史順平 張傳瑜 鄧邦林 王華軍

摘要： 信息光學(xué)是光學(xué)中的前沿學(xué)科，是基于應(yīng)用光學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息科學(xué)相結(jié)合而發(fā)展起來的一門新興光學(xué)學(xué)科，也是現(xiàn)代信息科學(xué)的一個(gè)重要組成部分。針對信息光學(xué)課程的特點(diǎn)以及現(xiàn)有的教學(xué)現(xiàn)狀，結(jié)合光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)對信息光學(xué)教學(xué)的基本要求，基于《信息光學(xué)》理論難度大、數(shù)學(xué)公式繁瑣的特點(diǎn)，貫穿應(yīng)用物理專業(yè)學(xué)科的特點(diǎn)，本文從教學(xué)內(nèi)容設(shè)置、校內(nèi)實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)、加強(qiáng)計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)、借助互聯(lián)網(wǎng)和校外資源及加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)入手結(jié)合等幾個(gè)方面，系統(tǒng)地介紹了信息光學(xué)在應(yīng)用物理專業(yè)教學(xué)中的探索與思考。

Abstract： Information optics is a frontier discipline in optics. It is a new optical discipline developed based on the combination of optics， computer science and information science. It is also an important component of modern information science. According to the characteristics of information optics course and the present situation of teaching， combined with the basic requirement of optical information science and technology specialty for information optics teaching， based on the fact that "information optics" theory is difficult and the mathematical formula is cumbersome， and it is throughout the specialty of applied physics， this article systematically introduces the information optics in the teaching of applied physics from several aspects， such as the establishment of teaching content， the construction of the laboratory experiment platform， strengthening the computer-aided experiment， taking advantage of the Internet and outside resources and strengthening practice teaching.

關(guān)鍵詞： 信息光學(xué)；應(yīng)用物理；探索；思考

Key words： information optics；applied physics；exploration；reflections

中圖分類號：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）01-0216-03

0 引言

隨著全球一體化經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，信息是21世紀(jì)的主要支柱之一，它將取代物質(zhì)和能源成為創(chuàng)造財(cái)富的主要源泉。信息科學(xué)與技術(shù)和信息緊密連接、密不可分。近幾年來，光電信息發(fā)展迅猛，已經(jīng)對科學(xué)研究、社會(huì)發(fā)展及各個(gè)方面產(chǎn)生了巨大的影響。光信息是信息時(shí)代不斷發(fā)展的必然產(chǎn)物，它已經(jīng)應(yīng)用到了光信息存儲(chǔ)、全息信息存儲(chǔ)、光纖通信等多個(gè)領(lǐng)域中，它推動(dòng)著國民經(jīng)濟(jì)、科技和軍事的發(fā)展。信息光學(xué)作為光信息的重要分支，是光學(xué)中的前沿學(xué)科，是基于應(yīng)用光學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息科學(xué)相結(jié)合而發(fā)展起來的一門新興光學(xué)學(xué)科，也是現(xiàn)代信息科學(xué)的一個(gè)重要組成部分。信息光學(xué)促進(jìn)了圖像科學(xué)、應(yīng)用光學(xué)、光纖通信和光電子學(xué)的發(fā)展。信息光學(xué)包含了光信息傳遞的全過程，其中包括對光信息的收集，調(diào)制、傳遞、存儲(chǔ)及再現(xiàn)的整個(gè)過程。

應(yīng)用物理專業(yè)作為理工科的重要分支，對光電方向的掌握是該專業(yè)學(xué)生的基本技能。為了適應(yīng)市場對光電方向人才的需求，成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院在應(yīng)用物理專業(yè)設(shè)置了光電信息類課程，目標(biāo)就是要讓學(xué)生掌握光電技術(shù)的基本技能。近幾年來，應(yīng)用物理專業(yè)的學(xué)生在大四畢業(yè)選擇就業(yè)和考研的比例明顯增加，以成都理工大學(xué)2015屆應(yīng)用物理專業(yè)為例（1個(gè)自然班30人），9位考取研究生的學(xué)生中有4位是考取了光學(xué)或光學(xué)工程專業(yè)，16位就業(yè)和創(chuàng)業(yè)的同學(xué)中有6位同學(xué)的工作與光電信息有關(guān)，再次選擇考研的同學(xué)中又有3位同學(xué)報(bào)考了光學(xué)和光學(xué)工程專業(yè)。也有越來越多的高校近幾年開設(shè)了光電信息這個(gè)專業(yè)。同時(shí)為了今后申報(bào)“光信息科學(xué)與技術(shù)”新專業(yè)，我們著手在應(yīng)用物理專業(yè)為本科生講授《信息光學(xué)》課程，理論授課學(xué)時(shí)數(shù)定為60學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)課時(shí)數(shù)定為4個(gè)學(xué)時(shí)。

應(yīng)用物理專業(yè)目前本科的教學(xué)嚴(yán)重的脫離社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，脫離生產(chǎn)實(shí)際，與社會(huì)對大學(xué)生的需求極不適應(yīng)。學(xué)生所學(xué)知識理論性強(qiáng)，嚴(yán)重影響本科畢業(yè)生與社會(huì)生產(chǎn)之間的聯(lián)系，因此，開拓目前發(fā)展較好的光電信息方向，對應(yīng)用物理專業(yè)的本科畢業(yè)生是受益匪淺的。如果能夠跟光電類企業(yè)合作，讓學(xué)生在假期（主要是寒暑假）去企業(yè)實(shí)習(xí)，讓所學(xué)知識跟社會(huì)生產(chǎn)有相互聯(lián)系，這樣不僅符合當(dāng)今社會(huì)對大學(xué)生的需求，增加就業(yè)，更能夠讓學(xué)生意識到所學(xué)理論知識的重要性，讓學(xué)生學(xué)習(xí)起來有目標(biāo)，不盲目。今后我們力爭跟一些光電企業(yè)合作，使我們培養(yǎng)的學(xué)生對光電信息與技術(shù)產(chǎn)業(yè)的研發(fā)和市場需求有及時(shí)的了解，使學(xué)生得到社會(huì)實(shí)踐的鍛煉。但是應(yīng)用物理專業(yè)和光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生有不同的光學(xué)背景知識，因此，在講授這門課程時(shí)，不能和光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生一樣授課。經(jīng)過幾年的教學(xué)實(shí)踐，在應(yīng)用物理學(xué)科中教授《信息光學(xué)》從以下五個(gè)方面探索和思考。

1 教學(xué)內(nèi)容設(shè)置

在上《信息光學(xué)》這門課之前，應(yīng)用物理專業(yè)的學(xué)生已經(jīng)開設(shè)了與光學(xué)相關(guān)的科目，主要是光學(xué)，光學(xué)內(nèi)容包含了：光的干涉、衍射、偏振、幾何光學(xué)的基本原理、光學(xué)儀器的基本原理、光的吸收、散射和色散、光的量子性以及簡單介紹現(xiàn)代光學(xué)。通過這門課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握了初步的光學(xué)知識，但是對標(biāo)量衍射、傳遞函數(shù)、部分相干、全息和信息處理了解甚少，更對莫爾條紋、傅里葉變換、阿達(dá)瑪變換、光學(xué)小波變換、光計(jì)算和三維面形測量沒有聽過。因此，在進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容設(shè)定時(shí)，保證既要強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)理論及相關(guān)的應(yīng)用技術(shù)，強(qiáng)調(diào)理論與應(yīng)用的結(jié)合，同時(shí)兼顧理論和技術(shù)的當(dāng)前發(fā)展，使應(yīng)用物理專業(yè)的學(xué)生對光電信息產(chǎn)生濃厚的興趣。在講授信息光學(xué)開始階段，簡單講授有關(guān)二維線性系統(tǒng)的一些基本知識，如矩形函數(shù)、sinc函數(shù)、三角形函數(shù)、符號函數(shù)、階躍函數(shù)、圓柱函數(shù)及δ函數(shù)等。重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)應(yīng)用物理專業(yè)學(xué)生陌生的運(yùn)算，如傅里葉變換、卷積和相關(guān)運(yùn)算。我們詳細(xì)講授標(biāo)量衍射理論、光學(xué)成像系統(tǒng)的傳遞函數(shù)、部分相干理論，使學(xué)生有一個(gè)夯實(shí)的信息光學(xué)基礎(chǔ)。同時(shí)結(jié)合其他科研工作者和自身的科研工作，講授光學(xué)全息，計(jì)算全息及空間濾波，使學(xué)生了解信息光學(xué)在現(xiàn)代科技中的作用，讓他們對光電信息有個(gè)初步的認(rèn)識。并且通過對信息光學(xué)的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生對科研的基本思路有個(gè)初步的認(rèn)識，基本思路是：通過物理概念、到建立數(shù)學(xué)模型、編寫計(jì)算機(jī)程序到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 校內(nèi)實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)

信息光學(xué)課程概念抽象，邏輯推理能力要求強(qiáng)，在教學(xué)中僅僅以講授為主，減少實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的話，可能會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用物理專業(yè)的學(xué)生對信息光學(xué)的理解達(dá)不到要求，以及對光電信息也不可能產(chǎn)生興趣，同時(shí)教學(xué)效果也得不到很好的結(jié)果。因此在教學(xué)中應(yīng)加大學(xué)生的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，但是，在應(yīng)用物理這個(gè)專業(yè)中，很多與光信息相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備又不具備，大量的實(shí)驗(yàn)器材也沒有到位，所以選擇經(jīng)典的光信息實(shí)驗(yàn)內(nèi)容尤為重要。由于實(shí)驗(yàn)條件限制，我們開設(shè)了與信息光學(xué)相關(guān)的四個(gè)實(shí)驗(yàn)，全息光柵制作及特性、阿貝成像原理與空間濾波、面形的三維干涉測量和光電探測原理實(shí)驗(yàn)。這四個(gè)實(shí)驗(yàn)分別涉及信息光學(xué)的光學(xué)全息，空間濾波，干涉實(shí)時(shí)測量技術(shù)和光照度、測量的基本知識、光電池的結(jié)構(gòu)、工作原理和光照度特性及其應(yīng)用等。結(jié)合這些實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生對理論知識做一個(gè)透徹的理解，同時(shí)讓學(xué)生對光電信息產(chǎn)生濃厚的興趣。光電類實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝮w現(xiàn)學(xué)生所學(xué)知識的直接使用，使應(yīng)用物理專業(yè)的學(xué)生認(rèn)識到光電類的理論知識在現(xiàn)實(shí)生活中的直接使用，相比純物理學(xué)來講，更有實(shí)際的使用價(jià)值。比如讓學(xué)生做4f光學(xué)系統(tǒng)FT及IFT系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以直接根據(jù)4f光學(xué)FT系統(tǒng)觀察常見圖樣的逆傅里葉變換圖，以及FT頻譜，比較復(fù)雜的公式通過一個(gè)光路和圖像顯現(xiàn)的淋漓盡致。

3 加強(qiáng)計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)

由于實(shí)驗(yàn)器材的缺陷和基礎(chǔ)設(shè)施的缺乏，基于以上幾個(gè)實(shí)驗(yàn)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能實(shí)現(xiàn)對信息光學(xué)的掌握和理解，同時(shí)由于光學(xué)實(shí)驗(yàn)的苛刻要求，很難達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。因此，采用計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)是信息光學(xué)不可或缺的一種手段。使用計(jì)算機(jī)仿真光學(xué)實(shí)驗(yàn)，不僅可以直觀的觀察到真實(shí)的實(shí)驗(yàn)效果，同時(shí)對理論的推導(dǎo)也有更深的認(rèn)識，還能解決信息光學(xué)中抽象問題。通過數(shù)值模擬計(jì)算，有利于將信息光學(xué)中抽象的、難以描述的物理現(xiàn)象可視化顯示出來，有助于抽象為形象思維，從而更好地讓學(xué)生掌握理論方法，了解實(shí)用價(jià)值。比如說學(xué)到相干光學(xué)傳遞函數(shù)和非相干光學(xué)傳遞函數(shù)時(shí)，就可以結(jié)合工程光學(xué)的像質(zhì)評價(jià)的相干內(nèi)容，通過Zemax來計(jì)算模擬的MTF曲線解釋，使學(xué)習(xí)的內(nèi)容更加直觀。使用Matlab工具，可以使學(xué)生對繁瑣的數(shù)學(xué)公式，變成具有物理意義的直觀圖像，從而將學(xué)生對理論的掌握從枯燥的數(shù)學(xué)推導(dǎo)深入到豐富的物理本質(zhì)，有助于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

例如利用Matlab矩陣實(shí)驗(yàn)可以將空間二維光場從輸入面到光場空間分布，經(jīng)過二維傅里葉變換之后在頻譜面和濾波之后的場強(qiáng)空間的頻譜分布，最后得到輸出面的空間場強(qiáng)分布的變化過程用圖像和動(dòng)畫輸出的形式描述清楚，更換輸入光場或?yàn)V波器，可以獲得相應(yīng)的輸出的圖像?？傊?，使用計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)，可以使教學(xué)內(nèi)容更加逼真，更加接近實(shí)際，同時(shí)讓學(xué)生深刻理解繁瑣的數(shù)學(xué)公式，把繁瑣的數(shù)學(xué)公式變成有意義的物理概念。

4 借助互聯(lián)網(wǎng)和校外資源

由于校內(nèi)資源和實(shí)驗(yàn)器材的缺乏，使得學(xué)生掌握更多的信息光學(xué)的知識受到了限制，但是，各個(gè)光學(xué)科目強(qiáng)的高校都已經(jīng)建設(shè)了信息光學(xué)課程網(wǎng)站，比如浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)、北京理工大學(xué)、四川大學(xué)等，同時(shí)教育部光電專業(yè)教指委全國光學(xué)光電類專業(yè)教育教學(xué)支委也在積極籌建光學(xué)教學(xué)網(wǎng)站，讓全國優(yōu)秀的光學(xué)教學(xué)傳遞到每一所大學(xué)。通過信息光學(xué)網(wǎng)站，使學(xué)生能夠充分利用豐富的網(wǎng)絡(luò)資源來彌補(bǔ)在課堂上疑惑的知識，從而達(dá)到了學(xué)生積極主動(dòng)學(xué)，確立了學(xué)生在教學(xué)過程中的中心地位，這種教育模式將成為革新傳統(tǒng)教育模式的重要途徑。在實(shí)際教學(xué)中，講授到計(jì)算全息這一章節(jié)的時(shí)間，和學(xué)生一同學(xué)習(xí)了由四川大學(xué)電子信息學(xué)院曹益平教授負(fù)責(zé)的光信息處理這門精品課程，教學(xué)內(nèi)容在教學(xué)錄像的第三章計(jì)算全息，主講教師是蘇顯渝教授，網(wǎng)址是http：//cc.scu.edu.cn/G2S/Template/View.aspx？courseId=1299&topMenuId=125878

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125901，通過學(xué)習(xí)視頻內(nèi)容，一方面讓學(xué)生學(xué)習(xí)到了計(jì)算全息的抽樣定理與信息容量、時(shí)域信號和空域信號的調(diào)制與解調(diào)，更重要的是讓學(xué)生見識國內(nèi)頂尖大學(xué)的教學(xué)模式以及教學(xué)大師的教學(xué)風(fēng)采。通過這次視頻課教學(xué)，學(xué)生反向強(qiáng)烈，受益匪淺。

5 加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)

信息光學(xué)是一門實(shí)用性很強(qiáng)的課程，光靠課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)室教學(xué)或者計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)往往都不能體現(xiàn)該門學(xué)科的重要性。因此，實(shí)踐教學(xué)是非常重要的。它可以提高學(xué)生的動(dòng)手能力、工程實(shí)踐能力、科研能力和創(chuàng)新能力，這些能力很難從課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)室教學(xué)和計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)中提升。因此，我們在大四開學(xué)之后進(jìn)行兩周的實(shí)習(xí)，實(shí)習(xí)基地是四川綿陽長虹培訓(xùn)中心，實(shí)習(xí)內(nèi)容主要是在實(shí)驗(yàn)室對電視機(jī)內(nèi)部電路進(jìn)行理論的學(xué)習(xí)以及對電視機(jī)實(shí)物各個(gè)部分識別和元器件參數(shù)的測量。通過實(shí)習(xí)，讓學(xué)生意識到信息光學(xué)中的光在信息處理中起到承載傳到信號，把信號加載在原光信號中，使信號發(fā)生改變，然后接受光波的時(shí)候把信號還原出來，起到了調(diào)制調(diào)解的作用。同樣在實(shí)習(xí)的過程中會(huì)接觸到與信息光學(xué)相關(guān)的知識點(diǎn)，比如說，波前編碼、傅里葉變換、空間濾波、計(jì)算全息等。

6 結(jié)束語

我們從教學(xué)內(nèi)容設(shè)置、校內(nèi)實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)、加強(qiáng)計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)、借助互聯(lián)網(wǎng)和校外資源以及加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)五個(gè)方面總結(jié)了應(yīng)用物理專業(yè)的學(xué)生在信息光學(xué)教學(xué)中的探索與思考。但是要進(jìn)行應(yīng)用物理在光電類的教學(xué)改革，增加學(xué)生在光電類專業(yè)考研和就業(yè)，光靠一門課程或者實(shí)驗(yàn)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求的。應(yīng)從光電專業(yè)人才培養(yǎng)需求和學(xué)生自身素質(zhì)的實(shí)際情況出發(fā)，不僅在課堂和教學(xué)實(shí)踐中加強(qiáng)光電信息的改善，更需要光電信息的教師不斷提高個(gè)人業(yè)務(wù)水平、科研能力，更需要教學(xué)單位配備有助于光電信息教學(xué)和實(shí)踐的場地和器材。在各個(gè)方面的配合下，應(yīng)用物理專業(yè)的教學(xué)才能將學(xué)轉(zhuǎn)化為用，才能滿足社會(huì)的需求。因此，通過一步一步的努力，進(jìn)一步深入研究光電技術(shù)專業(yè)方面的人才培養(yǎng)特點(diǎn)，拓展教學(xué)課程內(nèi)容和手段，為我校申辦光電信息專業(yè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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