“应用光学”课程教学思考

摘 要：“应用光学”是光学领域非常核心的一门课程，具有很强的实用性，对于培养光学工程以及相关方向的人才具有重要意义。本文基于近年来该门课程在电子科学与技术专业的教学实践活动和课程调研，提出了一些问题和一些针对性的改革措施，包括适当地调整“应用光学”课程的课上授课内容，增加课后自主学习内容、建立课程模拟系统，加大课程的过程考核以及开展合作培养模式等。通过课程的改革探索，对于提高教学效果和培养面向未来的光电人才都是有益的。

关键词：应用光学；教学改革；过程考核；合作培养

1 概述

光学作为物理学的一个重要学科方向，是随着物理学的发展逐渐发展成熟的。人类对于光的探索和应用，有着非常悠久的历史。近年来，光学的应用更是渗透到了生活的方方面面，比如常见的各种眼镜、随处可见的扫码技术以及光刻机等。光学的前沿研究也非常活跃，形成了一系列分支领域，如微纳光学、信息光学、量子光学等［16］。光学的研究和应用在工业、国防等领域都有着重要意义。培养合格的人才是大学的主要任务之一，而课程在培养人才的过程中起着关键作用，因此课程的设计和研究就显得非常有意义。

2 课程背景

“应用光学”属于光学的一个重要学科分支，但是又和基础的光学课程有着明显的区别。基础的光学课程一般包括“物理光学”和“几何光学”，偏重于探寻的光的本质和光学传播现象，而“应用光学”课程则是基于“几何光学”，偏向于如何利用光。简单讲，“应用光学”课程是从“几何光学”出发，理解光线的传播，特别是近轴近似情况下的传播，使得相关专业的学生能够掌握光学系统的成像特征以及理解光学系统的像差和相关的计算，最终能够利用所学内容理解实际的光学系统，并且能够进行一定光学系统的设计。总之，“应用光学”作为光学的一个重要学科方向，涉及应用光的各个方面，具有非常重要的理论价值和实践意义［7］。

接下来，我们探讨“应用光学”的课程内容。对于不同的专业和不同学校，同一门课程根据学生和专业特点往往会有一些差别，我们以北京化工大学电子科学与技术专业为例，探讨该门课程的内容。首先为“几何光学”基础部分。第一，需要讲授“几何光学”的基本定律和成像的概念，这部分内容为“几何光学”的基础内容；第二，需要讲解球面和共轴球面系统，包括光线经过单个折射面的传播以及经过共轴球面系统的传播等内容；其次是理想光学系统。第一，该部分介绍光学系统中常见的一些参数的定义和计算方法，如焦点、焦距等；第二，在该部分中还会介绍到平面镜、平面系统以及光学系统中的光阑，包括孔径光阑、视场光阑和渐晕光阑，此外还有景深等成像光学系统中经常会涉及的概念和计算方法；第三，光能涉及的一些概念和定义，比如光通量、发光强度、光照度、光亮度等内容。再次为像差理论部分。第一，讲授光线的光路计算，分为子午面内的光线光路计算、轴外点的细光束的光路计算和空间光线的光路计算，为像差的计算打好基础；第二，介绍光学系统中的像差，包括球差、彗差、像散、场曲、畸变和色差等，该部分中重点让学生掌握球差和彗差的计算。最后为常见的光学系统。该部分主要包括人眼系统、放大镜、望远镜和显微镜系统，通过该部分内容让学生了解常见的光学系统以及光学系统设计的过程。此外，除了上述课程内容外，在我们选定的教材里面，实际上还介绍了很多内容，如摄影和投影系统、光电接收器和光学设计等［8］。从课程内容上看，“应用光学”课程内容是非常丰富的，也比较容易扩展；此外也可以发现，课程内容对理论基础和计算要求都比较高。

到目前为止，我们已经对“应用光学”的范围和课程内容进行了简单介绍，可以看出“应用光学”课程具有内容范围广、工程属性强的特点，那么有效地提高学生的学习效果和培养学生的工程能力，就需要不断地进行教学探索和改革。首先，该门课程的授课对象为北京化工大学电子科学与技术专业的大三学生，课程性质为专业选修课，作为大三的学生，已经有了一定的专业基础，但是按照近几年的教学经验来看，学生在光学知识储备方面仍然略显不足。其次，该门课程的学时设置仅为32学时，而从前面的讨论中，我们可以发现该门课程内容是比较多的，如何在规定的时间内达到课程目标，对教师和学生都有很大的挑战。最后，“应用光学”在很多学校都属于专业必修课，尽管在我们专业目前课程性质为选修课，但是对于实现培养面向未来的光电人才的专业目标，该门课程的重要性也是毋庸置疑的。因此，作为授课教师，对于课程进行持续性的探索和改革就非常有必要。

3 课程调研

为了更好地进行课程的改革和实践，我们针对最近的一次选课学生进行了课程调研。该次调研我们是安排在课程内容完成以后进行的，即在学生学习完课程内容以后开展，这样可以更好地从学生角度了解一些课程的信息。

本次调研总共有23位学生参与，首先，我们分析下学生对于课程重要性的认识。本次调研的结果显示，经过一学期的课程的学习以后，总共有11位同学认为课程非常重要，有8位同学认为比较重要，剩余4位同学认为一般。该结果说明通过课程的学习大概有50%同学认为课程对自己是非常重要的，对自己有帮助；同时也说明80%左右的学生都认可课程内容。但是，我们为什么在此强调是经过课程学习以后的结果？因为从近年来课程的选课情况来看，实际上在学习课程内容之前，不少学生并未认识到课程的重要性。

接下来，我们通过本次调研探讨课程的难点内容。本次调研的结果显示，有50%左右的学生都觉得光路计算和像差理论最难掌握；有13%左右学生认为光学系统最难掌握；此外，还有学生认为公式多、画图、光阑、望远镜和显微镜比较难掌握；最后还有10%左右的学生认为课程内容都难。该结果为我们的教学实践和教学改革提供了一定依据，可以更好地安排教学活动，帮助学生掌握课程难点。此外，我们还调研了学生每周课后在該课程上的投入时间，结果显示70%左右的学生每周在课后能留出2～4个小时学习课程内容，这个时间包括完成作业的时间，剩余30%的学生大部分每周花的时间都少于2小时。总之，该结果明显可以看出学生课后在课程上的投入不够，而这会大大影响教学效果。

最后，我们在该次调研的结尾还让学生写出了自己的收获，比如一些比较典型的：知道了基本的光学系统原理和光路图，能够利用计算和作图法分析简单的光学系统；对一些典型的光学系统有了深刻了解，掌握了各种光学仪器分析参数；和物理光学相比能更好地解决光学系统计算方面的问题。

4 课程改革

“应用光学”的课程内容相对比较多，而事实上如果我们去和适用于光学工程等专业学科的课程内容做比较［9］，就会发现培养合格的光学设计方面的人才，还需要其他课程配合。考虑到我们课程的教学计划只有32个学时，要在有限的时间内完成课程内容和培养目标，我们就需要对课程内容和课程安排不断进行改进。此外，从以上讨论中我们也可以看出来，为了更好地提高教学效果，还需要提升学生的主动性。总之，为了适合电子科学与技术专业，培养面向未来的光电人才，我们都需要解决好课程存在的一些问题，下面我们就针对课程的改革提出一些想法。

首先，进行课程内容改革，包括以下几个方面：

（1）考虑到仅有32个学时课程，我们在授课时就需要突出重点，注意课程和其他相关课程的衔接，比如和普通物理课程内容的衔接。我们原来在“几何光学”的基本定律部分安排2个学时，而实际上此处讲解的一些定律和原理，如反射定律、折射定律等在其他课程中都已经学过，因此，在该部分的授课过程中我们可以以引导学生回顾和引入为主。此外，我们在介绍典型的光学系统部分内容时安排了6个学时，那么我们可以尝试将该部分授课学时进行一定缩减，比如改成4个学时。同时对于内容进行一定调整，此处原来安排了4个学时的经典的光学系统，可以调整为课堂上讲授2个学时，另外2个学时可以节省下来，留出一些问题，然后让学生带着这些问题自学完成，同时也可以增加一个比较新的光学系统。这样我们就可以将节约出来的2个学时调整到学生觉得很难掌握的部分，即光路计算和像差理论部分。

（2）光线的传播属于课程内容的重点，学生在学习过程中往往会重视光路的各种公式计算，但是很难建立起实际的物理图像，因此我们可以在讲解理想光学系统的部分内容时，利用计算机去展示在不同系统中的光线传播，逐步建立适合该课程的模拟系统，这样一方面方便学生建立物理图像，另一方面也有益于学生更好地去理解光学系统中的物理概念，比如焦点、主点等。

其次，加强过程考核，我们的教学方式要从传统的“以教为主”向“以学為主”转换。在平时授课过程中，可以增加一些以问题为导向的自学、研讨和调研内容，通过问题引导的方式使学生在课堂之外增加课程的学习时间，同时通过解决问题，也可以提高学生对课程的自我满足，进一步提高学习兴趣；此外，通过平时的过程考核引导学生自主学习，也可以逐步培养学生的自学能力和解决问题的能力，包括问题归纳、文献检索和调研等。养成良好的自主学习习惯，未来当学生真正遇到相关问题，比如毕业后从事光学设计方面工作或者进一步深造时需要搭建光学检测方面的光路，那么就可以在课程的基础上通过自主学习解决问题。当然，过程考核也存在一些挑战，比如如果学生人数比较多，具体开展就面临非常大的工作量；此外，过程考核中的问题的设计也非常重要，需要尽可能地保证让每一个学生都能主动参与进去，同时教师也能够根据结果进行公平的考核。但是，考虑到过程考核的优势，加强过程考核的教学尝试和改革都非常有必要。

再次，“应用光学”是实践性非常强的一门学科，在教学活动中可以尝试增加实验学时，这对于提高该门课程的教学效果会有非常积极的效果。以本人授课的专业为例，学生在学习该门课程之前，往往在“应用光学”方面的实验经验是非常少的，基本只有大学物理实验课程涉及的一些光学实验经验，而这些实验都是设计好的，学生能够进行主动设计和调整的机会很少。通过在课程中增加实验学时，可以让学生自己完成一些实验设计和开展，比如简单的望远镜和显微镜系统，甚至激光光学系统，那么通过这些实验的设计、光路调整、测量、观察和报告的完成，这样一方面明显可以帮助学生更好地理解课程的内容，比如光路计算等；另一方面，也可以为将来真正从事该方面工作打下比较好的基础。

最后，培养面向未来的光电方面的人才，我们可以进一步尝试将光学研究和产业界联合起来，即通过课程、相关实验室和相关的产业界共同培养光学方面的人才。课程方面我们就不在此继续赘述，科研实验室培养方面，比如有光电需求的相关实验室可以提供一些相对基础的光学方面的实验需求，我们可以将学生分组，进入不同实验室完成相关课题实验，这样可以帮助学生将学习内容和科学研究联系起来，进一步加深学生对课程的理解，同时也能帮助学生了解学术上的需求。而在产业界，可以和相关的企业进行合作，邀请有丰富实践经验的工程人员来开展一些相关课程的报告，帮助学生了解产业界的需求。

结语

总之，基于近年来的“应用光学”课程教学实践经验和课程调研，我们在本文中提出了一些关于课程内容和课程活动改进的思路，相信对于课程的开展和实践有一定的借鉴意义。在实际的教学活动中，我们也已经进行了一些改革尝试，当然，有些改革思路的实践需要较长时间的探索和印证。但是无论如何，为了培养面向未来的合格的光电技术人才，我们都需要在教学活动中持续性地发现问题和解决问题。

参考文献：

［1］B.D.Guenther.Modern Optics［M］.Second Edition.USA：Oxford University Press，2018.

［2］L.Z.Yin，J.Zhao，F.Y.Han，D.Wang，T.J.Huang，and P.K.Liu.Transformation of Equivalent Graphene Plasmonics for Metagratings and Hyperbolic Metamaterials［J］.ACS Applied Nano Materials，2022，5（1）：11481160.

［3］王川.微纳光学器件原理及应用进展［J］.科学通报，2022，67（33）：39003901.

［4］韩申生，胡晨昱.信息光学成像研究回顾、现状与展望［J］.红外与激光工程，2022，51（1）：3536.

［5］S.Guillaume.Nanooptics：Launching plasmons with molecules［J］.Nature Photonics，2016，10（4）：208209.

［6］惠俊，柴洪洲.基于量子照明的导航测距方案［J］.光学学报，2023，43（1）：244255.

［7］张以谟.应用光学［M］.第三版.北京：电子工业出版社，2008.

［8］R.Smith.Reflections on the teaching of applied optics［J］.Proceedings of SPIEThe International Society for Optical Engineering，1992，1603：207214.

基金项目：国家自然科学基金：金属纳米结构非线性光学效应产生机理和增强机制的研究（编号：11647021）

作者简介：王本立（1986— ），男，汉族，陕西渭南人，博士，副教授，研究方向：微纳光学。