面向新工科人才培养的光学系统CAD课程改革与实践

阳 威

（武昌首义学院 湖北·武汉 430064）

0 引言

为提高新工科高水平应用型人才培养质量，全国很多高校实施了基于学生的学习产出的教育模式（OBE），进行了深化教学内容和模式的改革。在培养方法上，更加注重以项目工程为载体，让学生对项目任务进行自主的构思、设计、改进，从而实现项目设计，来增强其工程设计能力和工程应用能力。

本文结合武昌首义学院光电信息科学与工程专业实际，为到达新工科要求学生具有独立光学工程应用和设计能力的目的，以新工科理念为引领，并运用OBE工程教育模式来进行课程改革，把确立科学合理的教学目标、优化教学内容和方法、完善考核评价模式和创立开放探索性实践教学环境，作为光学系统CAD课程改革的主要内容，以此来加强对学生实践创新能力的培养，并将教学重点融入到实践项目中，从而全过程的培养和提高学生的工程实践能力。

1 课程定位和课程特点

1.1 课程定位

光学系统CAD广泛应用于多种传统和现代光电系统中，是光电信息科学与工程专业学生需要掌握的重要能力之一。该课程着重培养学生的工程意识和工程素质，使学生完成从理论知识学习到工程实际应用的转变，掌握工程实际中需要考虑的基本问题和解决问题的思路和能力。通过本课程的学习，使学生较系统和全面地掌握光学设计理论和设计方法，并能完成大多数典型光学部件和系统的设计工作。

1.2 课程特点

“光学系统CAD”是一门培养学生具有光学设计能力的课程，有以下特点：

（1）理论性和系统性强。本课程的理论知识有几何光学、像差理论、像质评价与优化理论、光学部件与光学系统的设计理论。这些知识紧密联系，在进行设计实践前必须先掌握这些知识。

（2）应用性强。在设计中要灵活地应用学过的理论知识，理解软件的每个设计功能的理论根据，用理论指导设计实践。当设计过程出现问题，能利用理论知识较准确地对设计参数进行修正，最终得到最佳像质系统。

2 课程建设思路与内容

2.1 课程目标

按照新工科理念，结合OBE工程教育模式中定义学习产出的方法，确立以培养理论知识扎实、工程素质与综合创新能力强、具有独立设计光学系统的高素质光电人才为目标。

2.2 “以成果为导向，以项目工程为载体”的实践课程教学模式

按照OBE工程教育模式中实现学习产出的方法，通过以实践项目为载体的教学模式，改变“先教授、后使用”的教学方法，采用引导式、自主式、团队式的教学形式，以基础型项目的教学作为引导阶段，以综合型和提高型项目作为设计阶段，将工程的项目和思想贯穿于教学全过程。

以基础型项目作为引导阶段的实践训练，主要目的是使学生了解和初步掌握光学设计软件的使用方法，掌握光学系统和评价优化的设计理论与方法。直接以“案例式”项目为切入点来讲解光学系统设计的问题，让学生一边熟悉软件功能，一边思考和掌握设计理论和方法，让学生带着具体的任务来学习、操作光学设计软件，快速地体会到设计的流程与目的。

以综合型和提高型项目作为设计任务，学生组成设计团队，按照项目要求进行自主的构思、设计、改进，从而实现项目设计。教师适时对学生的设计过程及分工合作进行指导，实现教师和学生以及学生之间的交流。

2.3 教学内容

光学系统CAD课程主要内容包括：光学像差理论、光学系统设计方法、典型光学系统设计、现代光学系统设计、光学设计CAD软件应用、光学零件与光学制图等。

在教学内容安排上，按照新工科光学工程的高级应用型人才的要求，结合实际的现代光学系统项目，进行全过程的项目设计，来增强学生的光学系统设计能力。在保证基础内容的前提下，压缩经典光学内容，增加现代光学内容，弱化理论推导，例如代数法求解透镜的基本结构。从薄透镜的初级像差和数、光学设计软件应用开始教学，给学生仔细讲解每个像差和数公式中符号的意义，而不用介绍如何推导得到像差和数，强调概念的物理意义及其应用。

在课程设计项目中，我们结合实际设计项目中的案例来讲解光学系统设计的问题。同时设置“普罗棱镜望远镜的设计与仿真”、“照相物镜设计”、“显微物镜设计”、“变焦镜头设计”、“非球面光电转换耦合镜头优化设计”、“F-激光扫描物镜设计”、“手机镜头设计”、“激光扩束系统设计”等设计性、综合性和创新性的实践项目。教师提出各设计项目的主要内容和技术指标，引导学生查阅国内、外的光学技术文献、资料和手册，按照规范程序进行初始结构选型、结构优化、像质评价、像差校正和公差分析的设计，并绘制光学系统图和光学零件图，使学生通过完整的设计了解工程研发的整个流程，使学生能在未来的就业市场上具有一定的竞争优势。

在采用案例教学中，这些工程案例中往往会涉及一些项目背景，这时可乘势开展思政教育。例如，在典型光学系统的设计中，可以引入国产品牌的最新系统结构，帮助学生们确立文化自信，培养学生的爱国情怀和主人翁精神，鼓励学生将自己的梦想与中国梦相结合。在讲授知识点的同时深入挖掘学科史、人物史中的丰富背景资源，尤其是伟大科学家的真实事迹，用伟人们孜孜不倦追求真理的历程，来引导学生，感染学生。让同学们在实践学以致用的同时，更要学习科学家的精神，激励学生大胆创新，不断追求新知。

2.4 考核内容与方式

采用过程评价和终结性评价相结合，重点考察学生对光学系统设计的掌握程度、实际应用能力、分析和解决问题的能力。过程评价主要包含“课堂表现”和“技术答辩”，重点考察学生的光学系统分析与计算能力，以及交流表达和团队合作能力；终结性评价主要包含“设计结果”和“课程设计报告”，重点考察学生的光学系统设计和光学技术文档撰写能力，以及工程素质与综合创新能力。

按OBE工程教育模式的“光学系统CAD”课程目标（光学系统分析与计算能力、光学系统设计与实现能力、光学文献查阅与技术文档撰写能力）和达成度计算方法，进行课程目标达成度评价。课程考核成绩应从学生的创新精神、工程能力、自学能力、交流沟通与表达能力、团队合作等多方面对其进行综合考核评价，使考核成绩更能客观地反映学生综合素质提高的程度。

3 教学软硬件条件建设

3.1 教学软件和实践教材

引入应用十分广泛的光学设计软件ZEMAX，让学生从光传输的基本思想入手，以光学设计软件为工具，将手动初始结构参数计算与自动优化设计相结合、像差校正和像质评价相结合、系统设计和加工相结合，更好地将本课程与社会的实际需求相联系，提高学生综合运用相关知识的技能，培养学生光学设计的能力和水平。

为使学生较好的掌握ZEMAX设计软件的应用和光学系统设计，在基于多年的教学经验上，编写和整编了与“光学系统CAD”课程内容相配套的《ZEMAX光学设计实用操作教程》、《ZEMAX光学设计应用案例教程》、《光学系统CAD实践教程》等实践教材，在实践教程中结合课程设计的要求，增加了相关的光学工艺要求和光学图纸方面的内容，使实践设计环节与理论课学习更好结合。

3.2 编制多媒体教学课件

根据“光学系统CAD”课程的特点（光路图较多、知识面广、公式推导复杂、演示环节多），对“应用光学”和“光学系统CAD”两门课程，应用多媒体课件的颜色、图像、动画等多种技术，按理论知识和“案例式项目”编制了一套“重点突出、形象生动、层次分明”的多媒体教学课件，将授课内容图文并茂的展示给学生，将抽象的教学内容形象化，从而提高学生对光学设计的理解和学习兴趣。

3.3 构建网络教学平台

依托学院的“信息技术虚拟仿真云基地”，构建“光学系统CAD”课程的网络教学平台，实现了更紧密的“教、学、做”一体化，为学生的学习提供了一个灵活、自主、多样的学习环境。网络教学平台上提供课程的教学大纲、任务书、进度安排、实践教程、教学课件、参考资料的下载，也可在网络平台上进行项目设计和结果提交。利用网络平台上的交流栏目加强教师与学生的交流沟通，让教师了解学生对课程的学习效果，让学生得到教师的针对性指导。

4 结束语

本文按新工科理念和OBE工程教育模式，进行了一系列具体的课程改革，主要内容包括：确立了科学合理的学习产出目标，制定了光学系统CAD课程的教学内容和模式，完善了考核评价内容与方式，整编了一套符合实用创新人才需求的实践教材，构建了开放探索性的实践教学环境，融入了课程思政教育的德育元素。

实践证明，通过对“光学系统CAD”课程的改革，对提高教学质量和提高学生的创新能力、工程素质和解决工程问题能力等方面，收到了良好的效果。该课程是一门与现代光学应用设计结合很紧密的学科，我们应不断更新课程教学内容和方法，以适应当今社会对光学设计领域发展的最新人才要求。