光学设计仿真教学与实践教学互补性研究

何文森,杨华军,蔡杨伟男，江 萍,柯莎莎，何书航

(电子科技大学 物理电子学院， 成都 610054)

·实验教学与创新·

光学设计仿真教学与实践教学互补性研究

何文森,杨华军,蔡杨伟男，江 萍,柯莎莎，何书航

(电子科技大学 物理电子学院， 成都 610054)

介绍了光学设计仿真教学与实践教学(包括：理论教学、演示实验、光学设计仿真实验和实践教学平台4个教学环节)互补性研究的教学目的及方法,主要针对大学生专业思维能力培养训练的提高(包括4个方面)进行了详细阐述。近几年来，教学团队通过对空间光通信创新实验课教学新方法的不断完善和大学生专业思维能力培养的训练，调动了大学生追求真知和探索科学奥秘的积极性，提高了大学生综合分析问题和解决问题的能力，切实加强了大学生专业思维能力和综合创新动手能力的培养，教学质量有了大幅提升。并列举了部分大学生的创新例证，达到了大学生锻炼自己、培养专业思维能力训练及综合创新动手能力的目的。

光通信； 理论教学； 仿真教学； 实践教学； 互补性

0 引 言

“空间光通信创新实验”是一门注重理论与实践相结合的综合型、设计型、创新型的课程。近几年来教学团队针对空间光通信创新实验课的教学方法和鲜明的课题特色，着重从专业学科方向夯实基础，转变教学理念,探索空间光通信创新实验课教学新方法；专业思维能力训练3个方面重点开展了光学设计仿真教学与实践教学互补性研究和探索。着力培养大学生应用系统的理论知识、光学设计仿真软件和实践教学平台解决实际问题的能力[1-2]。

1 结合专业学科方向和前沿技术讲座，激发大学生对科学积极探索的精神和学习兴趣

通过邀请国内外著名专家学者举办专业论坛和学院专家、教授定期举办物理论坛、前沿技术讲座，把最新的科学技术发展动态和科研成果(结合专业学科方向)即时详细地介绍给本科生，让他们对当今世界科技发展的动态有所了解。启迪智慧，求实创新，激发大学生对科学积极探索的精神和学习兴趣[3-4]。

2 夯实基础，转变教学理念,探索空间光通信创新实验课教学新方法

本科生在进入大二学习阶段，除了要求学好基础课，在空间光通信创新实验课上要有意识地培养学生的数学建模能力、创新能力和科技论文撰写能力，具体来说(结合专业学科方向)体现在4个方面：① 基于Matlab,MATHCAD 等仿真软件，实现复变函数、数学物理方程、特殊函数的计算机仿真与三维可视化动态求解。② 培养学生数学建模和数值仿真的能力，用数学方法解决实际物理和工程问题的能力。培养学生科学研究的基本素养和方法。③ 拓展学生在空间光技术领域的视野，提升在空间光技术领域创新意识和创新能力。④ 培养学生撰写科研论文的能力。

针对以上4方面的目的，空间光通信创新实验课教学有4点要求：① 课前做好相关的预习工作。在此阶段需要详细地理解实验原理、仿真软件的使用方法和实验仪器的介绍资料。对不清楚的问题可以和指导教师交流获取相关信息，也可以在指导教师的指导下通过查阅文献获取。这一部分重点突出学生的自我学习能力的培养。② 课堂上仔细理解指导教师的讲解和演示，在实验过程中亲自体会实验的目的和意义。并通过实践过程深入理解如何通过数学的方法对实际问题进行建模和仿真，并使其得到求解。③ 课后需要学生对课堂上的内容进行回顾，做好课后思考题，并且根据自己的见解提出更新的想法和思路，积极和指导教师联系讨论，进一步巩固自己在这一环节的学习收获。④ 本课程要求学生能够突破常规的指导教师演示、学生重复实验的模式，积极鼓励学生将自己的思维融入到课程之中去。因此评价的标准也将从传统的单纯看实验结果而不注重能力的培养重点转向学生思考问题的能力和综合动手创新的能力考查。

空间光通信创新实验课教学新方法包括：理论教学、演示实验、光学设计仿真实验和实践教学平台4个教学环节。

2．1理论教学

理论教学以多媒体教学形式，讲授内容可以直接采用多媒体课件讲授，在讲授的过程中打开Matlab的集成开发系统辅助介绍和解释相关内容，给学生以直接的感受。由于采用小组上课，可以给每一名学生提供足够的交流机会。本实验课程的理论教学是双向互动的，可以保证学生能够充分地理解。理论教学的内容以课程要求的实验内容为主，并将前沿科研项目纳入到创新实验中进行前瞻性创新思维能力训练。

2．2演示实验

教师对实验的演示可以采用实物演示和多媒体演示两种方案。为了避免学生以葫芦画瓢式的简单模仿，积极启发他们的主动性与创新意识，有的时候会适当采取使用多媒体介绍各种元器件的工作原理，把动手动脑的机会留给他们自己，采用不懂就交流的方式推动学生对实验的深入理解。

2．3光学设计仿真实验

此部分是本课程的重点，与数学物理方法的理论讲解内容配套，逐个辅导学生，帮助学生更好地理解和掌握Matlab处理数学物理方法问题的相关功能，加强计算机仿真手段在复变函数、复杂的数学物理方程、特殊函数的求解、绘图等中的应用，培养大学生的计算机编程能力、数学建模能力和用数学的方法解决物理问题的能力。这部分内容的学习采用圆桌会议的模式进行。由实验室提供电脑或自带电脑，围在一起进行模型的建立和数值仿真。指导教师给予现场指导，及时了解学生的想法和遇到的问题，并实时对学生提供支持和鼓励。针对实验涉及的重点、难点教学内容和可能出现的问题，对问题提出如何解决(进行思维拓展和创新思维的培养)，并适当加强ZEMAX和CODE-V等光学设计软件在光学天线系统设计中的应用。

2．4实践教学平台

结合实验室已构建的“空间光通信创新实践平台”，指导大学生了解整个实验的布局，各元器件的工作原理，并就实验所涉实物帮助学生理解实验原理，给学生相关的警示以保证学生和实验室设备的安全。在做到以上要求后放手让学生动手去做，并积极给予支持，鼓励学生用创新的思维去解决问题[5-12]。

实践证明， 本实验课程新的教学方法富有科学性和趣味性，能培养大学生的创新思维意识，可加强大学生实践技能以及计算机仿真能力。

3 专业思维能力的训练

空间光通信创新实验课教学新方法有利于培养学生专业思维能力的训练[13-15]。它包括以下4个方面：

(1) 理论教学采取多媒体教学形式。以课程要求的实验内容为主，并将前沿科研项目纳入到创新实验中进行前瞻性创新思维能力训练。

(2) 演示实验采取实物和多媒体演示两种方案。有利于培养大学生观察物理现象，加深理解物理概念、掌握物理规律、激发大学生对科学研究探索的积极性和创新意识。有利于帮助培养大学生专业思维能力的训练。

(3) 光学设计仿真实验。首先在光学元器件、精密光学仪器和大型贵重设备短缺的情况下，它是对实践教学平台部分的有力补充；其次它对加深大学生对一些抽象物理概念的理解、理论推导、物理模型建立和科研中遇到问题的帮助起着不可替代的作用。切实加强Matlab、ZEMAX和CODE-V等光学设计软件在光学天线系统设计中的应用。有利于帮助培养大学生专业思维能力的训练。

教学团队通过长期开展对光学设计仿真实验的研究和探索，建立了光学设计性实验数据库，我们随机选择了本科生光学设计性实验报告中的3个例证。

例1卡塞格伦光学天线系统离轴光斑测试仿真设计性实验1。

仿真结果：由于光学天线具有旋转对称性，故考虑一个方向的离轴量，也具有普遍性。如图1所示，当卡塞格伦光学天线系统发生离轴时，会使得来自发射端的光能量部分照射到光学天线的接收端。对比图1(a)～(d)可知(其中：图1(d)黑色粗线小圆环中心区域为次镜遮挡区域，即中心光能量损失；黑色粗线包络区域代表接受天线轮廓线，即有效接收区域。)，随着发生离轴的逐渐增大，接收端接收能量的损失会显著能量分布示意图增加。假若发生离轴过大，接收端将完全无法接收到来自发射端的光能量。

(a)未发生离轴(b)离轴较小

(c)离轴较大(d)离轴很大

图1 卡塞格伦光学天线系统发生离轴时，接收端接收

例2卡塞格伦光学发射天线离焦光斑测试仿真设计性实验2。

仿真结果：当卡塞格伦光学发射天线存在轴上离焦时，出射光将不再是平行光。由图2(a)可知: 当接收端接收到发散角较小的入射光线时，说明光能量分布向外扩展程度较大，致使中心区域光能量损失较大；从图2(b)可知: 当接收端接收到发散角较大的入射光线时，说明光能量分布向外扩展程度严重，致使中心区域光能量损失严重；从图2(c)可知: 当接收端接收到会聚程度较小的入射光线时，说明光能量分布向内严重收缩，致使接收区域光能量损失严重；从图2(d)中可知(其中，图2(d)中黑色粗线小圆环中心区域为次镜遮挡区域，即中心光能 量损失；黑色粗线包络区域代表接受天线轮廓线，即有效接收区域。) ,当接收端接收到会聚程度较大的入射光线时，说明光能量分布向外扩展程度不够，致使接收区域光能量损失较大。

(a)接收端接收到发散角较小的入射光线 (b)接收端接收到发散角较大的入射光线

(c)接收端接收到会聚程度较小的入射光线 (d)接收端接收到会聚程度较大的入射光线

图2 卡塞格伦光学发射天线存在轴上离焦时，接收端接收能量分布示意图

例3LED灯6×6阵列Matlab仿真设计性实验3。

仿真结果分析：由图3(b)可见，该光照度曲线顶部基本平整(有稍许毛刺)，中心区域光照度比较均匀，阵列后的LED光源在目标屏上形成规则的正方形均匀光场[见图3(a)左侧图]，由于模拟的面积比较小，光强也较低。所以在进一步的设计中，通过调整、修正设计参数或增加阵列的数量，还可以继续改善LED灯阵列中心区域光照度边缘的均匀性以及中心光场强度。

(a)(b)

图3 LED灯6×6阵列光源在目标屏的光照图

本设计性实验主要目的是让大学生更加深刻的理解:① 卡塞格伦光学天线系统整体架构的设计、光路设计原理及提高大学生应用仿真设计软件来解决实际问题的能力；② 应用仿真设计软件，通过LED灯阵列设计的实践过程，来巩固已学习的光通信原理知识，应用视频信号通过调制与解调技术、电力线传输和光电转换原理等，实现灯光上网应用的实际意义。开拓思路、创新设计、充分利用仿真软件，掌握基本的光学系统透镜设计方法。为逐渐进入较难的综合性、创新性实践教学实验打下良好的基础。

(4) 实践教学平台。既能拓展大学生所学的理论基础知识和实验技能，又能加强大学生综合分析问题和解决问题的能力，提高大学生创新设计和综合动手的能力，有利于帮助培养大学生专业思维能力的训练。

通过长期的实践教学，建立了研究生、本科生从事做科学研究验证型实验、综合性创新设计和综合能力培养训练的实践教学平台。包括：基础光学、光学系统设计、光电转换与传感器应用技术实验平台；大气湍流中多波长光传输综合参数、空间光调制器参数、卡塞格伦光学天线系统光传输综合参数、空间光通信一体机的综合参数与小型太阳能电站综合参数测试与创新应用平台等。为了充分突出空间光通信创新实验课鲜明的课题特色，教学团队对自编试用实验教材“空间光通信原理与仿真”、实验指导书和“空间光通信前沿技术讲座”的编辑都做了精心的编排。包括两部分: ① 典型的光学实验、光电转换与传感器应用技术实验、空间光调制实验和光学天线应用技术实验等; ② 综合型、设计型、创新型实验。在实验操作形式上，规定了两种类型：① 要求学生根据实验条件提出创新性实验方案的设计及器材的要求,并在规定时间内完成实验,实行奖励制度;② 要求学生给出实验原理,写出计划书,提出可行性实验方案并论证,在规定时间内完成实验,实行奖励制度[16-18]。

依托本校教师创新实验和大学生创新创业训练计划项目等，针对本科生积极好学、勇于探索和求实创新的特点，教学团队近几年来探索性地开展了大学生综合动手能力培养的训练。取得了良好的教学效果。

例4师生共同研发了一套SOCLM-1型的空间光通信一体教学实验机(双工)。

实验内容：① 一路音频信号卡塞格伦光学天线系统的传输测试实验；② 两路音频信号的卡塞格伦光学天线系统的全双工传输测试实验；③ 两路语音信号的卡塞格伦光学天线系统全双工对讲传输测试实验；④ 卡塞格伦光学天线系统的光纤传输特性与参数测试实验；⑤ 卡塞格伦光学天线系统的离轴与离焦光斑测试实验，分析对整个系统的光传输质量降低的影响因素及原因；⑥ 数字发送单元指标测试实验；⑦ 数字接收单元指标测试实验；⑧ CPLD电路设计实验；⑨ 光通信系统综合仿真实验；⑩ 光发射机和光接收机工作电路原理设计实验等。

本综合性实验主要目的是让学生更加深刻理解:卡塞格伦光学天线的结构、音频信号在大气湍流中传输实验测试平台的设计与搭建工作、光路设计原理、光发射机和光接收机的工作电路设计原理、CPLD电路设计原理、光通信系统综合仿真实验、光通信综合参数的测试实验等，来提高学生实际动手能力、分析问题、解决问题的综合能力。

该产品用于教学一年试运行中，其实验现象、实验原理和实验结果直观、具体和明了，得到了本科生的一致肯定。近几年，教学团队指导的本科生发表核心期刋论文8篇和SCI论文10篇。多名优秀大学毕业生被推荐到国内外著名大学留学和保送研究生；达到了锻炼大学生综合动手能力培养训练目的。

4 结 语

实践证明，教学团队开展的光学设计仿真教学与实践教学互补性研究课题，通过科技前沿与基础相融合、理论建模与仿真相融合、工程实践与创新相融合，并将理论教学、仿真教学与实践教学相结合，更新课程结构，充实课程内容，完善课程体系。教学手段呈现多样化，创新实验项目不断得到扩充。通过对空间光通信创新实验课教学新方法的不断完善和大学生专业思维能力培养的训练，调动了大学生追求真知和探索科学奥秘的积极性，提高了大学生综合分析问题和解决问题的能力，切实加强了大学生专业思维能力和综合创新动手能力的培养，教学质量有了大幅提升。同时，教学团队“以结构系统化、三维可视化、实践自主化为特色的专业核心课程教学改革与实践”获四川省第七届教学成果二等奖并收获了其他多项教学成果。

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A Study of the Complementary between Simulation Teaching and Practice Teaching for Optical Design

HEWensen，YANGHuajun，CAIYANGWeinan，JIANGPing，KEShasha，HEShuhang

(College of Physical Electronic， University of Electronic Science and Technology， Chengdu 610054,China)

The teaching objectives and methods for optical design simulation teaching,and the complementary research about experiment teaching are introduced.The objectives and methods include four teaching links: theory teaching,experiment demonstrating,optical design simulation experiment and experimentally practical teaching.The improvement of the students’ specialty thinking ability,self-cultivating and self-training is highlighted in detail.In recent years,teaching team has improved the new teaching method for space optical communication innovative experiment teaching,and has trained the students’ specialty thinking ability so that the enthusiasm for knowledge learning and scientific exploration of the undergraduates is aroused.Meanwhile,the abilities of analyzing and solving problem are improved and the abilities of specialty thinking,comprehensive innovation and operation are strengthened as well.The progress of undergraduates’ specialty thinking,comprehensive innovation ability and operation ability has been illustrated by some undergraduate’s innovation examples,which are listed to show the impressive promotion in teaching quality.

optical communication； theory teaching； simulation teaching； practice teaching; complementary

2016-07-08

国家自然科学基金项目(61271167);四川省教育厅(2013—2016年高等教育人才培养质量和教学改革)研究项目“数学物理建模、仿真与光通信创新实践教学改革”

何文森(1959-)，男，四川成都人，高级工程师，主要从事光通信技术研究与仪器研发。

Tel．：13648025800； E-mail：hewensen@uestc.edu.cn

O 43； G 642.44

：A

：1006-7167(2017)07-0164-04