“工程光學（上）”的研究型教學方式改革探索

張穎 牛燕雄 馮麗爽 孫軍華

摘要：“工程光學（上）”是北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院相關本科專業的專業核心課程之一，其教學效果直接影響著后續專業課程。為了進一步培養學生的學習主動性、工程實踐能力和創新能力，我們對該課程分別進行了基于光學測量的教學方式改革方案設計、基于光學系統像質評價的教學方式改革方案設計和基于基礎光學設計的研究型教學方式改革方案設計，預計下一步實施之后能夠使教學效果和教學質量得到一定的改善。

關鍵詞：工程光學;研究型教學;改革;教學方式

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9324（2020）22-0227-02

隨著現代科學技術和工業技術的發展，工程光學已經交叉融入到信息科學、能源科學、材料科學、生命科學、空間科學、精密機械與制造、計算機科學及微電子技術等多個領域的研究之中，在當今的科技領域及工業技術中發揮著重要作用。為了適應時代發展的要求，將學生向研究型人才方向培養，提高學生的學習主動性、工程實踐能力和創新能力，我們對“工程光學（上）”進行了教學方法方面的改革方案設計，預計在下一步實施之后能夠使教學效果和教學質量得到一定的改善。

一、教學現狀及分析

北航儀器科學與光電工程學院“工程光學（上）”的授課團隊由四名教師組成，在明確本學院人才培養目標的基礎上，制定“工程光學（上）”的教學大綱，確定教學目標及任務，通過課堂教學和課下學院科研團隊設立實驗兩個主要環節，使學生掌握幾何光學中的概念、基本光學原理與定律，學習和熟悉典型光學儀器的結構和原理，提升學生用幾何光學知識解決工程問題的能力。教學團隊通過研究和討論的形式對當前存在的教學問題進行了分析，認為問題主要是當前課堂教學中的大量理論分析和公式推導使得學生在學習過程中感到枯燥，主動性不高。

二、研究型教學方式改革探索

在“工程光學（上）”的教學改革過程中，嘗試將課堂教學與研究型實驗教學相結合，制定相輔相成的教學改革方案，如圖1所示。

1.基于光學測量的教學方式改革。針對幾何光學基本定律與成像概念、理想光學系統、平面與平面系統這三章的內容，在采用傳統教學方式的基礎上進行基于光學測量的研究型教學方式改革方案與實踐，并設計了光學元件及光學系統的關鍵參數的綜合測試實驗。針對光學元件及光學系統的應用形成的原理紛繁復雜，其測試方法也有所不同，在這個學科領域可以涌現出大量的創新方法。所設計的光學系統性能測試平臺，目的在于體現元件測試、系統測試以及綜合測試的要求，主要針對焦距、視場角等幾個光學系統基本參量進行基礎方法的引導，旨在拋磚引玉，給學生一個創新性發揮的空間。

焦距是光學系統和透鏡的最重要光學參數，以該參量的測量方法為例，迄今已經有多種行之有效的測量方法。在幾何光學原理基礎上，最基本的測量焦距和頂焦距的方法是放大率法。對于較大口徑光學系統的焦距要求很準確時，可以采用精密測角法。在教學過程中，我們將給出這兩種基本測量方法的測量原理，如圖2和圖3所示。

2.基于光學系統像質評價的教學方式改革。針對光學系統方面的內容，在采用傳統教學方式的基礎上引入其成像質量測試方法對比教學，進行基于光學系統像質評價的教學方式改革方案與實踐。

設計了典型光學系統像質評價的綜合測試實驗。針對小視場小孔徑、小視場大孔徑、大視場小孔徑和大視場大孔徑等四組攝影鏡頭，分別通過星點測試和分辨率測試兩種方法完成對光學系統成像質量的測試。

3.基于基礎光學設計的研究型教學方式改革。針對光學系統方面的教學內容，具體包括光學系統中的光闌與光束限制、典型光學系統、現代光學系統、光學系統的像質評價和像差公差等，進行基礎光學設計的研究型教學方式改革。在課堂教學中，結合前面學過的光學基礎理論知識和各類光學系統的結構特點，利用ZEMAX光學設計軟件設計簡單、典型的光學系統。

三、結語

上述教學方法是我們的教學團隊從多年的本科工程光學教學經歷中摸索出來的，在下一步實施之后會進一步評估其對教學效果和教學質量的改善程度。在“工程光學（上）”教學的過程中，應以培養學生的學習主動性、工程實踐能力和創新能力作為教學的重要目標，讓學生學以致用、不斷創新，這種教學觀念應該貫穿于教學的各個環節。在今后的教學工作中還應加大改革的力度，不斷改進教學內容和教學方法，緊隨時代的步伐，為祖國培養出更多、更優秀的創新性人才。

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Exploration of the Reform of the Research-based Teaching Method of Engineering Optics （I）

ZHANG Ying， NIU Yan-xiong， FENG Li-shuang， SUN Jun-hua

（School of Instrumentation Science & Opto-Electronics Engineering， Beihang University， Beijing 100191， China）

Abstract： Engineering Optics （I） is one of the core courses of the undergraduate majors of School of Instrumentation Science & Opto-electronics Engineering of Beihang University. The teaching effect of this course will directly affect the follow-up professional courses. In order to further develop students' learning initiative， engineering practice ability and innovation ability， we have carried out the reform of teaching methods respectively based on optical measurement， the evaluation of optical system image quality and basic optical design. It is expected that after the next step of implementation， the teaching effect and teaching quality will be improved.

Key words： Engineering Optics; research-based teaching; reform; teaching method

收稿日期：2019-09-11

基金項目：2015—2019年北京航空航天大學教改項目“《工程光學（上）》研究型教學方式改革與實踐”

作者簡介：張穎（1979-），女（漢族），山西朔州人，博士，副教授，研究方向：新型光電探測技術。