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【摘要】《光學系統設計》是一門實踐性很強的專業技能課。本文從課程的課堂教學內容優化、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節詳細描述了本課程對光學領域應用復合型人才的培養路線和方法，極大地提高了學生光學設計的能力和水平，增強了學生的專業歸屬感，培養效果和社會反饋良好。

【關鍵詞】光學設計；優化；項目；訓練；專業技能

在目前光電信息科學技術高速發展的時代，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，有著無限的發展空間和前景。作為信息采集和獲取的最前端系統——光學系統，它的設計雖基于傳統經典光學理論，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質量?！豆鈱W系統設計》是許多工科高等院校光電信息、光學工程專業、電子科學與技術專業、測控技術與儀器等專業的主修課程，也是一門實踐性、實用性特別強的專業課程。南陽理工學院地處久負盛名、擁有數百家光電企業的南陽光谷，服務地方經濟發展和為地方企業輸送光學領域優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，《光學系統設計》課程內容建設決定了畢業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、課程教學內容優化和實施

《光學系統設計》課程自2012級開始相繼在我院兩個專業共三個班級開設。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、畢業設計、各級各類大學生創新創業項目申報和實施、外部光學工程項目承接等，也為光電檢測系統、光通信系統等相關課程技術服務?！豆鈱W系統設計》自開課以來，一直圍繞以上各層級專業能力的培養，循序漸進，不斷完善和明確培養目標，優化教學內容，探索和改革教學方法，致力于把學生培養成既具有一定理論基礎又具有較強工程設計實戰能力的復合型人才。1.課堂教學優化?！豆鈱W系統設計》是建立在光學成像基本原理、典型光學系統結構、像差理論、光學衍射受限等理論基礎之上的一門專業平臺技能課。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，以最合理的章節順序講授，按學生最易接受的方式不斷進行內容優化。首先使學生了解光學系統的設計流程、光學系統的像質評價方法以及光學系統的總體設計布局，在面對產品客戶的使用規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品都是從為數不多的經典光學系統中演變而出，比如投影機鏡頭可從顯微物鏡系統演變，大地測量儀、激光擴束可從望遠系統演變，因此典型光學系統的初始結構設計、典型光學系統如望遠、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，以幫助所有系統的設計實現。光學制圖是光學設計數據結果的工程表達，也是產品制造的依據，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?！豆鈱W系統設計》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設計的技巧和能力，這就需要統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，在一定的系統起點上，不斷調整光學元件的結構參數使系統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都是從一些典型系統中派生出來的。從典型光學系統的設計出發，遇到實際的工程系統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，訓練如何設置變量和對系統參數進行約束控制等；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高負荷運轉，學生較全面地掌握了典型光學系統的設計流程和基本方法。實驗教學完成了應用型人才培養初級層次。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永恒的主題，要培養出符合工程教育認證標準、適應當今社會快速發展的光電產業格局的光學設計高級應用型人才，工程綜合實訓環節必不要少。課程設計工程實訓一般持續兩周及8周不等，實訓任務也不同于課堂實驗環節。首先光學系統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，并在此基礎上進行設計優化和創新。首先讓學生真實地體會一下光學系統的制造流程，每人組裝一臺望遠鏡，加深對光學產品的認知，了解光學系統各組成部分的功能，了解設計和組裝差錯會對產品產生什么樣的影響，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普通產品規格要求，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現行量產供應產品，焦距4mm，傳感器1/3，F數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優化和像差平衡校正，最終達到工程化要求。對于沒有工作經驗的學生來說，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知識和經驗累積。4.工程項目設計強化訓練。光學設計無頂峰。在經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境、使用條件，考慮制造工藝和成本，考慮國家行業標準或其它優勢競爭因素等。學生要想在畢業后快速適應光電行業光學工程師崗位，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律，為他們在學校申請光學系統設計類項目，如“工業內窺鏡系統光學設計”題目，并獲得一定經費資助。（2）大學生國家創新創業訓練項目，如2017年協助四位學生申請到國家大創項目“車載寬視角高清系列攝像鏡頭設計與開發”，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工程設計，得到用戶認可。（4）畢業設計課題，最近三年共有30人左右申請了光學系統設計畢業研究課題，有的項目成果還整理發表了期刊科技論文，增強了學生自信。光學設計強化訓練項目在內容上也體現了三個特征：（1）復合性特征，如工業內窺鏡系統包括攝像物鏡設計、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水平。（2）多類別特征，研發項目從攝影光學系統到投影系統，從激光掃描系統到紅外微光系統，從定焦到變焦系統等。大大擴展了學生畢業后從業就業的范圍。（3）系列性特征，如車載寬視角系列鏡頭研發，焦距規格系列包含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

《光學系統設計》教學內容經過一系列的精挑細選、優化探索，逐步實現了理論指導、軟件輔助、課堂訓練、工程項目設計實戰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技能。近幾年畢業生中從事光學設計工作相關人員激增，考取光學工程專業研究生人數暴漲，企業用人反饋良好，極大地增強了在校學生的專業學習興趣和就業信心。今后，我們仍將不忘初心，不辱使命，繼續在教學實踐活動中探索更加優化的教學內容和教學方法，為社會培養更加優秀的光學領域專業人才。

【參考文獻】

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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