【論文關鍵詞】《光學設計》 教學改革 探索與實踐
【論文摘 要】《光學設計》是一門實踐性很強的課程，是光學工程和光資訊科學與技術專業的主修課。本文對《光學設計》課堂教學內容的組織、教學方法的改進以及考覈方式的改革等進行了探討，以期對該課程的教學改革提供方法與思路。
《光學設計》是許多工科院校的“光資訊科學與技術”、“光學工程”等專業的主修課程，北京資訊科技大學光資訊科學與技術專業在應用光學、物理光學等必修課基礎上也開設了這門重要的專業選修課。《光學設計》是一門將幾何光學與物理光學知識與實踐相結合的學科，透過該課程的學習，學生可以系統的瞭解光學設計方面的知識，瞭解一些最常用的光學系統的設計方法，以及瞭解光學設計的發展方向。該課程的特點是應用性較強，涉及的內容較多，如何在有限的學時內，透過該課程的學習，培養學生熟練設計各種光學系統的能力，提高學生的分析能力和實踐能力，這對授課教師提出了嚴峻挑戰。該課程一般透過理論教學和實踐教學兩個環節完成教學內容，本文將幾年來的課堂教學工作所積累下來的心得與體會加以總結，主要涉及到教學內容的組織，教學方法的改進與考覈方式的變革等。
一、精心組織授課內容，理清主線，突出重點。
光學設計課程囊括的知識點比較多，面向不同的教學對象，因爲其本身知識積累就不同，而不同的教材組織方式，調強的知識重點也不盡相同，因此需要教師因人而異、不斷調整授課內容的組織方式。北京資訊科技大學光資訊科學與技術專業將該課程覈定爲32學時，在這麼短的課時內，如何選擇講授的知識點來保證教學活動的完成，根據本專業的特點，我們精心組織了教學內容，主要爲了理清思路，並突出重點。光學設計涉及到的內容可分爲：高斯光學、像差理論、典型光學系統、計算機自動優化方法、光學系統公差分析及光學元件製圖等。高斯光學是光學系統分析的基礎，光學系統初始結構計算就是基於高斯光學理論的；像差理論是光學設計的重中之重，只有深刻了解了像差理論，才能夠自主、靈活的設計光學系統；典型光學系統包括放大鏡、顯微鏡、望遠鏡等系統，是瞭解實際光學系統的鑰匙，也是光學系統初始結構計算的理論基礎；而計算機自動優化方法、光學系統公差分析及光學元件製圖等是實踐性很強的內容，也是把上述理論知識與實際設計過程聯繫的紐帶。只有理清了這些內容的知識體系，纔能有的放矢，條理清楚的講授。我們經過探索，發現在授課時選擇一個實際的光學系統（如開普勒望遠鏡系統），從它的基本結構講起，引出物鏡和目鏡的各自特點，用高斯光學知識分析其放大率、視場角等參數，再引申到實際系統像差對像質的影響，最後講授怎樣設計這樣一個系統以及設計中應該注意的問題。這樣就能把所有要講授的內容串聯起來，學生就能更好地理清思路，知道哪部分內容的作用以及怎樣學習效率更高。另外，講解時不能一概而論，必須突出重點，每個知識模組的學時要分配得當。比如像差理論是本課程的重點，需要佔用較多的學時講解；而且像差理論這一部分應該把重點放在各種系統參數（比如，光闌大小、位置，材料折射率、相對色散等）對初級像差的影響上，因爲這是一個優秀光學設計工程師必須練好的最重要的基本功。最後，處理好知識點與實際光學系統之間的關係。比如要提醒學生每一部分知識點都要結合與實際光學系統設計（包括加工、檢測）的關係來學習，做到有的放矢、思路清晰。
二、教學方法的改進
1．課堂教學與課外科技創新實踐相結合
學習基本原理知識的目的是爲了更好地應用到實際生活中。我們積極鼓勵學生參加各種科技創新活動，堅持課堂教學與課外創新實踐活動相結合，強化實踐能力培養，提高學生的設計與綜合分析能力。比如，在學習了照相系統基本知識以後，我們鼓勵學生調研如今市場上的各種照相機（包括數碼相機、傳統相機、攝像機等），讓學生考察照相機的基本結構以及重要技術參數，並讓學生嘗試自己設計一臺照相機系統。這樣，學生的學習積極性得到大大提高，他們在設計過程中遇到很多問題，再重新回過頭在課堂找答案，被動接收變爲主動學習，學習效率大大提高。
2．現代多媒體教學技術的使用
多媒體教學是以計算機爲核心的教學手段，能交互的綜合處理文字、圖形、圖像、動畫、音頻及視頻等多種媒體資訊，更豐富、更復雜的資訊多媒體教學對全面提高教學質量，增進教學效果起着不可替代的推進作用。基於多媒體的光學設計課程教學優勢包括：第一，圖文並茂，簡潔直觀，激發學生學習興趣，提高學生學習的主動性。比如在講授望遠系統時，我們把目前世界上的各種望遠系統圖片投影到黑板上，並列舉各系統的優缺點，使學生頓時產生了濃厚的學習興趣。第二，把教師從繁重的板書中解放出來，更有利於教師語言、人格魅力的發揮，學生可以在相同的時間內獲取更多的知識，提高課堂教學效率和教學質量。比如，在講授各種目鏡結構時，由於目鏡的種類很多，有惠更斯目鏡、冉斯登目鏡、凱涅爾目鏡、對稱式目鏡以及廣角目鏡等，一一板書這些目鏡結構和特點非常花時間，而且作用不大。使用多媒體就可以很快的展示各種目鏡結構以及特點，從而把更多時間放到講授目鏡選型以及設計中去。第三，教師爲主導，學生爲主體，二者相互有機結合，實現教與學的良性互動。比如，在學習球差與系統相對孔徑以及光闌的關係這部分內容時，我們讓學生自己提出各種參數，然後現場用多媒體計算光線軌跡並畫出光路圖、像差圖等，學生再根據像差圖提出新的修正結構，直到得出滿意的球差。在這個過程中，教師與學生不再是填鴨式的灌輸與接受知識，而是很好的互動，並激發了學生學習興趣。
3．光學設計軟件的應用
在光學設計課程教學中，爲了演示光線追跡結果及光學系統在各種不同情況下、不同輸入光場時的輸出光場情況等，需要編制相應的模組軟件。但由於編制這樣的模組軟件工作量大、難度較高，往住使任課老師放棄在教學過程中演示覆雜的光學現象，即使有人花大量時間和精力編制出一些，也因爲功能不強、效果不佳而影響教學效果。我們將諸如ZEMAX、OSLO、CODE－V等功能強大的商業光學設計軟件引入光學設計課程的教學過程，可以減小設計工作量，並且使課程課件的深度得到加強，從而擴大學生的感性認知和視野，增強教學效果。