覃翠 張健

【摘要】工程光學(xué)是光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的基礎(chǔ)課。根據(jù)課程的內(nèi)容、性質(zhì)和特點，本文結(jié)合教學(xué)經(jīng)驗提出在工程光學(xué)的理論教學(xué)和實驗教學(xué)環(huán)節(jié)之間引入光學(xué)仿真的教改方法。加強直觀教學(xué)，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和有效性，以及培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。

【關(guān)鍵詞】工程光學(xué) 光學(xué)仿真 教學(xué)改革

【中圖分類號】O435.1 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）14-0070-01

1、引言

光電信息科學(xué)與工程專業(yè)是由光學(xué)、光電子、微電子等技術(shù)結(jié)合而成的多學(xué)科綜合技術(shù)專業(yè)。為了培養(yǎng)學(xué)生在光電信息工程領(lǐng)域具有光纖傳輸系統(tǒng)與光電傳感技術(shù)、光電檢測與控制技術(shù)、信息光電子應(yīng)用技術(shù)與光電圖像處理技術(shù)等方面的專業(yè)知識。光電信息科學(xué)與工程專業(yè)所開設(shè)的課程包括工程光學(xué)、光電子技術(shù)、信息光學(xué)、光纖通信技術(shù)、激光原理與器件等基礎(chǔ)課[1]。

工程光學(xué)是光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的必修基礎(chǔ)課，也是光學(xué)設(shè)計、光電檢測、光學(xué)測量和光電成像技術(shù)等其他專業(yè)課的先修課程，所以課程在學(xué)科中的地位極其重要。通過這門課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能對光學(xué)的基本概念、基本原理和典型光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有較為深刻的認識，為學(xué)生今后學(xué)習(xí)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計、光信息理論和從事光學(xué)研究打下堅實的基礎(chǔ)[2-3]。工程光學(xué)是本專業(yè)學(xué)生所接觸的第一門光學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課，由于課程具有知識點多，理論性強，公式多等特點，讓學(xué)生學(xué)習(xí)起來難以理解通透，并且感到乏味。為了提高教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)能力，有必要對該門課程的教學(xué)方法做出適當(dāng)?shù)母母?。該門課程傳統(tǒng)的教學(xué)方法是講授法，我們在教授法的基礎(chǔ)上引入了對光學(xué)的基本原理和基本現(xiàn)象進行仿真模擬的實踐教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生在仿真模擬中對課程里重要的公式內(nèi)涵有更深刻的理解以及對一些重要光學(xué)現(xiàn)象有直觀認識。

2、仿真模擬的教學(xué)內(nèi)容

工程光學(xué)的內(nèi)容包含兩部分：應(yīng)用光學(xué)和物理光學(xué)。應(yīng)用光學(xué)部分介紹了幾何光學(xué)的基本定律與成像理論，理想光學(xué)系統(tǒng)和平面成像系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)和成像特性、光度學(xué)和色度學(xué)的基本原理、光線光路計算和像差基本理論以及典型的光學(xué)系統(tǒng)的成像特性和設(shè)計。物理光學(xué)部分介紹了光的電磁性質(zhì)、光在各向同性介質(zhì)界面上的傳播規(guī)律和光波的疊加與分析、光波的干涉和衍射的基本原理以及光的偏振。在教學(xué)內(nèi)容中選取的仿真模擬內(nèi)容即要是一些重點知識點同時內(nèi)容的模擬難度還不能太大。因為學(xué)生剛進入大學(xué)二年級，接觸的計算機語言是C語言，對語言的熟練程度尚不足以模擬復(fù)雜的物理問題。因此，我們選擇了以下內(nèi)容進行仿真模擬：

（1）實際光學(xué)系統(tǒng)的光路計算。通過課堂的學(xué)習(xí)，學(xué)生知道可以用圖解法和解析法求解一個光學(xué)系統(tǒng)的基點和基面，這兩種方法各有利弊。圖解法能讓學(xué)生直觀的看到光線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)之后的光路，但是利用這種方法求解多個光組組合系統(tǒng)的基點和基面是很復(fù)雜和繁瑣的。解析法沒有圖解法那樣直觀，但是通過對公式的反復(fù)利用，可以求解出每組光組的像方截距和像方孔徑角以及整個光組的基點的位置參數(shù)。而在解析法中對公式的反復(fù)計算問題利用計算機程序語言中的循環(huán)和迭代運算可以很輕松的解決。通過這個例子不僅讓學(xué)生加深公式的理解，同時體會到程序設(shè)計的優(yōu)勢。此外，有能力的學(xué)生可以將其做成界面交互的軟件形式，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，體會創(chuàng)作的樂趣。

（2）光的衍射和干涉現(xiàn)象。這部分知識是物理光學(xué)的主要內(nèi)容，也是重點和難點知識所在，在實驗課上會有相關(guān)的驗證實驗。在理論授課和實驗課程中增加仿真模擬環(huán)節(jié)，可以讓學(xué)生將生澀的數(shù)學(xué)表達形式轉(zhuǎn)化為圖像的表現(xiàn)形式，同時也使學(xué)生能更清楚的理解實驗原理的來龍去脈。在實驗中采用單色光源和白光光源，得到不同光源的干涉與衍射圖像。首先編寫出光柵衍射仿真程序，然后通過改變輸入?yún)?shù)而達到利用一個程序同時仿真干涉與衍射實驗的目的。最后編寫操作性很強的人機交互界面，具有很強的實踐性。

（3）光纖中的光傳播特性。對于學(xué)有余力的學(xué)生，可以讓學(xué)生嘗試光纖或者激光器專題的仿真模擬。這部分知識在理論課上只做了淺顯的講解，學(xué)生若感興趣，可以通過仿真模擬進一步學(xué)習(xí)光波導(dǎo)的知識。學(xué)生可以模擬光場的傳播演化過程，考慮不同的光纖結(jié)構(gòu)對光場損耗的影響。此外，可以模擬高斯光束與光纖耦合的情況。從光纖端面輻射到自由空間中的光場是發(fā)散的，對于單模光纖其端面輻射光場可以近似為高斯光束，因此，要深入了解高斯光束的傳輸特性，以及它與光纖連接的光功率損耗情況。

總之，在選擇模擬仿真內(nèi)容時應(yīng)根據(jù)學(xué)生的能力，注重理論聯(lián)系實際。突出課程的工程應(yīng)用背景，為了培養(yǎng)學(xué)生的動手設(shè)計能力，積極利用一些仿真軟件（例如zemax）加強學(xué)生的技能。此外，自60年代激光器發(fā)明以來，在光學(xué)領(lǐng)域涌現(xiàn)出新課題、新概念和新技術(shù)，使光學(xué)知識更加斑斕多彩。為了拓寬學(xué)生的知識面，應(yīng)向?qū)W生介紹本領(lǐng)域的最新科研成果以及基礎(chǔ)知識在生產(chǎn)實踐的應(yīng)用，開展光學(xué)前沿知識講座，講授與光學(xué)相關(guān)的知識點，使枯燥的理論學(xué)習(xí)變得豐富生動，既調(diào)動了學(xué)生的積極性又開闊了視野，使他們的知識結(jié)構(gòu)更趨合理，讓學(xué)生意識到這門課程的價值。

3、結(jié)束

工程光學(xué)作為光電信息工程專業(yè)的基礎(chǔ)課，在培養(yǎng)學(xué)生的素質(zhì)和專業(yè)能力方面發(fā)揮重要的作用。本文針對課程的特點，提出在工程光學(xué)教學(xué)中引入光學(xué)仿真的教改方法，并列舉了部分仿真模擬的內(nèi)容，希望通過教學(xué)手段和教學(xué)內(nèi)容的改進，找出適合人才發(fā)展的課程教學(xué)方法，可以更好的提高教學(xué)水平，達到教學(xué)效果，為社會培養(yǎng)優(yōu)秀的、需要的人才，為光信息專業(yè)人才培養(yǎng)奠定良好的基礎(chǔ)。

參考文獻

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