【摘要】《光学系统设计》是一门实践性很强的专业技能课。本文从课程的课堂教学内容优化、实验教学内容选取、课程设计综合实训以及工程项目设计强化训练几个环节详细描述了本课程对光学领域应用复合型人才的培养路线和方法，极大地提高了学生光学设计的能力和水平，增强了学生的专业归属感，培养效果和社会反馈良好。
【关键词】光学设计；优化；项目；训练；专业技能
在目前光电信息科学技术高速发展的时代，光与电的结合改变了人类社会信息获取、信息转换、信息贮存、传输与交流的方式，有着无限的发展空间和前景。作为信息采集和获取的最前端系统——光学系统，它的设计虽基于传统经典光学理论，但设计理念、设计方法和内容随着时代变迁都在发生着巨大改变。课程建设在高校本科教学中有着举足轻重的地位，直接影响着高校人才培养质量。《光学系统设计》是许多工科高等院校光电信息、光学工程专业、电子科学与技术专业、测控技术与仪器等专业的主修课程，也是一门实践性、实用性特别强的专业课程。南阳理工学院地处久负盛名、拥有数百家光电企业的南阳光谷，服务地方经济发展和为地方企业输送光学领域优秀的工程设计人才是南阳理工学院办学宗旨和社会使命，也是检验高校教书育人“四个回归”质量成效的重要途径。因此，《光学系统设计》课程内容建设决定了毕业生光学设计能力和水平，这也是他们将来从事光学技术研究和走向光学工程师岗位的敲门砖。
一、课程教学内容优化和实施
《光学系统设计》课程自2012级开始相继在我院两个专业共三个班级开设。其前置课程主要包括几何光学、物理光学、计算机基础、工程制图等，后续主要延伸至各种实际动手能力训练的课堂实验、课程综合实训、毕业设计、各级各类大学生创新创业项目申报和实施、外部光学工程项目承接等，也为光电检测系统、光通信系统等相关课程技术服务。《光学系统设计》自开课以来，一直围绕以上各层级专业能力的培养，循序渐进，不断完善和明确培养目标，优化教学内容，探索和改革教学方法，致力于把学生培养成既具有一定理论基础又具有较强工程设计实战能力的复合型人才。1.课堂教学优化。《光学系统设计》是建立在光学成像基本原理、典型光学系统结构、像差理论、光学衍射受限等理论基础之上的一门专业平台技能课。课堂教学内容选取主要遵循“实用为主，够用为度”的原则。在我院安排的有限的24个理论学时里，精研教学内容，尊重教材，又不局限于教材，以最合理的章节顺序讲授，按学生最易接受的方式不断进行内容优化。首先使学生了解光学系统的设计流程、光学系统的像质评价方法以及光学系统的总体设计布局，在面对产品客户的使用规格和功能需求时知道如何应对。其次，世界上形形色色的光学产品都是从为数不多的经典光学系统中演变而出，比如投影机镜头可从显微物镜系统演变，大地测量仪、激光扩束可从望远系统演变，因此典型光学系统的初始结构设计、典型光学系统如望远、显微物镜设计、目镜设计、照相物镜设计都是讲授重点。在此过程中，计算机辅助设计软件ZEMAX的操作使用也贯穿于整个课堂，这是新时代的高速计算分析工具，以帮助所有系统的设计实现。光学制图是光学设计数据结果的工程表达，也是产品制造的依据，是课堂教学不可缺少的部分。设计课的特点是课堂上随时会进行设计演示和案例导入，多媒体课件中融入了大量的图形、符号和颜色管理以及Zemax文件的链接。课堂上学生随着老师的讲授内容和讲授节奏在电脑旁边听边学边做。老师传授学生在设计过程中如何分析问题和解决问题，如何形成对光学知识体系整体的思考和理解，收到很好的教学反馈。2.实验教学内容构思。《光学系统设计》的课程特点是实践性强，实验学时与理论学时占比非常大。如何在有限的实验学时内让学生掌握各种类型光学系统设计的技巧和能力，这就需要统筹合理安排实验教学内容。光学设计实际上就是使用计算机工具软件，在一定的系统起点上，不断调整光学元件的结构参数使系统达成用户提出的功能要求和成像要求。前面讲过当今世界千千万万类型的光学系统都是从一些典型系统中派生出来的。从典型光学系统的设计出发，遇到实际的工程系统也会知道如何分析和设计。在此思路指导下制订出了有主有次、有难有易的课程实验项目，实验一为ZEMAX软件操作及光学设计输入和像质优化过程演练；实验二为离轴折转的牛顿天文望远物镜的设计和仿真；实验三按反向光路设计一目镜系统，训练如何设置变量和对系统参数进行约束控制等；实验四设计一照相物镜，难度增加，需设计技巧；实验五绘制一光学零件工程图纸并标注合理公差和技术要求。以上这些实验内容使16个学时的课堂训练真正地实现高负荷运转，学生较全面地掌握了典型光学系统的设计流程和基本方法。实验教学完成了应用型人才培养初级层次。通过学生设计性实验完成情况和效果测评，证明这样的实验项目构思是成功的。3.课程设计实训内容探索。实践教学是高等教育人才培养永恒的主题，要培养出符合工程教育认证标准、适应当今社会快速发展的光电产业格局的光学设计高级应用型人才，工程综合实训环节必不要少。课程设计工程实训一般持续两周及8周不等，实训任务也不同于课堂实验环节。首先光学系统设计任务具有工程背景；其次是设计难度增加，要考虑工程因素；再次学生必须自己从图书馆、国家专利库或其它资料库中查阅寻找初始结构参数，并在此基础上进行设计优化和创新。首先让学生真实地体会一下光学系统的制造流程，每人组装一台望远镜，加深对光学产品的认知，了解光学系统各组成部分的功能，了解设计和组装差错会对产品产生什么样的影响，这是课程设计实训的第一步。第二步，光学工程设计任务下达，学生分组完成各自的设计任务。工程训练题目多来自于教师以往设计案例，或市场上或某些光电企业普通产品规格要求，具有多类型性，有效地扩展和提升了前置的实验教学内容。以小米智能摄像机光学镜头的设计训练来说，此为南阳某光学企业现行量产供应产品，焦距4mm，传感器1/3，F数2.4；光学长度小于22mm，镜片小于5片，成像要求1M。此任务要求学生首先分析寻找合适的初始光学结构方案，然后按照像差理论进行结构参数优化和像差平衡校正，最终达到工程化要求。对于没有工作经验的学生来说，初始结构的选取会是他们面临的第一个难题。接下来是90度大视场角带出的大像差的校正难点，需要学生更多的专业知识和经验累积。4.工程项目设计强化训练。光学设计无顶峰。在经历了几个阶段的学习和实训后，学生虽然对设计理念、设计流程、设计技巧有了一定的掌握。但光学系统很多时候是功能迥异的复杂工程，并不是单一的物镜或目镜光路或单一的消像差。实际的工程设计还要考虑客户的使用环境、使用条件，考虑制造工艺和成本，考虑国家行业标准或其它优势竞争因素等。学生要想在毕业后快速适应光电行业光学工程师岗位，还需要不断加强设计训练，甚至去光电企业实习。训练项目主要有四类。（1）开放实验室项目，利用开放实验室条件和学生长时间在实验室研究学习规律，为他们在学校申请光学系统设计类项目，如“工业内窥镜系统光学设计”题目，并获得一定经费资助。（2）大学生国家创新创业训练项目，如2017年协助四位学生申请到国家大创项目“车载宽视角高清系列摄像镜头设计与开发”，为学校赢得了荣誉，丰富了课程内容。（3）外接工程项目，如“广告用投影机”项目，指导14级学生帮客户完成照明和投影光学系统工程设计，得到用户认可。（4）毕业设计课题，最近三年共有30人左右申请了光学系统设计毕业研究课题，有的项目成果还整理发表了期刊科技论文，增强了学生自信。光学设计强化训练项目在内容上也体现了三个特征：（1）复合性特征，如工业内窥镜系统包括摄像物镜设计、转像透镜设计和目镜设计，相互之间衔接，初期的方案制作就很考验学生的专业水平。（2）多类别特征，研发项目从摄影光学系统到投影系统，从激光扫描系统到红外微光系统，从定焦到变焦系统等。大大扩展了学生毕业后从业就业的范围。（3）系列性特征，如车载宽视角系列镜头研发，焦距规格系列包含2.8、3.6等，清晰度包含720P、1080等，使学生的设计训练思路明晰。
二、结束语
《光学系统设计》教学内容经过一系列的精挑细选、优化探索，逐步实现了理论指导、软件辅助、课堂训练、工程项目设计实战为主干的科学培育路线。学生通过这门课程的学习，是真真正正掌握了一门专业技能。近几年毕业生中从事光学设计工作相关人员激增，考取光学工程专业研究生人数暴涨，企业用人反馈良好，极大地增强了在校学生的专业学习兴趣和就业信心。今后，我们仍将不忘初心，不辱使命，继续在教学实践活动中探索更加优化的教学内容和教学方法，为社会培养更加优秀的光学领域专业人才。
【参考文献】
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[3]王秀梅，等.加强课内外统合建立大学生实践能力培养体系[J].中国高等教育，2013,(11).
[4]李晓英，等.在《光学设计》课程教学中加强实际设计能力[J].科技教育，2017,(34).
作者:胡冬梅 黄大勇 张戈 单位:南阳理工学院电子与电气工程学院