期間開設(shè)了光學(xué)課程，在課程的講授過程中有一部分涉及到幾何光學(xué)的基本原理，如光在單球面上的反射和折射，光連續(xù)在多球面上的折射和近軸物點近軸光線成像等。然而，光學(xué)課程在這方面安排課時少，講解不夠體系。

2) 課程的公式繁多，推導(dǎo)較為復(fù)雜，由于對物理場景的思考較淺，導(dǎo)致學(xué)生對概念和公式的理解上不去一個檔次，感覺抽象難記，進而對應(yīng)光的學(xué)習(xí)興趣大打折扣，甚至自暴自棄。

3) 課程的理論教學(xué)和實踐環(huán)節(jié)結(jié)合度不夠。大綱對課程的規(guī)定為51+(12)學(xué)時，由于前期實驗條件的不足，實驗環(huán)節(jié)一直沒有開展。缺少實驗環(huán)節(jié)，使學(xué)生對光學(xué)知識的應(yīng)用面了解較少，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性降低和學(xué)習(xí)興趣與熱情的減少。理論和實踐的脫節(jié)，使得應(yīng)用光學(xué)的“應(yīng)用”特色沒有得到應(yīng)有的體現(xiàn)，對學(xué)生的專業(yè)特長培養(yǎng)不利，導(dǎo)致在后續(xù)的工作和學(xué)習(xí)中會處于不利地位。

2 課程教學(xué)改革

針對上述課程教學(xué)中遇到的問題，我們從教學(xué)內(nèi)容的整合、現(xiàn)代教學(xué)手段的運用和課程實踐來入手，著力改變當(dāng)前的教學(xué)現(xiàn)狀，具體的解決辦法如下。

1) 教學(xué)內(nèi)容上進行優(yōu)化。針對光學(xué)和應(yīng)用光學(xué)的交叉內(nèi)容，課程任課老師進行集體備課，壓縮部分理論知識，刪除光學(xué)教程中非主體及重復(fù)部分，最終使兩門課程能夠前后有序的銜接到一起。將來，可以借人才培養(yǎng)方案的調(diào)整機會，對課程體系進行大的調(diào)整，如應(yīng)用物理和光電信息科學(xué)與工程專業(yè)可以進行普通物理教學(xué)，把應(yīng)用光學(xué)改為工程光學(xué)(包括幾何光學(xué)和波動光學(xué))講授，以增強兩個專業(yè)的工科特色，適應(yīng)我校專業(yè)應(yīng)用化的發(fā)展趨勢。

2) 多媒體教學(xué)和啟發(fā)式教學(xué)相結(jié)合。對較復(fù)雜的推導(dǎo)過程適當(dāng)弱化，把這部分內(nèi)容留給學(xué)生課下學(xué)習(xí)，然后下次課進行師生互動探討[2]。采用多媒體課件教學(xué)，對概念的引入、原理的應(yīng)用等直觀的表達出來，同時輔以生動形象的實物圖片和動畫，使學(xué)生的積極性充分調(diào)動起來。適當(dāng)采取課堂小組討論的教學(xué)模式，發(fā)揚教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的風(fēng)格，采取教師導(dǎo)入問題，引導(dǎo)學(xué)生去積極思考、討論，進行問題的分析、求解，從而極大提高學(xué)習(xí)的主動性。如，在光度學(xué)教學(xué)中，針對概念較多的問題，讓學(xué)生在課堂上對光度學(xué)的概念、原理及描述的物理情景進行自發(fā)討論，增強對概念的理解；在目視光學(xué)系統(tǒng)教學(xué)中，針對人眼、放大鏡、顯微鏡系統(tǒng)和望遠鏡系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)特點進行描述和總結(jié)，做一個縱向的比較和歸納，加深對此類光學(xué)系統(tǒng)的理解。

3) 引入Zemax設(shè)計、Matlab編程、實驗教學(xué)實踐。過多的課程理論教學(xué)，會使學(xué)生感覺索然寡味，對課程的應(yīng)用感到茫然。因此，將虛擬仿真引入到課堂教學(xué)中可以起到很好的效果[3]。本文將國際通用的先進光學(xué)設(shè)計軟件Zemax引入到應(yīng)用光學(xué)教學(xué)中，通過其生動的圖形界面設(shè)計，讓學(xué)生對光學(xué)知識有一定的直觀了解，提高了對課程學(xué)習(xí)的興趣[4]。同時，把Matlab編程恰當(dāng)?shù)囊氲浇虒W(xué)中，讓學(xué)生把編程的學(xué)習(xí)和解決物理問題聯(lián)系在一起，對他們?nèi)蘸蟮目蒲杏袔椭蛦l(fā)作用[5]。另外，學(xué)院采購的5套幾何光學(xué)和像差教學(xué)儀器已到貨，實驗教學(xué)實踐也要在今年開展起來，配合課程的理論教學(xué)，使學(xué)生對應(yīng)用光學(xué)了解有一個動手實踐的過程，提高了動手實踐能力，為日后參加工作有一定的幫助[6]。

為了使Zemax設(shè)計更貼近課程的理論教學(xué)，筆者以應(yīng)用光學(xué)教材[7](胡玉禧第2版)第二章高斯光學(xué)課后習(xí)題18(P55)為例來引入軟件設(shè)計教學(xué)[7]，講解軟件的一些基本操作，加深學(xué)生對概念、原理的理解。題目中同心透鏡的曲率半徑分別為50 mm和40 mm，厚度為10 mm，透鏡折射率為1.516 3，求透鏡系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)主平面和焦點的位置。根據(jù)折射率1.516 3，玻璃選擇SCHOTT庫中的BK7HT，它對d光(587.6 nm)的折射率為1.516 330，跟題目中的折射率接近。在Zemax軟件中，在System菜單下選擇General，設(shè)置Aperture Value為25 mm，點擊Wavelengths選擇F，d，C(Visible)三種波長的光，在 Lens Data Editor界面選中STO面，在Radius欄輸入同心透鏡的左側(cè)曲面半徑50，Thickness欄輸入透鏡厚度10，Glass欄設(shè)置為BK7HT，然后在界面窗口Edit下拉菜單中選擇Insert Surface，在新添面Radius欄輸入同心透鏡的右側(cè)曲面半徑40，在Thickness處右鍵在Solve Type欄下選擇Marginal Ray Height。

建立好同心透鏡模型后，用Zemax設(shè)計軟件進行分析和顯示。點擊快捷菜單上的Lay，可以顯示同心透鏡的二維結(jié)構(gòu)和光學(xué)追跡的情況，見圖1。點擊Reports，選擇Prescription Data可以給出光參數(shù)Focal Length為-587.348 8 mm，Principal Planes (Object Space)為50 mm，符合題目參考答案-587.4 mm，50 mm。通過這道課后習(xí)題，可以讓學(xué)生們簡單了解到Zemax設(shè)計軟件如何求解光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)，對其有個初步的認識和了解。

圖1 同心透鏡二維結(jié)構(gòu)圖

為了讓學(xué)生更好的了解多色光在光學(xué)系統(tǒng)中的傳輸情況，本文使用F，d，C(Visible)三種波長的光來對光線進行追跡。在Analysis菜單下選擇Spot Diagrams，再選擇Standard，我們將得到一個RMS為701 m的標(biāo)準(zhǔn)點列圖。為了便于評價像質(zhì)的情況，把艾利(Airy)衍射斑引入到點列圖中，在圖中右鍵選擇Show Airy Disk，然后點擊OK，給出的點列圖見圖2。由圖2可以看出，平行光在焦平面的光斑比艾利斑大的多，并且不同波長的光聚焦情況不一樣，由此引出球差和色差的概念。為了讓學(xué)生定量地了解多色光的聚焦情況，我們引入多色光漂移參量來進行描述。在Analysis菜單下選擇Miscellaneous Chromatic Focal Shift，給出多色光漂移圖，見圖3。從圖中可以看出F光到C光之間的各個波長光相對d光焦點的偏移情況，讓學(xué)生對多色光的傳輸有個定量的了解。

為了更好的讓課程教學(xué)和Matlab編程結(jié)合到一起，讓學(xué)生學(xué)會用程序去解決一些應(yīng)用光學(xué)問題，本文以上述習(xí)題為例進行了Matlab Gui的可視化程序設(shè)計。首先，新建一個空白的Gui文件，在其開發(fā)環(huán)境下添加4個編輯文本框(Edit text)用以輸入同心透鏡的四個參量(前后球面半徑 、厚度和折射率)，12個靜態(tài)文本框(Static text)用以文字說明和輸出同心透鏡的焦距、主面距數(shù)值，1個命令按鈕(Push button)通過回調(diào)函數(shù)用以執(zhí)行求解；然后，對Gui文件編譯、執(zhí)行，輸入透鏡參數(shù)，結(jié)果如圖4所示。

圖2 點列圖(μm)

圖3 多色光漂移圖 (μm)

圖4 Matlab Gui設(shè)計圖

從圖4中，我們可以看出Matlab Gui的計算結(jié)果和Zemax設(shè)計程序的結(jié)果一致，說明程序的可靠性。做到此處，部分同學(xué)會有疑問，手動計算花費的時間比編程要少，因此，為了一個光學(xué)習(xí)題設(shè)計一個程序有點多余。借此機會，筆者讓學(xué)生進行了分組討論，并讓每組把討論結(jié)果當(dāng)場公示。小組討論的結(jié)果是Matlab Gui編程很有必要，因為此程序可以解決透鏡這一類問題，并不局限于一道題，如本章習(xí)題16，19。基于上述Zemax和Matlab對同心透鏡的研究，引導(dǎo)學(xué)生對更多種類的透鏡(如平凸、平凹、正彎月形、負彎月形)進行研究，加深對各類透鏡的理解[8]。

為了更好的促進學(xué)生動手能力，結(jié)合新采購的5套幾何和像差實驗儀器開展實驗實踐教學(xué)，提高學(xué)生的動手能力，使理論教學(xué)部分在實踐中得到再現(xiàn)，加深對光學(xué)課程知識的了解。

3 結(jié) 語

針對學(xué)院的光學(xué)課程部分內(nèi)容交叉，公式繁多、推導(dǎo)較為復(fù)雜，理論教學(xué)和實踐環(huán)節(jié)結(jié)合度不夠的問題，本文從光學(xué)課程結(jié)構(gòu)優(yōu)化入手，對課程體系進行適當(dāng)壓縮和整理，使學(xué)生上課時能夠更快的銜接起來；采用多媒體和啟發(fā)式教學(xué)，讓學(xué)生能夠作為主體參與到課程的主動學(xué)習(xí)中來；引入Zeamx光學(xué)設(shè)計、Matlab Gui編程，讓學(xué)生對課程內(nèi)容有一個更直觀、跟深層次的認識，對將來工作和科研有一定幫助。

[1] 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(11)：226-227.

[2] 周笑薇.問題式教學(xué)法在光學(xué)教學(xué)中的探索[J].內(nèi)江科技,2016(2)：149-149.

[3] 劉維慧,孟麗華,于陽,等.工科物理虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)實踐[J].大學(xué)物理實驗,2016,29(2)：138-141.

[4] 曾維友.光學(xué)設(shè)計軟件在像差理論教學(xué)中的應(yīng)用與探討[J].教育教學(xué)論壇,2016(21)：221-222.

[5] 趙鑫.基于Matlab的光學(xué)等厚干涉實驗仿真[J].課程教育研究,2016(2):176-177.

[6] 江旻珊.工程光學(xué)實驗教學(xué)的研究與探討[J].教育教學(xué)論壇,2016(3):219-220.

[7] 胡玉禧.應(yīng)用光學(xué)[M].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2010：73-84.

[8] 郁道銀，談恒英.工程光學(xué)基礎(chǔ)教程[M]．北京: 機械工業(yè)出版社，2007:92-95．

[9] 張占新.大學(xué)物理實驗教學(xué)改革措施與實踐[J].大學(xué)物理實驗，2013(6)：55-57.

Improving the Teaching of Applied Optics by Using Zemax and Matlab Gui Programming

ZHAO Shu-tao，LI Yan-mei，WANG Li-ping，WU Shan，ZHANG Zhi-guo，ZHANG Kai-yin，WU Yan-ning

(Fuyang Normal University,Anhui Fuyang 236037)

Applied Optics is one of the core courses for the specialty of applied physics,which has strong practicability.In order to improve the effects of teaching activities,for the previous problems in the theory teaching of applied optics,the reforms are carried out for the curricular content's arrangement,the organization of the class and the combination of theory and practice.The teaching idea of the course is to bring up the refinement of the curriculum contents and independent study ability of the student.In order to cultivate the students' ability to solve problems,the Zemax optical design and Matlab Gui programming are introduced.

applied optics；Zemax；Matlab Gui

2016-06-19

安徽省省級質(zhì)量工程項目(2014zy047)；安徽省教育廳項目(KJ2014A195)；安徽自然科學(xué)基金項目(1608085QA19)；阜陽師范學(xué)院教研項目(2014JYXM48，2014JYXM18)；阜陽師范學(xué)院科研項目(2014FSKJ04ZD)。

1007-2934(2016)06-0134-04

O 435

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.006.037