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【摘要】《光學系統(tǒng)設計》是一門實踐性很強的專業(yè)技能課。本文從課程的課堂教學內容優(yōu)化、實驗教學內容選取、課程設計綜合實訓以及工程項目設計強化訓練幾個環(huán)節(jié)詳細描述了本課程對光學領域應用復合型人才的培養(yǎng)路線和方法，極大地提高了學生光學設計的能力和水平，增強了學生的專業(yè)歸屬感，培養(yǎng)效果和社會反饋良好。

【關鍵詞】光學設計；優(yōu)化；項目；訓練；專業(yè)技能

在目前光電信息科學技術高速發(fā)展的時代，光與電的結合改變了人類社會信息獲取、信息轉換、信息貯存、傳輸與交流的方式，有著無限的發(fā)展空間和前景。作為信息采集和獲取的最前端系統(tǒng)——光學系統(tǒng)，它的設計雖基于傳統(tǒng)經(jīng)典光學理論，但設計理念、設計方法和內容隨著時代變遷都在發(fā)生著巨大改變。課程建設在高校本科教學中有著舉足輕重的地位，直接影響著高校人才培養(yǎng)質量。《光學系統(tǒng)設計》是許多工科高等院校光電信息、光學工程專業(yè)、電子科學與技術專業(yè)、測控技術與儀器等專業(yè)的主修課程，也是一門實踐性、實用性特別強的專業(yè)課程。南陽理工學院地處久負盛名、擁有數(shù)百家光電企業(yè)的南陽光谷，服務地方經(jīng)濟發(fā)展和為地方企業(yè)輸送光學領域優(yōu)秀的工程設計人才是南陽理工學院辦學宗旨和社會使命，也是檢驗高校教書育人“四個回歸”質量成效的重要途徑。因此，《光學系統(tǒng)設計》課程內容建設決定了畢業(yè)生光學設計能力和水平，這也是他們將來從事光學技術研究和走向光學工程師崗位的敲門磚。

一、課程教學內容優(yōu)化和實施

《光學系統(tǒng)設計》課程自2012級開始相繼在我院兩個專業(yè)共三個班級開設。其前置課程主要包括幾何光學、物理光學、計算機基礎、工程制圖等，后續(xù)主要延伸至各種實際動手能力訓練的課堂實驗、課程綜合實訓、畢業(yè)設計、各級各類大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目申報和實施、外部光學工程項目承接等，也為光電檢測系統(tǒng)、光通信系統(tǒng)等相關課程技術服務。《光學系統(tǒng)設計》自開課以來，一直圍繞以上各層級專業(yè)能力的培養(yǎng)，循序漸進，不斷完善和明確培養(yǎng)目標，優(yōu)化教學內容，探索和改革教學方法，致力于把學生培養(yǎng)成既具有一定理論基礎又具有較強工程設計實戰(zhàn)能力的復合型人才。1.課堂教學優(yōu)化。《光學系統(tǒng)設計》是建立在光學成像基本原理、典型光學系統(tǒng)結構、像差理論、光學衍射受限等理論基礎之上的一門專業(yè)平臺技能課。課堂教學內容選取主要遵循“實用為主，夠用為度”的原則。在我院安排的有限的24個理論學時里，精研教學內容，尊重教材，又不局限于教材，以最合理的章節(jié)順序講授，按學生最易接受的方式不斷進行內容優(yōu)化。首先使學生了解光學系統(tǒng)的設計流程、光學系統(tǒng)的像質評價方法以及光學系統(tǒng)的總體設計布局，在面對產(chǎn)品客戶的使用規(guī)格和功能需求時知道如何應對。其次，世界上形形色色的光學產(chǎn)品都是從為數(shù)不多的經(jīng)典光學系統(tǒng)中演變而出，比如投影機鏡頭可從顯微物鏡系統(tǒng)演變，大地測量儀、激光擴束可從望遠系統(tǒng)演變，因此典型光學系統(tǒng)的初始結構設計、典型光學系統(tǒng)如望遠、顯微物鏡設計、目鏡設計、照相物鏡設計都是講授重點。在此過程中，計算機輔助設計軟件ZEMAX的操作使用也貫穿于整個課堂，這是新時代的高速計算分析工具，以幫助所有系統(tǒng)的設計實現(xiàn)。光學制圖是光學設計數(shù)據(jù)結果的工程表達，也是產(chǎn)品制造的依據(jù)，是課堂教學不可缺少的部分。設計課的特點是課堂上隨時會進行設計演示和案例導入，多媒體課件中融入了大量的圖形、符號和顏色管理以及Zemax文件的鏈接。課堂上學生隨著老師的講授內容和講授節(jié)奏在電腦旁邊聽邊學邊做。老師傳授學生在設計過程中如何分析問題和解決問題，如何形成對光學知識體系整體的思考和理解，收到很好的教學反饋。2.實驗教學內容構思。《光學系統(tǒng)設計》的課程特點是實踐性強，實驗學時與理論學時占比非常大。如何在有限的實驗學時內讓學生掌握各種類型光學系統(tǒng)設計的技巧和能力，這就需要統(tǒng)籌合理安排實驗教學內容。光學設計實際上就是使用計算機工具軟件，在一定的系統(tǒng)起點上，不斷調整光學元件的結構參數(shù)使系統(tǒng)達成用戶提出的功能要求和成像要求。前面講過當今世界千千萬萬類型的光學系統(tǒng)都是從一些典型系統(tǒng)中派生出來的。從典型光學系統(tǒng)的設計出發(fā)，遇到實際的工程系統(tǒng)也會知道如何分析和設計。在此思路指導下制訂出了有主有次、有難有易的課程實驗項目，實驗一為ZEMAX軟件操作及光學設計輸入和像質優(yōu)化過程演練；實驗二為離軸折轉的牛頓天文望遠物鏡的設計和仿真；實驗三按反向光路設計一目鏡系統(tǒng)，訓練如何設置變量和對系統(tǒng)參數(shù)進行約束控制等；實驗四設計一照相物鏡，難度增加，需設計技巧；實驗五繪制一光學零件工程圖紙并標注合理公差和技術要求。以上這些實驗內容使16個學時的課堂訓練真正地實現(xiàn)高負荷運轉，學生較全面地掌握了典型光學系統(tǒng)的設計流程和基本方法。實驗教學完成了應用型人才培養(yǎng)初級層次。通過學生設計性實驗完成情況和效果測評，證明這樣的實驗項目構思是成功的。3.課程設計實訓內容探索。實踐教學是高等教育人才培養(yǎng)永恒的主題，要培養(yǎng)出符合工程教育認證標準、適應當今社會快速發(fā)展的光電產(chǎn)業(yè)格局的光學設計高級應用型人才，工程綜合實訓環(huán)節(jié)必不要少。課程設計工程實訓一般持續(xù)兩周及8周不等，實訓任務也不同于課堂實驗環(huán)節(jié)。首先光學系統(tǒng)設計任務具有工程背景；其次是設計難度增加，要考慮工程因素；再次學生必須自己從圖書館、國家專利庫或其它資料庫中查閱尋找初始結構參數(shù)，并在此基礎上進行設計優(yōu)化和創(chuàng)新。首先讓學生真實地體會一下光學系統(tǒng)的制造流程，每人組裝一臺望遠鏡，加深對光學產(chǎn)品的認知，了解光學系統(tǒng)各組成部分的功能，了解設計和組裝差錯會對產(chǎn)品產(chǎn)生什么樣的影響，這是課程設計實訓的第一步。第二步，光學工程設計任務下達，學生分組完成各自的設計任務。工程訓練題目多來自于教師以往設計案例，或市場上或某些光電企業(yè)普通產(chǎn)品規(guī)格要求，具有多類型性，有效地擴展和提升了前置的實驗教學內容。以小米智能攝像機光學鏡頭的設計訓練來說，此為南陽某光學企業(yè)現(xiàn)行量產(chǎn)供應產(chǎn)品，焦距4mm，傳感器1/3，F(xiàn)數(shù)2.4；光學長度小于22mm，鏡片小于5片，成像要求1M。此任務要求學生首先分析尋找合適的初始光學結構方案，然后按照像差理論進行結構參數(shù)優(yōu)化和像差平衡校正，最終達到工程化要求。對于沒有工作經(jīng)驗的學生來說，初始結構的選取會是他們面臨的第一個難題。接下來是90度大視場角帶出的大像差的校正難點，需要學生更多的專業(yè)知識和經(jīng)驗累積。4.工程項目設計強化訓練。光學設計無頂峰。在經(jīng)歷了幾個階段的學習和實訓后，學生雖然對設計理念、設計流程、設計技巧有了一定的掌握。但光學系統(tǒng)很多時候是功能迥異的復雜工程，并不是單一的物鏡或目鏡光路或單一的消像差。實際的工程設計還要考慮客戶的使用環(huán)境、使用條件，考慮制造工藝和成本，考慮國家行業(yè)標準或其它優(yōu)勢競爭因素等。學生要想在畢業(yè)后快速適應光電行業(yè)光學工程師崗位，還需要不斷加強設計訓練，甚至去光電企業(yè)實習。訓練項目主要有四類。（1）開放實驗室項目，利用開放實驗室條件和學生長時間在實驗室研究學習規(guī)律，為他們在學校申請光學系統(tǒng)設計類項目，如“工業(yè)內窺鏡系統(tǒng)光學設計”題目，并獲得一定經(jīng)費資助。（2）大學生國家創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目，如2017年協(xié)助四位學生申請到國家大創(chuàng)項目“車載寬視角高清系列攝像鏡頭設計與開發(fā)”，為學校贏得了榮譽，豐富了課程內容。（3）外接工程項目，如“廣告用投影機”項目，指導14級學生幫客戶完成照明和投影光學系統(tǒng)工程設計，得到用戶認可。（4）畢業(yè)設計課題，最近三年共有30人左右申請了光學系統(tǒng)設計畢業(yè)研究課題，有的項目成果還整理發(fā)表了期刊科技論文，增強了學生自信。光學設計強化訓練項目在內容上也體現(xiàn)了三個特征：（1）復合性特征，如工業(yè)內窺鏡系統(tǒng)包括攝像物鏡設計、轉像透鏡設計和目鏡設計，相互之間銜接，初期的方案制作就很考驗學生的專業(yè)水平。（2）多類別特征，研發(fā)項目從攝影光學系統(tǒng)到投影系統(tǒng)，從激光掃描系統(tǒng)到紅外微光系統(tǒng)，從定焦到變焦系統(tǒng)等。大大擴展了學生畢業(yè)后從業(yè)就業(yè)的范圍。（3）系列性特征，如車載寬視角系列鏡頭研發(fā)，焦距規(guī)格系列包含2.8、3.6等，清晰度包含720P、1080等，使學生的設計訓練思路明晰。

二、結束語

《光學系統(tǒng)設計》教學內容經(jīng)過一系列的精挑細選、優(yōu)化探索，逐步實現(xiàn)了理論指導、軟件輔助、課堂訓練、工程項目設計實戰(zhàn)為主干的科學培育路線。學生通過這門課程的學習，是真真正正掌握了一門專業(yè)技能。近幾年畢業(yè)生中從事光學設計工作相關人員激增，考取光學工程專業(yè)研究生人數(shù)暴漲，企業(yè)用人反饋良好，極大地增強了在校學生的專業(yè)學習興趣和就業(yè)信心。今后，我們仍將不忘初心，不辱使命，繼續(xù)在教學實踐活動中探索更加優(yōu)化的教學內容和教學方法，為社會培養(yǎng)更加優(yōu)秀的光學領域專業(yè)人才。

【參考文獻】

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[4]李曉英，等.在《光學設計》課程教學中加強實際設計能力[J].科技教育，2017,(34).

作者:胡冬梅 黃大勇 張戈 單位:南陽理工學院電子與電氣工程學院