光学设计CAD课程的教学改革与实践

张继艳

摘 要：《光学设计CAD》是应用光学系列课程不可缺少的实践环节，是提高学生创新实践能力的重要课程，该文从教学内容、教学方式、网络教学、教材编写、教学成效反馈等方面，提出了一系列的改革措施，经实践证明，课程的教学改革取得了一定的成效。

关键词：光学设计 教学改革 实践教学 翻转课堂

中图分类号：G643.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）03（a）-0183-02

如何应对快速发展的光电信息产业，更好地培养创新型、应用型人才，是光电信息科学技术专业的工作重点，而具有光电特色的应用性课程的学习则是提高学生创新能力的最好途径之一，光学设计CAD正是一门具有很強应用性的实践类课程。

光学设计CAD是光电信息科学技术专业开设的一门专业选修课，是光学系列课程中不可缺少的实践环节，在培养大学生工程素质与创新意识中发挥着重要的作用，同时这门课也是光电信息专业的特色课程。结合地方企业需求，开设具有光电特色的光学设计CAD实践课程，这对于学生综合素质的提高和创新能力的培养具有十分重要的意义。同时，对于推动其他高校相关专业和实践教学课程体系的改革与创新也具有积极的促进作用。

1 改革教学内容

像差理论是《光学设计CAD》重要的基础知识[1]，贯穿整个课程的始终，像差部分的理论内容中数学内容繁多，大量像差公式的推导和光路图绘制，难免会让学生感到枯燥，同时专业术语的晦涩，其中公式定理的联系和区别往往让学生无所适从。为了方便学生记忆与理解，在像差部分学习中引入动态多媒体教学[2]，尤其光路的绘制的内容统一使用CAI课件，动态光线可以详细的描绘像差产生的机理及像差的消除和控制等内容。

厦门理工学院的光学设计CAD课程分为理论课程和上机实验课程两部分，共计3个学分，其中理论课占2个学分，实验课占1个学分。随着素质教育的不断推近，笔者认识到实验课程的得要性，着力塑造具有特色的光学设计实验课程。实验课程主要强调的是学生的动手能力与创新思维，在平时的理论课程中会穿插实验教学的内容，比如理论教学中介绍照相机光圈的知识，就直接引入Zemax软件，打开一个设计好的照相物镜程序，通过调整入瞳的大小观察成像的情况。使学生能够直观地掌握光圈与相机分辨率之间的关系。在分析判断像差的环节，借助简单的单透镜与双胶合透镜的光学系统作为例子，学生即可以对像差有更深刻的理解，同时也在学习过程中逐渐熟悉了软件。实验课内容的设置贴近生活实践，简单的设计题目有单透镜的设计，双胶合透镜的设计，多重配置的激光扩束望远镜的设计，设计题目由浅入深逐步过渡到自主选题的三片式照相物镜、手机照相物镜、显微物镜等设计。学生通过对光学设计软件的操作可以更深刻的理解理论学习中的相关概念。实验课程的最后增加了公差设计的内容，让学生了解整个工程设计的完整过程，使整个学习过程更贴近工程实践。

在教学中穿插1～2节课的前沿性的技术报告或是讲座，聘请合作企业的工程师或是大学研究所的科研人员作一到两场报告，使学生了解行业内的最新发展状况，了解最新的技术工艺，学生通过学术报告对课程的兴趣也日渐增加。

2 改革教学方式

打破教师一言堂的教学模式，提高学生的参与度。引入翻转课堂的新的授课形式，课堂突出学生的主体意识，在一些教学内容上，尝试让学生上台讲解，老师在一边听，并不断抛出问题，诱导学生不断的思考与探究。比如，用PW法求解双胶合透镜的结构，请同学在课后预习，课上分组讨论，并派每组的代表上台讲解。通过多样的形式，学生的参与度得到提高，提高了其主体意识，也增加了其学习的兴趣。

实验课的考核采用自主选题的实验设计项目，从企业需求和教师科研等渠道寻找设计题目，设计题目的难易度选择适中，即要使学生得到训练，又要使学生通过一定的努力才能设计成功。其次是要求学生组成课题组，采用签订项目合同书的形式[3]，教师同课题组要签订一个完全按照科研项目开发合同拟定的任务书，任务书中有项目设计的具体内容，并有各阶段各项任务完成的时间点，设计完成进入答辩环节，每组派代表上台答辩，学生答辩环节，翻转课堂的教学方法发挥了极大的作用，学生在答辩的过程中可以及时地发现问题，并进行分析总结，如果没有完成任务书要求，就要继续设计直到答辩通过。

3 建立网络教学平台。

为了向学生提供形式多样的学习环境[4]，特别开发了光学设计CAD课程的网络课堂，网络课堂上有教师的授课视频，授课的课件，教案，相应的参考资料。网络课堂可以让学生在课后预习、自习、提交作业、了解课外知识，并可以和教师进行网上交流、辅导答疑，网络课堂提高了学生的主动性和自觉性，也为辅助教学提供了极大地帮助。自开通以来受到了学生的极大欢迎，收到很好的成效。

4 教材编写

目前，市面上一直缺少针对本科生教学使用的《光学设计CAD》教材，尤其是《光学设计CAD》实践内容相结合的配套教材，目前出版的相关教材不是难度太大，不适合本科生使用，就是内容繁多，应用性不强，而相关的软件如Zemax的学习资料更是少之又少，如果要使用中英文的Zemax说明书来辅助教学，明显内容太过繁多，大部分内容不适用。因此教师根据多年的教学经验，编写了适用于本科生使用的教材，教材内容贴近实践，包括光学设计的基本概念，软件的基本操作与简单的分析工具，并有软件设计的实例与详细的操作步骤。目前，市场上对熟练操作光学设计软件的人才需求日益增加，学生如果在学校就可以熟练操作软件，在未来的人才市场上会更具有竞争力。

5 与课程相结合的竞赛与项目

教学的目的是学以致用，教学相长，学生在学习了相关的知识后，可以鼓励学生积极的参与该课程相关的学科竞赛与创新项目。该校光电信息专业学生参加了第五届全国大学生光电设计大赛，其中两组学生选择了最佳单透镜构建的题目，这个题目中景深扩展、像差设计、结构设计与照明设计等内容刚好是光学设计的相关内容。学生通过参与竞赛，提高了动手操作能力，增强了团队合作意识和竞争意识。最终我校的学生取得了省级二等奖、国家级二等奖的好成绩。光电信息专业同学参于了多项省级、校极大学生创新项目的申报，所申报的题目中也有和光学设计相关的题目。学生积极主动的寻找题目，联系导师，购买相应的原材料与器件，突出了学生的主体意识，无形中更近一步提高他们的实践创新能力。

6 教学成效反馈和评估

教学实践的最终成效，要综合考虑教师、学生、用人单位等多方面的需求，并建立较完善的教学成效反馈和评估方法。该校有校级督导及学生评教的活动，该课程无论在校级督导还是学生评教活动中均获得了一致的好评。同时，该校光电信息专业近几年与多家企业合作，如厦门晶宇光电有限公司，厦门华联电子、厦门励德光电有限公司、厦门光莆电子、厦门麦克奥迪有限公司、厦门朗星照明等，签订共建实践教学基地协议，为光电信息专业学生的实践实习提供了条件，该校主动和企业座谈，请企业来评估光学设计CAD课程，依据企业的需求提出课程的改革目标。建立企业雇主与校友的访谈机制，通过调查问题卷进一步了解从事光学设计相关专业的校友对于课程建设上的意见与建议，并不断地完善教学机制，从而提高适应社会需求的能力。

7 结语

在经过了以上的教学改革后，光学设计CAD课程已取得了初步的成效，但在某些环节上的改革还需进一步深入，同时在课堂的授课方式上，拟增加企业参观实践环节，使学生能够亲身了解企业工程师对于光学设计知识的运用与操作。实践环节贯穿的素质教育，必将为学生的职业选择上助力，提高学生在未来人才市场上的竞争力。

参考文献

[1] 刘钧，高明.光学设计[M].西安：西安电子科技大学出版社，2008.

[2] 牟达，罗春华，李艳红.光学设计及CAD“课程多媒体教学实践与研究”[J].长春理工大学学报，2012，7（11）：226-227.

[3] 岑兆丰，李晓彤，刘向东.引入科研模式的光学系统CAD课程[J].光学技术，2007，33（11）：272-274.

[4] 李玉红.光学课程教学改革实践与成果[J].高等理科教育，2006（2）：97-99.