提升“光电检测技术实验”教学质量的探索——以“薄透镜光学传递函数测量实验”为例

叶剑锋，蒋峰建，焦 铮

（黄山学院 信息工程学院，安徽 黄山 254041）

1 引 言

光电检测技术实验是《光电检测技术》课程的实验教学环节[1]。通过实验学生不但可以从中验证理论，还可以锻炼动手能力和创新性思维。目前我校光电检测技术实验作为一个单独的实验课程总共开设了6个实验项目，共18个学时。现有的教学模式还是采用传统的方法，先由老师进行演示，学生直接按照演示过程进行，让学生按照老师的思路完成一些验证性的实验。这种实验教学方法陈旧，在实验中学生学习处于被动状态，基本上不用思考，更谈不上创新，以至于学生对实验课毫无兴趣，不符合校应用型人才培养的要求[2-4]。为此对实验教学中的综合设计性方面进行了探索。

本文以薄透镜的光学传递函数测量实验为例展开。以此为例是因为作为对光学系统成像质量评价的指标，光学传递函数（Optical Transfer Function，OTF）能够直接方便地进行测量[5]。此个例在光电检测技术实验中具有一定的代表性。

2 “薄透镜光学传递函数测量实验”教学设计

2.1 实验设计阶段

实验设计阶段，先要求学生自行分成若干小组。为了给学生留出足够的探索空间，教师仅给出实验设计的要求。指导教师在实验之前通过班级群组的方式将光学传递函数实验的背景与意义、基本原理、实验室可提供的相关器材和测量软件、实验需要达到的目标发布给学生。此环节中需要给学生指出平时所说的光学传递函数（OTF）往往是指调制传递函数（MTF）。

2.1.1 实验光路设计

依据实验系统图如图1 所示，要求学生在充分理解实验原理前提下，能够利用实验室提供的器材，精心设计出实验光路结构。在设计的光路中应解决以下几个问题：通过哪些光学器件产生所需平行光？什么器件可作为光路中的物？数据又通过哪些电子设备采集并处理？

图1 实验系统图

2.1.2 实验测量步骤设计

为了能够有效并准确地测量出薄透镜在不同空间频率下的两个方向（子午方向和弧矢方向）的MTF，提醒学生在设计的实验步骤中要体现出如下几个节点。

1.共轴等高：所需实验器材在导轨上安装完毕后，要检查各个器材是否在同一个水平直线上。

2.清晰成像：对光栅校对，在计算机上能否见到清晰的光栅成像，如图2所示。

图2 光栅成像采集图

3.测量目标：要对空间频率分别为2lp/mm（线对/毫米）、10lp/mm、25lp/mm和50lp/mm的矩形光栅分别测量子午方向和弧矢方向的MTF。

最终实验前两天要求学生在线提交一份实验方案设计报告给指导教师检查，检查通过方可进入实验室开展实验。

2.2 实验实施操作阶段

通过方案的实施，能够培养学生理论联系实际能力。学生根据设计光路和实验步骤，搭建实验平台，采集实验数据，开展实验研究。学生如果在实验中遇到问题，先自行思考并解决，教师只起指导作用，一般不直接帮助解决问题。

2.3 实验报告撰写阶段

实验数据采集完成后，要求学生整理实验数据，并利用相关的软件（Excel 或Origin）对数据进行分析与处理，而后完成实验报告的撰写。其中重点是在报告中要充分对实验结果进行分析总结：是否根据现有的实验仪器参数模拟出薄透镜的MTF 曲线（推荐使用ZEMAX 软件）；是否分析出影响测量精度的主要原因有哪些；对如何进一步提高测量精度还可以做哪些改进。通过实验报告中以上几个方面的思考和撰写，不仅能锻炼学生的文字表达能力，也锻炼了学生的科学思维能力。

3 实验教学效果

3.1 效果评价反馈

通过问卷调查和随机访谈的方式[6]，对我校2016 级光电信息科学与工程专业的75 位参与实验的学生进行调查。学生普遍反映整个实验过程丰富且具有挑战性。参与实验的学生在课前认真准备，实验过程中积极主动参与动手，通过实验不仅提高了将前期知识综合运用能力，还提高了自身的科研素养。如表1显示90%以上的学生认为通过实验自己在学习科研能力等方面都有了显著的提升。

表1 实验效果评价表

3.2 实验教学效果展示

将2016 级同学的实验报告对比往年学生的实验报告可以发现，不仅从整个报告构架还是实验分析讨论质量上都有了很大的提升。以往的同学写实验报告不知道怎么写，尤其是实验误差分析讨论寥寥几行字。而通过团队参与设计讨论并自己动手实验的同学明显有了很大的改善。图3和表2、表3 展示了学生利用ZEMAX 软件根据实验参数模拟出理论值。提出了引起实验数据误差的主要原因是视场角，并且计算出误差百分比。而且对实验的误差原因有了较为清楚的认识，在实验报告中也提出了相应提高测量精度的方法。

图3 ZEMAX拟合结果

表2 透镜（焦距110mm）误差比

表3 透镜（焦距190mm）误差比

4 结 语

光学传递函数的综合设计性实验收到了良好的教学效果，培养了学生综合能力，提高了学生学习的主动性。在今后的实验教学中将进一步改进，在广度上应该推广至其它的实验项目，而在深度上应不断推陈出新，在考核机制上再做进一步的有效性创新改革。