基于虚拟仿真“现代工程光学”教学内容的探索

摘要

为培养光电领域的专业学位硕士研究生能够掌握扎实的专业基本理论，并具有一定的工程实践能力以及有关光电系统的设计能力，笔者基于理论与实践相结合的理念，在“现代工程光学”课程的教学内容设计方面作了一定的探索。在本课程中通过引入虚拟软件 Zemax 的仿真，结合当代科技发展的最新动态分析，可以在理论教学中更直观形象地使学生掌握好相关的基础知识，在上机实践教学中更直接地锻炼学生的设计能力和综合素质，对培养研究生满足新时代科技发展的人才要求具有一定的教学参考价值。

关键词：虚拟仿真；教学内容设计；实践教学；Zemax软件

近年来，随着物理研究领域技术的飞速发展，光电信息行业对所需人才也提出了更高的能力要求，尤其对于相关的专业学位硕士研究生而言，不仅要求其掌握扎实的光电技术的基本理论和基础知识，而且还需具有一定的工程实践能力以及有关光电系统的设计能力。目前，虚拟仿真实验教学是我国高等教育信息化建设的重要内容[1]，而案例教学一直是专业学位研究生教学的有效手段[2]，本文基于虚拟仿真软件的引入，结合具体的案例教学，对“现代工程光学”课程的教学内容进行了相应的探索。

“现代工程光学”课程是南京邮电大学电子与光学工程学院电子信息类别专业学位硕士研究生一年级的学位基础课。通过该课程的学习，使学生能够掌握工程光学的基础理论和光学设计基本方法，主要包括几何光学中的基本原理、理想光学系统成像、典型光学系统以及像差基本理论等，物理光学中的光的干涉、衍射、偏振的基本理论及其基本应用等，能够熟练使用 Zemax 光学设计软件，懂得如何利用 Zemax 软件进行光学系统的设计，可为学习本专业后续的专业技术课程、从事光电系统的工程设计和今后课题的科学研究打下坚实的基础。

1.主要教学设计内容及特色

科技领域的进步与发展，离不开理论和实践的结合、科学研究与工程应用的结合[3]。基于虚拟仿真的应用，将 Zemax 光学设计软件全面应用于“现代工程光学”课程的理论教学和设计实践中，激发学生的学习兴趣，培养学生的实践设计能力。主要教学设计内容为：（1）理论知识的教学方面，结合我国现代科学技术发展近况，通过有关的知识点引出课程中与其相关的基础知识的教学，对于一些抽象的或难以想象的基本概念，利用软件仿真出简洁直观的图形，更易于学生理解；（2）设计实践环节的教学方面，因为光学设计是工程光学学科发展中必不可少的部分，所以，基于理论教学内容，该课程还安排了上机实践教学，基于 Zemax 光学设计软件引入，将理论与实践设计相结合，学生在老师的指导下完成具体的光学系统结构设计、并亲身体验理论知识的实际应用。

2.理论教学与设计实践的案例解析

由于本学院的专业学位硕士研究生在本科期间已通过“大学物理”课程或与光电相关的专业课程等，学习过有关光学方面的最基本的理论知识，但由于时间较长的关系可能有所遗忘，所以，“现代工程光学”课程的理论教学过程中，老师针对这一情况，主要将几何光学和物理光学中理论知识的框架结构和重点、难点进行梳理与讲授，其他的基本理论主要靠研究生自己进行复习或自学，老师辅以答疑即可，这样既可以培养研究生的自学能力，又能够将课程的理论教学内容得以压缩，为后续的设计实践教学留有足够的时间。

根据上述的教学设计主要内容，这里列举了几个相关的案例解析。

2.1 “典型光学系统”中的人眼光学系统

几何光学中的“典型光学系统”内容主要是学习有关目视光学仪器的光学成像原理，而且人眼也是精密的光学系统，所以，结合老师在“我国人眼光学系统模型的建立”有关课题项目的研究基础[4]，根据人眼光学成像结构的特点，利用光学设计软件 Zemax 展示了人眼光学模型光路图，如图 1 所示。