对光学工程的认识范文

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篇1

关键词：工程光学 光学工程与系统设计 教学方法 教学改革

中图分类号：G42 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）11（a）-0142-02

随着光学技术的发展，对光学仪器和光电仪器设计的要求也越来越高，这就要求设计者具备扎实的理论基础、较高的设计技巧和现代光学系统设计计算能力。目前，社会上对光学设计的专业人才有着越发迫切的需求，为此，高校肩负着培养具有良好光学设计能力的工程型人才的重任。

为了帮助学生巩固应用光学专业基础知识，掌握评价光学系统的基本方法，提高学生对光学系统的应用能力和设计能力，该校在光学工程学科研究生教学中开设了“光学工程与系统设计”课程。该课程在本科工程光学的基础上，系统、全面地讲解光学工程的理论、应用和系统设计方法，帮助学生提高在工程应用中解决实际问题的能力。

“光学工程与系统设计”课程针对光学工程学科研究生开设，要求学生具有一定的光学工程基础知识，教学目标是培养光学工程的高级应用人才。授课内容除注重于基本概念的讲解和基本原理的分析外，拟通过大量丰富的光学系统应用实例，培养和提高学生发现和解决工程问题的能力。

因此，该门课程在较短的课时内，既要有对专业基础知识的深入理解，又要结合工程生产实践，以解决实际设计问题为目的，使学生在系统、全面地掌握光学设计理论和设计方法基础上，能够独立完成大多数典型光学部件和系统的设计工作。因此，要达到较好的授课效果，对授课教师提出了较高的要求。

在“光学工程与系统设计”的授课中，如何将理论与实际相结合，充分调动学生学习兴趣，使学生逐步适应从习惯于科学理论、理想假定的学习者到光学工程专业技术人员的转变，培养和提高学生发现和解决工程问题的能力，是重点考虑的问题。该文将对教学中遇到的问题及经验进行做出总结。

1 “光学工程与系统设计”教学中面临的主要问题

在该课程的教学过程中，主要存在的问题有以下几点。

1.1 学时少，相应配套课程不完善，学生基础知识水平不均衡

“光学工程与系统设计”课程涵盖光学成像理论、典型现代光学系统的结构原理和光学特性、光学系统设计方法等等方面，涉及知识内容非常广泛。在有限的学时内，要完成所有的教学内容，达到使学生系统、全面地掌握光学设计理论和方法，提高学生现代光学系统设计能力，培养学生工程素质的目的，对学生的基础知识、综合能力的要求都较高。而在实际教学中，由于学生可能来自于不同的本科专业，在光学工程类基础课程方面的知识水平表现出很不均衡，相应的配套课程也不够完善。因此，如何在本课程的教学中，如何缓这些矛盾，弥补这些缺陷，达到好的授课效果，对教师提出了很大挑战。

1.2 学生工程意识淡薄，动手能力差，不能将理论与实际相结合

学生对工程设计的特点仍旧缺乏认识，对工程问题较为生疏，工程意识非常淡薄，因此造成了动手能力差，不能将所学的理论知识与实际应用有机结合的问题。而本课程正是以培养具有良好光学设计能力的工程型人才为目标，因此，如何理论结合实际，在对实际问题的分析与讨论中，培养学生学习与发展的能力和创造性解决工程问题的能力，是重点要解决的一个问题。

1.3 学生的学习积极性问题

教育学认为：兴趣是学习最好的老师。学生对所学习的课程产生了兴趣，才能更加认真、更加投入地汲取课程的知识，更好地发挥思维和智力的潜能，做出创造和发明。正是由于本课程涉及内容广泛，学生基础知识水平不均衡，如果不能够采取合理措施，将理论与实践相结合，充分调动起学生学习的主动性，就更容易造成部分学生对课程丧失兴趣，消极学习。因此，作为专业课程老师，怎样培养学生的学习兴趣，不使学生感觉学习过程无聊、无用而索然无味，是授课教师必须认真思考的问题。

2 教学改革实践与探索

针对以上问题，我们在教学过程中，从教学体系、教材、课件、教学方法等多方面进行改革探索，以完善教学内容、创新教学方法为出发点，从提高学生兴趣，加强师生互动，讲解深入浅出，理论结合实际，融入科研内容等多方面着手，改善教学效果，取得了较好的成效。主要采用了以下手段后。

2.1 精心规划授课内容，注意衔接，有的放矢

该课程许多内容涉及到几何光学、物理光学、激光原理等基础课程知识，希望学生能够具有一定的相关基础，在授课时才能产生较好的效果。然而，如前所述，在教学中存在学生基础知识水平不均衡，配套课程不够完善的问题。为解决这一矛盾，在授课体系与授课内容方面，进行了精心的规划，力求合理。

首先，在授课内容方面，重视教材内容的科学组织，在内容的编排上注意知识本身的内在规律性、系统性及相互联系，增强课程各个部分之间的逻辑性，有的放矢，从而节省学时，解决课程容量大与学时有限的矛盾。其次，在讲授必要内容的基础上，注意与前期课程的衔接，但并不完全依赖于前期课程知识的掌握，而是注重启发、引导学生自主的复习、掌握、扩展原有知识，例如通过布置思考题目、提供参考文献、课上讨论等方式，帮助和鼓励学生通过主动学习，来解决基础知识水平不均衡的问题。同时，在授课中并不简单的按照教材施教，而是及时结合科研项目，充分利用与课程有关的最新研究成果，补充本领域的前沿技术。

通过合理的规划授课内容，并在授课过程中，注意衔接，有的放矢，激励学生课下主动学习的方式，提高了教学质量。

2.2 理论结合实际，重在能力培养

本课程除了具有知识的系统性、理论性强的特点外，更重要的特点是应用性强。在工程设计中，需要灵活地运用学过的理论知识，用理论指导实践，才能使设计朝着成功的方向前进。当设计过程出现问题时，怎样利用理论知识和实践经验，来有效地进行修正，最终得到满足使用要求的系统设计，这种解决工程问题的能力的提高，是本课程最核心要解决的问题。

为此，我们在基础理论讲授后，通过抛出一个或几个实际工程设计问题，引导学生进行深入思考与讨论，完成自主设计。例如在学习了像差理论及典型显微光学系统后，要求学生设计一款高倍率显微系统，针对该系统设计过程中发生的各种问题，包括怎样从低倍率系统逐步过渡到高倍率系统，怎样实现复消色差，以及工程实际中如何实现系统装调等等问题，一一进行讨论和分析，通过引导学生发现问题，鼓励学生自主分析解决问题，提高学生的实践能力。

这样的理论与实际相结合的过程，深受学生好评，学生们一致认为，通过这样的练习，不但加深了对理论知识的理解，更大大提高了他们发现和解决工程问题的能力。

2.3 创新授课方法，刺激学生主动学习

由于授课内容的更新以及理论与实际相结合的要求，教师在授课方法上也必须进行相应的创新，才能够达到预期的效果。学生是课堂教学的主体，只有激发学生求知的动力，课堂教学才有可能成功。除了传统的讲授方式外，在本课程的授课过程中，更加注重启发式教学和讨论式教学。启发式教学方法，是指通过具有启发式的提问，激励学生学习的兴趣，从而培养学生的创造性思维能力。讨论式教学方法，是指通过讨论问题，积极引导学生进行独立思考，培养学生的自主学习能力。

在具体做法上，除了采用布置思考题目，推荐参考文献的方式外，还通过将学生分为合作小组，针对某一任务进行组内合作，然后组织各小组就各自研究成果在全班进行交流，鼓励学生之间就技术问题进行讨论、质疑与辩论，加深理解。

通过启发式与讨论式教学方法的引入，增强了师生互动，提高了学生的学习兴趣，刺激学生主动学习的欲望。

3 结语

在“光学工程与系统设计”的教学中，针对存在的问题，从规划授课内容、理论结合实际以及创新授课方法等等方面进行了教学改革的实践与探索。通过合理地规划授课内容，理论与实际相结合，以及引入启发式和讨论式的教学方法，注重对学生发现和解决工程问题的能力的培养，刺激学生学习的主动性与积极性，提高了教学质量，收到了良好的效果。

参考文献

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[3] 张文涛，蒋曲博，汪杰君，等.《光学设计》课程教学方法改革初探[J].科技创新导报，2011（2）：179-181.

[4] 张薇.光电子发光与显示技术课程教学改革的探索与实践[J].科技创新导报，2013（16）：156-157.

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【论文摘 要】《光学设计》是一门实践性很强的课程，是光学工程和光信息科学与技术专业的主修课。本文对《光学设计》课堂教学内容的组织、教学方法的改进以及考核方式的改革等进行了探讨，以期对该课程的教学改革提供方法与思路。

《光学设计》是许多工科院校的“光信息科学与技术”、“光学工程”等专业的主修课程，北京信息科技大学光信息科学与技术专业在应用光学、物理光学等必修课基础上也开设了这门重要的专业选修课。《光学设计》是一门将几何光学与物理光学知识与实践相结合的学科，通过该课程的学习，学生可以系统的了解光学设计方面的知识，了解一些最常用的光学系统的设计方法，以及了解光学设计的发展方向。该课程的特点是应用性较强，涉及的内容较多，如何在有限的学时内，通过该课程的学习，培养学生熟练设计各种光学系统的能力，提高学生的分析能力和实践能力，这对授课教师提出了严峻挑战。该课程一般通过理论教学和实践教学两个环节完成教学内容，本文将几年来的课堂教学工作所积累下来的心得与体会加以总结，主要涉及到教学内容的组织，教学方法的改进与考核方式的变革等。

一、精心组织授课内容，理清主线，突出重点。

光学设计课程囊括的知识点比较多，面向不同的教学对象，因为其本身知识积累就不同，而不同的教材组织方式，调强的知识重点也不尽相同，因此需要教师因人而异、不断调整授课内容的组织方式。北京信息科技大学光信息科学与技术专业将该课程核定为32学时，在这么短的课时内，如何选择讲授的知识点来保证教学活动的完成，根据本专业的特点，我们精心组织了教学内容，主要为了理清思路，并突出重点。光学设计涉及到的内容可分为：高斯光学、像差理论、典型光学系统、计算机自动优化方法、光学系统公差分析及光学元件制图等。高斯光学是光学系统分析的基础，光学系统初始结构计算就是基于高斯光学理论的；像差理论是光学设计的重中之重，只有深刻了解了像差理论，才能够自主、灵活的设计光学系统；典型光学系统包括放大镜、显微镜、望远镜等系统，是了解实际光学系统的钥匙，也是光学系统初始结构计算的理论基础；而计算机自动优化方法、光学系统公差分析及光学元件制图等是实践性很强的内容，也是把上述理论知识与实际设计过程联系的纽带。只有理清了这些内容的知识体系，才能有的放矢，条理清楚的讲授。我们经过探索，发现在授课时选择一个实际的光学系统（如开普勒望远镜系统），从它的基本结构讲起，引出物镜和目镜的各自特点，用高斯光学知识分析其放大率、视场角等参数，再引申到实际系统像差对像质的影响，最后讲授怎样设计这样一个系统以及设计中应该注意的问题。这样就能把所有要讲授的内容串联起来，学生就能更好地理清思路，知道哪部分内容的作用以及怎样学习效率更高。另外，讲解时不能一概而论，必须突出重点，每个知识模块的学时要分配得当。比如像差理论是本课程的重点，需要占用较多的学时讲解；而且像差理论这一部分应该把重点放在各种系统参数（比如，光阑大小、位置，材料折射率、相对色散等）对初级像差的影响上，因为这是一个优秀光学设计工程师必须练好的最重要的基本功。最后，处理好知识点与实际光学系统之间的关系。比如要提醒学生每一部分知识点都要结合与实际光学系统设计（包括加工、检测）的关系来学习，做到有的放矢、思路清晰。

二、教学方法的改进

1．课堂教学与课外科技创新实践相结合

学习基本原理知识的目的是为了更好地应用到实际生活中。我们积极鼓励学生参加各种科技创新活动，坚持课堂教学与课外创新实践活动相结合，强化实践能力培养，提高学生的设计与综合分析能力。比如，在学习了照相系统基本知识以后，我们鼓励学生调研如今市场上的各种照相机（包括数码相机、传统相机、摄像机等），让学生考察照相机的基本结构以及重要技术参数，并让学生尝试自己设计一台照相机系统。这样，学生的学习积极性得到大大提高，他们在设计过程中遇到很多问题，再重新回过头在课堂找答案，被动接收变为主动学习，学习效率大大提高。

2．现代多媒体教学技术的使用

多媒体教学是以计算机为核心的教学手段，能交互的综合处理文本、图形、图像、动画、音频及视频等多种媒体信息，更丰富、更复杂的信息多媒体教学对全面提高教学质量，增进教学效果起着不可替代的推进作用。基于多媒体的光学设计课程教学优势包括：第一，图文并茂，简洁直观，激发学生学习兴趣，提高学生学习的主动性。比如在讲授望远系统时，我们把目前世界上的各种望远系统图片投影到黑板上，并列举各系统的优缺点，使学生顿时产生了浓厚的学习兴趣。第二，把教师从繁重的板书中解放出来，更有利于教师语言、人格魅力的发挥，学生可以在相同的时间内获取更多的知识，提高课堂教学效率和教学质量。比如，在讲授各种目镜结构时，由于目镜的种类很多，有惠更斯目镜、冉斯登目镜、凯涅尔目镜、对称式目镜以及广角目镜等，一一板书这些目镜结构和特点非常花时间，而且作用不大。使用多媒体就可以很快的展示各种目镜结构以及特点，从而把更多时间放到讲授目镜选型以及设计中去。第三，教师为主导，学生为主体，二者相互有机结合，实现教与学的良性互动。比如，在学习球差与系统相对孔径以及光阑的关系这部分内容时，我们让学生自己提出各种参数，然后现场用多媒体计算光线轨迹并画出光路图、像差图等，学生再根据像差图提出新的修正结构，直到得出满意的球差。在这个过程中，教师与学生不再是填鸭式的灌输与接受知识，而是很好的互动，并激发了学生学习兴趣。

3．光学设计软件的应用

在光学设计课程教学中，为了演示光线追迹结果及光学系统在各种不同情况下、不同输入光场时的输出光场情况等，需要编制相应的模块软件。但由于编制这样的模块软件工作量大、难度较高，往住使任课老师放弃在教学过程中演示复杂的光学现象，即使有人花大量时间和精力编制出一些，也因为功能不强、效果不佳而影响教学效果。我们将诸如ZEMAX、OSLO、CODE－V等功能强大的商业光学设计软件引入光学设计课程的教学过程，可以减小设计工作量，并且使课程课件的深度得到加强，从而扩大学生的感性认知和视野，增强教学效果。

现有的成像光学分析与设计软件主要有三种，分别为：美国Optical Research Association 公司的CODE－V软件；Lambda Research Corporation公司的OSLO软件；Focus Software Inc开发的ZEMAX软件。其中ZEMAX软件由于界面友好，容易上手，目前占据市场最大份额；我们在课堂教学中采用的也是ZEMAX软件。该软件可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射、折射、绕射等光学模型，并结合优化、公差等分析功能，是将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表集成在一起的一套综合性的光学设计仿真软件。课堂利用ZEMAX的计算与模拟功能，鼓励学生通过自主探索，在掌握理论知识的前提下，让学生建立相应的物理模型和数学模型，通过自己输入参数去完成对光学系统的形象化和具体化，并对光学系统像差进行详细了解，为进一步设计提供参考依据。例如，如果要给学生讲授cook三片式透镜组（入瞳10mm，全视场角40°）的结构以及性能，通过ZEMAX可以很形象地显示。图1所示，cook透镜组的二维和三维结构图都可以画出，而且所选三个视场（0视场、10°视场、20°视场）的光线轨迹也可以准确画出，这样就使得学生有更形象、直观的认识。如果要了解该透镜组性能，就可以利用ZEMAX光线追迹程序快速计算出每一条光线的轨迹，并算出各种像差值。该cook透镜组的几种像差图见图2所示，这里只显示了四种像差图：点列图、波像差图、调制传递函数图和场曲、像散及畸变图。根据这些像差图，学生可以对该系统的像差有个全面的认识，可以更进一步改进并优化结构参数。而计算实际像差利用传统的手工计算花费时间是巨大的。 　总之，利用光学设计软件，可以使光学设计课程授课效率更高，学生学习兴趣更浓，学习效果更好。

三、课程考核方法的改革

考试已成为课程改革的一部分，与课程的实施方法相辅相成，从而更客观地反映教与学的效果，达到拓展学生的个性，激发其学习能力和兴趣的目的。传统理工科课程通常以闭卷笔试加平时成绩相结合的方式进行考核。针对《光学设计》的课程特点，我们采用了以考核综合知识和能力为主导的考试方法。具体包括：①建立小课题，指导学生撰写小论文。比如让学生们调研目前流行的单反相机的原理并进行初步设计，学生通过查资料，深入调研，强化学生自己思考的过程，同时也能考察一个学生的综合素质。②开展课堂讨论，给予总结评价。这部分的考核主要是通过讨论来考察学生对知识点的应用和具体解决问题的能力。③试卷考核。该部分主要考概念题和思考题，加深学生对理论基本知识的理解和掌握。

通过这三种方式来全面综合地考察、评定学生对该门课程的学习掌握和理解程度，从而更好地反馈和指导教学。这样的考核方法覆盖指标更全面，考核的结果就会更客观合理，能够真实全面反映学生的学习情况与能力水平，有利于对学生的知识和能力进行综合评价。

四、教师自身能力提高

教师是课程改革最直接、最关键的群体，因此教师的自身成长与课程的建设发展密切相关。教师的专业成长不仅仅是教学经历和教学经验的累积与丰富，更是教师由被动到主动参与课程决策、课程运作和课程评价，促进课程、教师和学生共同发展的过程。在不断变革的社会大环境下，教师应树立终身教育和终身学习的观念，即“教育既是为了促进个人的终身全面发展，又是为了促进社会的持续发展和全面进步。”只有具备这样的观念，才能不断解决教育中出现的各种问题，才能建构新课程条件下的目标、教学、评价体系。另外，很多人对于光学设计存在错误的认识，认为只要学好几种光学设计软件就可以进行光学设计。其实，光学设计是一种创造性的工作，它需要经验也需要设计人员有正确的设计思想和设计理念，而软件只是工具而已。光学设计总要从像差补偿开始，如果没有对基础像差理论的深入、正确理解，只是按照已有参数按步就班地操作，光学设计则成了完全的技术工作，毫无思想性可言。对于这部分理论内容要有“板凳要坐十年冷”的准备，从复杂、枯燥的公式中理解设计的基础，打好光学设计的基础。光学设计是一门需要慢慢磨的手艺，作为教师的我们就更要负起责任，不断提高自身水平，不浮躁、不图快，踏踏实实的不断学习，积极地参与科研，积累更多的光学设计经验，这样才能更好地讲授好这门课。

五、结束语

随着科学技术的发展，光学系统的作用越来越被重视，迫切需要光学设计的专业人才，为此高校肩负着培养具有良好光学设计人才的重任。本文对光学设计教学内容与课程设置的安排、教学方式的优化改革以及考核方式多样化等问题进行了研究与讨论，为学生更好地掌握光学设计知识、将来更好地服务于社会打下良好的基础。

参考文献

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2 李 林.计算机辅助光学设计的理论与应用［M］.北京：国防工业出版社，2002

3 黄一帆、李 林.光学设计教程［M］.北京：北京理工大学出版社，2009

4 张卫纯、王开圣.浅谈《光电检测技术》课程的课堂教学［J］.甘肃科技，2009（18）：170～171

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关键词：拉曼光谱；airPLS；小波变换；主成分分析

1 引言

纺织品中纤维成分含量直接影响消费者使用的舒适性，是消费者购买纺织品时主要考虑的指标[1]。而有些企业为降低成本，未对采购原料送检就投消费者所好，标识上标注的纤维成分为100%棉。国家质检总局于2003年至2012年期间，组织开展了6次针对床上用品的监督抽查工作，抽查发现，纤维成分含量不合格的情况主要表现为标称纤维成分与实际不符，比如：标注为全棉，实际为棉涤产品。标注为全棉，实际为纯涤产品。目前，纺织品纤维检验一般使用传统的方法如燃烧法、化学溶解法、熔点试验法等等，这些方法极易污染环境、危害检测人员健康[2-3]。拉曼光谱是一种快速无损的分子光谱检测方法，其拉曼位移和强度可以提供测定物质含量的相关信息，其中拉曼位移是表征分子振―转能级的特征物理量，是定性与结构分析的依据[4-6]。

测量得到的拉曼光谱不仅包含测定物质的信息，同时也包含了噪声、各种干扰因素，如荧光背景、基线漂移、杂散光等[7]。因此要想通过拉曼光谱来鉴别纤维成分，就应该先进行光谱预处理，以便降噪、扣除背景及基线漂移，减少各种干扰的影响，简化后续建模过程，提高分析准确度[8-10]。

本文通过对棉涤纺织品的光谱鉴别具体问题，探索研究其合适的预处理方法。

2 试验与方法

2.1 试验样品

试验样品全部由广州市纤维产品检测院提供。样品总数为150，其中纯棉样品50份。纯聚酯纤维样品50份，棉涤混纺样品50份。所有样品的纤维含量按GB/T 2910标准方法测定。

2.2 光谱采集

仪器：i-Raman EX拉曼光谱仪（必达泰克，美国），激发波长1064nm，积分时间50秒，光谱范围175cm-1～2500cm-1，光谱分辨率为9.5cm-1。所得光谱如图1所示。

2.3 光谱数据预处理方法

拉曼光谱仪所测光谱除包含被测样本信息外还存在噪音，同时部分样品由于存在杂质或有荧光吸收的物质，使得光谱数据还存在荧光影响有效信息的问题，化学计量学的引入为我们更好地进一步利用光谱数据提供了有效的方法。本文主要研究自适应迭代重加权惩罚最小二乘算法（airPLS）[11-12]及小波变换方法[13-15]对光谱的预处理。

2.3.1 自适应迭代重加权惩罚最小二乘算法（airPLS）

在纺织品的拉曼光谱中，由于染料的影响常有较为明显的荧光背景出现。自适应迭代重加权惩罚最小二乘法无需用户中途干预且对于信噪比较低的情况可以保持有效信号不变的条件下将背景扣除。它通过迭代重加权惩罚最小二乘算法，逐步逼近背景，引入参数来调节曲线的平滑程度，将原始信号减去拟合出的背景，可得到扣除背景后的光谱信号。

2.3.2 小波变换

小波变换是继傅里叶变换之后最受关注的信号处理方法，它继承发展了短时傅里叶变换局部化的思想，选定一定的小波函数，可以把原始光谱信号变换，在小波域进行过滤和压缩处理，这个过程可以去除干扰和噪声信号的影响，提高光谱的信噪比。

2.4 定性方法的建立

传统上拉曼光谱用于定性分析主要是根据不同物质具有不同的特征光谱，可通过光谱实现对物质的定性分析，在相同测定条件下，绘制样品与对照品的拉曼光谱，进行比对，若光谱相同，则为同一化合物。这样的方法对单一组分的样本是有效的，但是对带有干扰的多组分样本则难以实现。为了解决这一问题，我们采用了基于多元统计分析的主成分分析方法。我们运用主成分分析方法处理光谱，其本质是通过一种最优化方法去浓缩及综合光谱数据中的信息，从而简化数据、降低维数，进而揭示出光谱数据的内部结构特征[16-17]。具体看来，主成分分析通过将原来光谱数据进行转换，得到若干由原始光谱数据线性组成的新变量，新变量尽可能多地表征原光谱信息的数据特征而不丢失信息。经转换得到的新变量是相互正交的，即新变量间互不相关，以消除众多信息共存中相互重叠的信息部分。

3 结果与讨论

3.1 背景扣除

为了消除不同颜色的染料所引起的拉曼光谱背景，我们首先采用airPLS方法对光谱进行了处理。在本方法中，惩罚参数λ需要结合光谱数据确定。λ值越大，其拟合出的背景越平滑，在本研究中，结合纺织品拉曼光谱的实际情况，我们选定λ为20，并以此对原始光谱进行处理。处理前后的光谱可见图2，从图中可以看出，经过处理后，荧光背景基本已被扣除，可以更加有效对光谱数据进行分析和处理。

3.2 小波处理

背景扣除之后，为了进一步去除干扰信息，提高光谱的信噪比。我们采用“db2”小波函数对光谱进行了处理。结合拉曼光谱数据的特点，采用2尺度分解，处理后光谱见图3所示。经过此步骤处理后，变量由449减少为112个，有效地压缩了数据，保留了有效信息。

3.3 主成分分析

为了验证光谱预处理方法的有效性，首先采用原始光谱进行主成分分析，从图4中我们可以看出，100%棉样本聚成一类，但是100%涤纶以及棉涤混合的样本则混杂在一起，难以有效地进行区分。而经过airPLS方法扣除背景，并经小波变换压缩处理之后的主成分得分图见图5。从图中可以看出，100%棉样本以及100%涤纶样本各自聚成一类，而棉涤混合样本则居于两类之间，基本符合我们对样本的认识。这样的结果也说明，拉曼光谱结合合适的预处理方法及主成分分析，可以有效地对不同成分的纤维纺织品进行分类鉴别。

4 结论与展望

本文研究了利用airPLS及小波变换方法对拉曼光谱数据进行预处理，对处理后的光谱数据应用主成分分析进行了鉴别，试验结果表明，利用拉曼光谱对棉涤床上用品纤维成分现场检验鉴别是可行的。该方法可以现场检验鉴定床上用品纤维成分，对质量监督抽查部门现场“打假”起到重要的支撑作用。

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关键词：LED路灯;自由曲面透镜;二次光学设计

中图分类号：TN31;O43

      文献标识码：A文章编号：1005-3824（2014）05-0013-05

0 引 言

发光二极管（light emitting diode）作为新一代的绿色光源，具有寿命长、体积小、电光效率高、环保节能等诸多优点，已经广泛应用于景观装饰照明、汽车尾灯、显示屏等领域^[1]。不同于传统光源，LED不含汞、铅等有害金属;其出射光中没有紫外和红外光;其寿命是荧光灯的10倍，白炽灯的100倍，LED也因此成为21世纪最有价值的第4代新型光源^[2-3]。

LED路灯大部分采用的是白光LED光源，光源的辐射角分布为11001200的朗伯分布，表现为中心照射区域的光斑亮度很高，但随着照明区域的半径增大亮度衰减得很快^[4]。如果不经过配光，LED路灯将会在照明路面上形成一个不均匀的圆形光斑，约50%的光将会散落到马路之外，造成光浪费，还会对远处的行人和车辆造成眩光，达不到照明要求^[5]。所以，对LED路灯进行二次光学设计，使其照明区域的光照均匀度、形状等满足道路照明要求，是LED路灯设计过程中不可或缺的环节。二次光学设计属于非成像光学领域，利用非成像光学理论设计自由曲面透镜对LED路灯进行配光^[5]，以达到均匀照明的目的，是目前LED路灯二次配光设计常用方法。而对于自由曲面透镜的设计，目前常用的主要有试错法、裁剪法、数值优化法、偏微分方程法、网格法以及SMS法^[6]，前5种方法主要针对点光源，最后的SMS法则多用于扩展光源。

1 LED路灯配光特点及要求

LED的光强辐射一般以蝙蝠翼型、朗伯型、聚光型以及侧射型等类型分布，其中大部分都为近似朗伯分布，即光分布是以垂直于发光面的轴线为零度角的余弦分布，其光强变化规律为

I（）=I0×cos（）（1）

其中：I0为主轴上的光强;为光线与LED主光轴的夹角。

没有经过配光的LED光源一般产生的为圆形光斑，这样的光源容易产生斑马效应，而且会造成路面以外的光浪费，因此，需要通过对LED进行二次配光，使得LED路灯发出的光在路面上形成一个矩形光斑，同时兼顾眩光控制与照度均匀度，达到道路照明要求。

在城市道路照明设计行业标准中，根据道路照明的不同场合，把道路分为主干道、次干道、快速道和支路等。不同的道路有不同的照明要求，具体设计要求如表1。

2 基于非成像光学的LED路灯配光技术

2.1 非成像光学简介

与传统光学设计不同，LED路灯的配光设计，不需要在路面上形成清晰的像，而是要求把圆形光斑变成矩形光斑，尽可能使光线都分布在路面上，即二次光学设计。二次光学设计主要考虑怎样把LED发出的光线集中到期望的照明区域上，进而让整个系统发出的光能满足照明要求。二次光学设计属于非成像光学的研究范畴。不同于传统成像光学系统，非成像光学不再以获得最好的物象为目的，所以不需要在目标照明面上形成清晰的像，而是追求光能利用率的最大化，另一个不同于成像光学系统的特点在于，不再使用像差理论和成像质量来评判系统性能的优劣，在非成像光学系统中，光能利用率被用来作为系统的评价标准。目前，为了满足道路均匀照明要求，对LED路灯进行二次配光的一种行之有效的方法是利用非成像光学理论构建自由曲面透镜。

表1 机动车交通道路照明标准^[7]

2.2 自由曲面透镜常用设计方法

为了让配光过程中的能量损失较少，普遍采用光学面数量较少、对光线的反射折射较少的透镜来对LED进行二次配光，透镜的配光能力决定于其光学面的面型。要达到均匀照明的配光效果，这种光学面的面型需要有足够的自由度，能同时实现系统的光强分配和照明空间角的改变，称之为自由曲面。自由曲面透镜结构简单，配光效果好，是目前为止LED均匀照明最理想的配光光学元件。

目前，常用的自由曲面设计方法主要分为两大类，一类是针对点光源的，包括试错法、裁剪法、数值优化法、偏微分方程法和网格法，另一个类是针对面光源的SMS法（多重表面同步设计法）。其中，试错法的可变参数多，没有固定的优化模式，大多依赖于设计员的经验进行，主要通过三维建模软件solidworks、PROE或UG等绘制出光学元器件结构，再在非成像光学分析软件中，通过非序列光线追迹来判断照明面的照度及整个光强的分布^[8];裁剪法通过对光学透镜的面形进行裁剪来控制波前走向，以此获得均匀的照度或能量分布;数值优化法结合几何近似方法与变分积分方法，对非线性二阶Monte-Amphere方程进行求解，此方法最先由J.Bortz、N.Shatz等人应用于LED配光透镜设计，主要应用于只有一个光学面的给定照度分布问题;SMS方法^[9]是针对扩展光源设计而言的，对一个配光光学透镜，可以同时设计出透镜的2个或多个表面的面型，通过多个光学面，控制扩展光源2端发出的2个波面，变换成给定的2个输出波面;而对于点光源而言，常采用偏微分方程法和网格法，下面本文将对这2种方法做详细介绍与比较。

2.3 自由曲面透镜常用设计方法

偏微分方程法，系统效率高于82%。

图1 自由曲面透镜与配光效果图

通过偏微分方程法来求解自由曲面面型，本质上是建立入射、出射和自由曲面法向矢量3者之间的矢量关系方程组，同时添加限制条件，限制条件根据光 源的发光特性以及所需照明来设定，这样，使得方程有唯一解或者有限个解。自由曲面是一空间曲面，求解自由曲面面型数据时，首先在空间中建立三维坐标系，设LED光源位于空间坐标系的原点，自由曲面上的任意一点坐标为qθ，φ，ρθ，φ，目标照明面上的点为wx，y，z，入射光线、出射光线以及q点处的法向矢量分布用In、Out和N表示，根据Snell定律可以建立起自由曲面上点q和目标照明面上点w的关系表达式，再由能量守恒定律求得自由曲面上点q的分量与光线出射角之间的关系表达式，由此得到qθ，φ，ρθ，φ在θ，φ的一阶偏微分方程，最后运用数值方法求解出自由曲面面型数据。

2.4 网格法

网格法的设计思想具有直观的物理意义。在忽略能量损失的情况下，由能量守恒原理可知，光源发出的能量等于目标照明面上获得的能量，采用相同的规则对光源和目标照明面进行网格划分，每个网格内所对应的能量相等，根据这个映射关系，建立能量分配的对应关系，通过计算机迭代求解出自由曲面表面离散数据点的坐标，以及所对应的法矢量，从而确定了自由曲面的表面。

同样，跟偏微分方程法一样，LED视为点光源，位于原点处，建立如图2所示的空间坐标系。其中，θ为光线与Y轴所组成的平面和Z轴的夹角，φ为光线与Y轴的夹角。由光源的余弦分布可知，沿着光线i→的光强为I0cosθsinφ^[12]，其中I0为中心光强。

图2 LED光源空间坐标

2.4.1 划分网格

设目标照明面如图3所示，是一个长为a，宽为b的矩形区域，LED光源的总光通量为，目标照明面的平均照度为Ev，中心光强为I0=/π。在X轴方向已步长k等分为m份，Y轴方向上也以同样的步长k等分为n份，这样就得到了xm和ym的数组，对应于光源立体角来说，则在θ角上等分成m份，角等分成n份。

图3 目标照明面网格图

2.4.2 迭代计算

经过网格划分后，在X轴方向有m条矩形区域，通过能量守恒定律，可以建立起光源出光方向与目标照明面上点的一条纵向对应关系，以此求得步长Δθ1～Δθm，Δφ1～Δφn。其具体步骤如下：

首先计算X轴方向上每条矩形区域所对应的能量：

EΔx=Ev·k·b（2）

每一份θ角内，以LED光源发出的能量作为研究对象，根据能量守恒定律可得：

∫θ1θ0∫π0I0cosθ·sin2φdθdφ=EΔx（3） 

则：

Δθ1=EΔxI0cosθ∫π0sin2φdφ（4）

由θ1=θ0+Δθ1，x1=x0+Δx可以得到一条光线与目标照明面上的一个点的能量对应关系：θ1，φ1→x1，y0。按照这样的步骤依次迭代可计算出Δθ2，…，Δθm，并可得到光源光线与目标照明面上的点的纵向对应关系θφ0=fxy0，即

θ1，φ1→x1，y0

θ2，φ1→x2，y0

θ3，φ1→x3，y0

……

θm，φ1→xm，y0

按照以上建立纵向对应关系的方法，建立能量横向对应关系，以此得到步长Δφ1～Δφn。

在目标照明面的Δx，Δy范围内，由能量守恒可得：

∫θ1θ0∫φ1φ0I0cosθ·sin2φdθdφ=Ev·k2（5）

则：

Δφ1=EΔx，ΔyI0∫θ1θ0cosθsin2φ0（6）

由φ1=φ0+Δφ1，y1=y0+Δy可以得到一条光线与目标照明面上的一个点的能量对应关系：θ0，φ1→x0，y1。按照这样的步骤依次迭代可计算出Δφ2，…，Δφm，并可得到光源光线与目标照明面上的点的纵向对应关系φθ0=gyx0，即：

θ0，φ1→x0，y1

θ0，φ2→x0，y2

θ0，φ3→x0，y3

……

θ0，φn→x0，yn

这样，可以依次迭代求出光源光线在整个空间坐标系中与目标照明面上点的对应关系：即θm，φn→xm，yn。

迭代计算时，首先确定透镜的一个初始计算点，应用反射定律求得自由曲面初始点的法向量，从而确定该点的切平面，再由该切平面与第二点的入射光线相交确定第二点。总体思想是，通过前一个点的切平面与下一条光线相交求得下一点，通过计算机迭代计算出自由曲面所有点的坐标，由此得到自由曲面的面型。

3 LED路灯自由曲面透镜设计方法的比较  

无论采用哪种自由曲面透镜设计方法，最终的目的都是要让LED路灯的配光达到道路照明要求。上述的自由曲面透镜设计方法各有优缺点，如表2所示。

其中，偏微分方程法求解自由曲面，目的性强，计算速度很快，可以很快得到面型的数据，而且没有试错法中反复优化的过程，但是，由于偏微分方程组复杂，求解过程麻烦，这类方程的可解性也很低，要求设计人员有扎实的数学功底和编程能力，并且偏微分方程法多适合点光源，对于扩展光源，多用SMS法。

网格法比较直观，根据能量守恒，建立光源与目标照明面的映射关系来求解面型数据，并且可以通过对网格的细化，可以得到更加精确的结果。网格法可以解决复杂照度分布的问题，求解上比偏微分方程法简单，设计效率高，不用进行误差校验，是一种行之有效的自由曲面透镜设计方法，具有良好的研究前景。

4 结 论

近年来，LED路灯的应用越来越广泛，对LED路灯二次光学设计的要求也越来越高，二次光学设计也逐渐成为非成像光学中的一个重要研究方向。本文简要介绍了LED路灯自由曲面透镜的设计方法，并就现在最常用的2种设计方法做了详细介绍与对比，认为网格法具有良好的发展前景。目前，对于点光源的二次配光设计问题，已经有相当成熟的解决办法，但是对于扩展光源来说，还需要进一步提出比较成熟的解决方案，加快LED路灯应用于更加广阔的领域。

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篇5

关键词：物理光学；应用光学；教学实践；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）21-0077-02

“物理光学与应用光学”是信息光学的重要技术基础，是电子信息科学与技术专业的学科基础课。物理光学从光的电磁理论出发讲述了光在各向同性介质、各向异性介质中的传播规律，光的干涉、衍射、偏振特性。应用光学不涉及光的波动本性，以光的直线、独立传播、折射、反射等实验定律为基础，研究受限光束的成像，特殊光电传播过程的规律；在光学系统中进行光路追迹，研究光学系统成像特性、应用及初步设计。通过“物理光学与应用光学”课程的学习不仅使学生建立起有关光的电磁理论的完整体系，能够运用光的电磁理论分析光的波动性、光在不同介质（包括物理光学元件和几何光学元件）中的传播和控制问题，能够解决光电工程中的基本光学技术问题；同时还能使学生了解现代光学的发展和前沿，以及在光电技术中的应用；为“光电子技术”“激光原理”“光纤通信”等后续课程的学习打下基础。因此，“物理光学与应用光学”课程是“现代光电子”“光学信息处理”“光纤通信”“光电传感技术”等课程的重要基础理论课程，也是光通信、光电子、光信息、光学工程类专业的考研课程。

一、“物理光学与应用光学”课程的内容及特点

内蒙古工业大学电子信息科学与技术专业从2006级学生开始开设“物理光学与应用光学”课，其内容包括：光在各向同性介质、各向异性介质中的传播规律，光的干涉、光的衍射，几何光学基础，理想光学系统，光学系统的象差基础，光学仪器等。从教学中发现学生学习该课程时感到很吃力，通过调查发现主要因为以下几个方面：一是由于中学的光学知识少而简单，与大学“物理光学与应用光学”知识跨度很大；二是物理光学部分涉及到的理论用到的数学知识太难；三是应用光学部分概念、公式多且抽象难记；四是本课程数学公式推导繁杂使学生望而生畏，难以提起兴趣；五是内蒙古工业大学的“物理光学与应用光学”课程纯理论，无相应的实验；六是教材和课堂教学与实际应用、当今光学领域的前沿技术脱节，学生对光学的运用和前景感到迷茫。因此，加强对“物理光学与应用光学”基础课的教学研究、适应教学要求和学生学习要求，充分调动学生的学习积极性，提高教学质量十分必要。

二、教学内容及方法的改进

考虑到“物理光学与应用光学”课程的重要性，根据该课程理论性较强、概念较抽象的特点，为了提高学生学习“物理光学与应用光学”课程的积极性，从教学内容、教学方法、教学手段、教学课件、加强实践性教学环节等方面进行了调整。

第一，从教学内容上进行调整。自2007级学生开始，增加了ZEMAX光学设计软件的介绍。ZEMAX是一套综合性的光学设计仿真软件，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射、折射等光学模型，并结合优化、公差等分析功能。通过该部分内容的学习，学生能够初步设计出简单的单镜头及双单镜头，增强了学生的动手能力，可以适当辅助对概念的理解。

第二，在教学方法上进行适当调整。在物理光学部分适当减少繁杂的数学推导，注重物理思想的讲解；物理光学部分数学推导往往是繁杂、冗长和枯燥的，要耗费大量的课堂教学时间，而且容易使学生望而生畏。简化数学推导，以光学中的光学定律和物理问题为线索，让学生了解光学定律的适用范围可以提高学生的学习积极性。比如光的电磁理论部分菲涅耳公式的数学推导比较繁琐，而且公式难记，为此在教学中不要求学生掌握推导公式，而要求学生会用公式分析反射系数、透射系数及反射率、透射率与入射角和界面两边折射率的关系即可。在教学过程中注重对比，如在讲解迈克尔逊干涉仪、马赫泽德干涉仪及法布里干涉仪时，对三种干涉仪的工作原理及应用进行比较，学生掌握起来更容易；在讲解衍射问题时将单峰衍射、圆孔衍射、矩孔衍射及多缝衍射的实验装置，衍射图样的特点及亮暗条纹的位置，条纹宽度等对比讲解，学生在对比基础上理解记忆的效果更好。在几何光学的成像问题中，将单球面折射、球面反射及透镜的成像进行对比，包括成像公式、焦距的表达式及放大率的公式进行对比，在光学仪器部分将放大镜、显微镜及望远镜的放大率进行对比，这样更有利于学生对公式的理解记忆及应用。

第三，在课件制作上加入phy3D演示。如，讲解凸凹透镜的成像、球面镜的反射成像、玻璃球的成像在推导完成像公式时要进行相应部分的光路图的phy3D演示，这些演示可以任意改变物距、像距或焦距，学生能够直观地观察到这些系统在成像过程中物距、像距和焦距之间的关系，弥补了枯燥的单纯理论计算的缺点。再如，在讲述迈克尔逊干涉仪时通过3D演示，学生可以清楚地看到光的传播过程，通过调整两镜的距离及位置看到干涉图样的变化，有助于加强理解。光的衍射问题向来是学生理解的难点，通过phy3D的演示学生能够清楚地看到障碍物尺寸变化时衍射图样的变化。

第四，加强实践性教学环节。为了培养复合型的实用人才，要求学生必须具有一定的实际工作技能，以便走上工作岗位后能很快地适应工作环境。因此，为锻炼培养学生的实际操作能力，增强学生毕业后的工作适应性，教学中必须高度重视实践教学环节，而毕业设计正好能增强学生的光学设计水平，从而培养出既有理论又有实践水平的高级专门人才。自引入ZEMAX光学设计软件以来，物理系三届毕业生中已有七名学生用ZEMAX光学设计软件完成了毕业设计，且设计效果良好。

第五，改革考试内容和考试方法，命题从以知识立意为主转变为以能力立意为主，加强了概念题、应用题以及与图形结合的判断题，适当出一些开放题、讨论题；改变一卷定总评的情况，采取措施多元化测试学生的能力，比如将学生论文、平时作业成绩、期中考试成绩、期末考试的分数折算计入总评等，每次考试后都坚持进行分析评估，找出教学中的薄弱环节。

三、教学中还存在的问题及今后的计划

第一，“物理光学与应用光学”是内蒙古工业大学电子信息科学与技术专业的学科基础课，目前没有设置相应的专业实验，理论和实践有所脱节，加大了学生对理论理解的难度。

第二，没有将光学的最新发展融入教学。针对以上问题，一是应尽快引入演示实验，利用实验室现有的仪器设备进行演示；通过实验能使学生接触并使用一些典型的光学系统为学生后续专业课程的学习和今后的工作中利用或组合这些光学系统进行创造性工作打下基础。二是增加现代光学基础内容，将光学的最新发展和研究成果融入讲授内容，使学生能紧跟科技发展步伐，这样不但可以扩展学生的基础知识，还可以开阔学生的视野，激发学生的学习兴趣，同时可以使学生了解学科前沿的概况及其发展动态，进一步拓宽学生的知识面，使他们的知识结构更趋合理。三是教学内容的重点和难点应通过课前预留预习作业与课后作业的方式分解消化；上课时应针对重点和难点问题采用讨论式等多种教学手段，以培养学生的创新精神和自主学习的能力。四是充分利用现代信息技术手段，将传统教学手段和辅助教学方式相结合，提高教学效果。针对课堂教学的重点、难点，利用CAI课件、录像、网络资源等增加学生对知识的感性认识，帮助学生掌握教学内容。五是在完成基本教学任务的前提下，针对不同层次学生的需求，适当扩充一些知识，这样既可以巩固所学知识，还可以提高学生的动手动脑能力，为将来的就业打下一定的基础；对有志向考研的学生，可以提前给他们提供一些重点院校的考试真题，让他们有所准备，并能够根据自己的能力选择合适的院校，以免到了大四盲目选择考研院校。

以上是笔者从事“物理光学与应用光学”教学的一些体会、所做的改进与尝试以及下一步努力的方向，希望通过改革使“物理光学与应用光学”课程的教学质量有所提高。

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篇6

关键词: 《光纤通信》教学方法教学工具考核方式

通信产业已成长为国家的支柱产业,而光纤通信技术已深入到社会生活的各个层面,成为现代社会重要的关键基础设施。因此《光纤通信》课程近年来一直作为国内外高校通信、电子学科的重点专业课程。该课程对于学生理解各种通信技术至关重要,其目标是掌握光纤通信系统的基本原理、组成部分、基本应用技能等。学生毕业后应能够从事光纤数字通信设备的操作、维护、故障排查,以及简单的工程设计、施工等工作[1]。因此提高此课程的教学质量对提高电子信息类专业的教学质量和学生的专业素质具有重要意义。我在讲授《光纤通信》课程时,在教学引入方式的改进、多种教学方法的采用、现代化教学工具的使用、良好师生关系的建立、考核方式的改革等方面进行了探索和总结,取得了较好的教学效果。

1.改进教学引入方式,激发学生学习兴趣

《光纤通信》需要《大学物理》、《电子技术基础》、《通信原理》等课程作为学习的基础。了解到学生在初学这门课程的时候存在入门难,进入状态慢,容易知难而退等现状,教师应适当地引导学生回顾一下课上要用的以前所学的知识点,帮助学生突破难点内容,有利于学生的进一步学习。例如讲到《光纤通信》第三章通信用光器件时,半导体激光器和光电二极管的工作原理是本章的重点,也是学生理解的难点。学生理解的难点主要与模电知识有关,所以在讲授之前,我首先简单回顾一下模电中所学的半导体的相关知识,在有了上述基础知识后,再讲解半导体激光器和光电二极管的工作原理。我经过教学实践,发现以此种方式讲解后会使学生更容易接受一些。

此外,在讲述该课程的绪论时,教师要注意激发学生的学习兴趣,讲清楚学习这门课的目的。授课之前,教师应让学生明白:(1)本课程要研究的问题是什么;(2)本课程的任务和地位;(3)为什么要学习该课程。其次在讲述各章之前教师首先让学生明白本章与前后章节的关系,本章的主要内容和重点内容,本章用什么样的方法来解决什么样的问题,有什么优点,然后逐一讲述具体内容。最后在授课结束后,教师应以系统的方法对课程内容

进行复习,使学生加深对本课程的理解和掌握。

2.采用多种教学方法,调动学生学习积极性

心理学告诉我们:“兴趣是人们对事物的选择性态度,是积极认识某种事物或参加某种活动的心理倾向,它是学生积极获取知识形成技能的重要动力。”[2]如何才能使学生对《光纤通信》这门学科产生兴趣呢?教师首先要对自己的教学一往情深,语言神态要充满浓厚的情趣。课上传授知识的时候,教师要做到动静结合,投入且有激情,善于用眼神和学生交流,善于从学生的面部表情中读出他们对问题的理解程度。语言要有轻有重,抑扬顿挫,必要的时候,教师应停顿一下给学生思考、接受的时间。在讲授的过程中教师还可采用提问的方式来吸引学生的注意力,激发学生学习的积极性,培养学生主动思考的能力,使学生带着问题去学习,将被动学习转为主动学习。

其次,教师要按不同的教学内容优化教学方法,精心安排,设置情景,使学生产生高昂情绪和精神振奋的心理状态,情不自禁地进入到教学之中。如:在第三章通信用光器件的“光源”章节,光纤通信系统中使用的光源主要是半导体激光器和发光二极管,关于这两种光源的基本原理、特性和技术指标在教材中叙述已非常经典,我就结合多媒体课件从复习旧的物理光学知识入手,结合光纤通信系统对光源的要求导入新课。学生在我和多媒体的富有激情的讲解中同样接受了“光源”知识。而在第四章光端机的“光接收机”章节,考虑教材对光接收机介绍的重点放在前置放大器、主放大器、均衡器、时钟提取和判决电路的电路构成、电路工作原理的描述上,而实际现代光纤通信系统中很多电路都已经模块化了,我利用教材将分离元件电路作为原理电路进行讲解,然后把“教”为中心变为“学”为中心,鼓励学生上网、上图书馆、联系生产经营单位对光接收机进行了解。学生的主体作用得到充分发挥,他们通过这种学习了解了光接收机的工作原理、结构、生产厂家、型号、命名格式与发展前景等,思维被激活,获取了比课堂上丰富得多的知识。

3.使用现代化的教学工具,优化教学效果

现代教学正运用多种教学媒体及与其配套的软件资料,在教师精心设计指导下,进行优化组合,使教学发挥多种媒体的优势,让学生接受直观、形象、生动、活泼的文字、图形、视频和音频等媒体信息,调动学生视觉和听觉功能同时发挥作用[3]。教师应将课程中的一些难理解的工作原理应用多媒体技术使学生从直观性、趣味性、形象性、深刻性和艺术性几个优势中取得突出的结果。现代多媒体教学容易激发学生的学习热情,引起学生学习兴趣,这对提高教学质量和教学效果将是一个很大的推动。如:在教学“光源”时,本来这节课的内容是相当枯燥的,为了激发学生学习兴趣和欲望,我采用Flash设计了可见光源、稳定光源和宽谱线光源的工作原理及特点比较图,特别用动画形式把稳定光源的光功率和电流关系、发光功率和温度的关系、辐射功率的方向性、光谱特性等描绘出来[4],这样原来教材中的一些图片由静态变动态,知识形成的全过程淋漓尽致的呈现在学生眼前,把枯燥的知识和生动的情景有机的结合起来。这样不仅形象地展示了光纤通信系统所用光源的基本原理,而且激发了学生做进一步学习、研究的兴趣,从而更深刻地掌握了这部分内容,并有助于学生摆脱应试教育,提高学生探索未知领域的兴趣和实践能力。

4.建立良好师生关系,创造实现教育目的的条件

良好的师生关系,是学校教育目的得以实现的重要条件,是教育工作者努力的目标,同时也是反映教育质量的指标之一。大学老师除教书育人之外,还要承担科学研究、社会服务、政策咨询等多种任务。这就决定了大学教师即使是班主任,也不可能每天和学生呆在一起,他们与学生的心理距离因此没有中学教师与学生的心理距离那么近。而《光纤通信》等课程是通信专业的专业选修课,多数学生本身具有一定的兴趣,并且多数授课教师素质和水平都比较高,学生普遍地钦佩专业课老师。教师在上课时,首先将自己的联系方式包括电子邮箱告诉学生,希望学生在碰到问题时找自己,这样可加强教师和学生的交流。教师了解了学生的学习和思想状况,可对学生进行学业和人生的指导,帮学生解决学习、生活等方面的困惑;学生在交流中也能体会到老师的学识、智慧、思维风格和对生活的洞察力等,自然而然对教师发自内心地产生钦佩和欣赏的情感。学生在学习的过程中,一开始兴趣浓厚,接着遇到难题,加之一定的惰性,难免会有一时的松懈,在这个时候,教师的监督提醒显得尤为重要。现在一般是大班上课,作为主讲老师,让每一个学生感觉到老师的关心有一定的困难,但此事一定要花精力去做,否则会影响到后续章节的学习。教师可以在上课的时候走下讲台,在学生中间边走边讲,关注学生的笔记情况;为了加深学生对课上所讲重要知识点的理解,课堂的富余时间可以做一个小测验,看学生的听课情况。如果时间、精力允许,教师最好是关心到每一位学生的学习和成长。

在《光纤通信》教学中,良好的师生关系能吸引学生,让学生有被重视的感觉,使学生容易得到启迪、激励和指导,从而使其勇于探索自己感兴趣的东西,提高专业兴趣,实现教学目的。

5.改革考核方式,实现教学目标

学生的创造性往往是在探索学习的过程中闪现出来的,而传统意义上的教学测量和评价,只注重结果的“对或错”,忽视了学生的学习过程及对过程的评价。这就需要教师在教学评价上做出相应的调整,及时发现每位学生的闪光点,给予鼓励和引导,促使学生不断树立信心。同时,教师还应注意对学生学习过程的反馈,使学生获得成就感,并不断对学习进行深入探究。

《光纤通信》是为通信专业学生开设的专业课程。以往课程考试主要以理论考试为主(占70%),平时成绩为辅(占30%)的形式进行。但是我们发现除必要的光纤通信理论知识学习之外,实践性环节的教学非常重要,是培养学生良好的操作习惯和操作技能的必要环节。所以在《光纤通信》课程的考核方面我做了如下改进:(1)考核方式上,加大平时成绩和实验成绩的比重。具体为学生的实验成绩(平时实验成绩+操作技能考试成绩)占50%,平时成绩(包括考勤、作业、读书心得)占10%,期末理论考试成绩占40%。(2)考核内容上,考试把传统的注重计算转移到注重分析和综合上。在强调考核基本概念和基本定理的同时,加大综合题的比重,比较客观地考查学生的学习情况。这样,教师在报告学生成绩时,就不会以一次测验分数定终身,而是综合考虑各方面因素,从不同的角度反映学生的水平。学生对这种考核方式很感兴趣,与教师一道共同努力,促进了教学目标的全面实现。

以上是我在《光纤通信》课程的教学实践中形成的几点心得体会,由于教学经验有限,因此,如何在教学过程中进一步发挥学生学习的积极主动性,提高学生分析问题、解决问题的能力,优化本课程的教学效果,为通信行业培养更多、更好的人才有待进一步的研究和实践。

参考文献:

[1]刘增基.光纤通信[M].西安:西安电子科技大学出版社,2001.

[2]教育部人事司.高等教育心理学[M].北京:高等教育出版社,1998.

篇7

关键词 初中物理；多媒体技术；实验

中图分类号：G633.7 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2017）09-0093-02

1 前言

伴随当今多媒体技术的日益发展与完善，将多媒体技术直接应用于教学，能够将教学内容化隐为明、化静为动、化难为易，可直接揭示事物的内在联系及本质内容，已然在学校课堂教学中引起广泛热潮[1]。并且多媒体技术凭借其动静皆宜、声像俱佳及图文并茂的内容表现方式与形式，将原本枯燥、乏味的物理课堂带入多彩而又全新的境界。结合多年的初中物理教学实践，笔者谈谈应用多媒体技术设计课堂的几点体会。

2 运用多媒体技术开展情境教学

在物理课堂教学中，运用多媒体技术可以创设符合各节教材内容的教学情境，通过氛围的渲染，教师可将学生引入形象、直观、虚拟化的场景之中，让学生有种身临其境之感，学习物理的热情与情绪会因此而倍增，学习态度也会从以往的被动状态转化为积极主动。

如在“温度”教学过程中，教师可以首先运用多媒体分别展示几幅相同季节具有强烈温差对比的图片，如吐鲁番盆地的“早晨穿皮袄、中午穿纱，晚上抱火炉吃西瓜”的图片，北国万里雪飘、千里冰封的图片等。通过展示这些图片，能够使学生享受美的熏陶，联想冷热感觉，进而加深与强化对温度这一相对抽象概念的理解与感知。

又如在对“重力”内容讲解过程中，当讲到重力伴随地理位置的变化而改变时，教师可在课堂中运用多媒体技术播放航天员景海鹏、陈冬在天宫二号空间实验室工作生活的场景片段。这样不仅能够增加学生的知识量，开阔其视野，而且可以体会失重的感觉，感受遨游太空的情境，在不知不觉中便会加深对重力的理解与认识。

3 利用多媒体突破传统媒体教学的重难点问题

多媒体课件具有教学信息媒体交互性、集成化及多维化等特点，能够极大丰富与提升事物表现力，不仅对信息加工具有较好的辅助作用，而且可以更好地培养学生的个性与思维创造力，易于对物理学中重难点问题的有效突破。从事初中物理教学工作的教师都知道，初中物理知识架构中，折射定律与光的反射乃是其重难点，如果采用传统形式的教学媒体就光的折射与反射等难点进行揭示，往往难以收到理想的效果。学生在对这些内容进行理解时，通常会感觉比较抽象与难懂。

为了能够更好地解决此类问题，促使学生对这些重难点知识更好地理解与掌握，笔者在课堂教学中运用Flash及Powerpoint等课件，通过创设逼真情境，营造情境，渲染气氛，对光的传播以现场实际操作与多媒体结合方式进行演示，演示光从不同方向射向界面所产生的折射与反射现象，使学生通过细致观察演示过程，总结其中所内藏的规律。最终反馈结果可知，运用多媒体课件辅助教学，大部分学生均能掌握光的折射定律、反射定律以及光路图的绘制难点等，还能综合化运用所学知识，对一些与光的折射与反射相关的问题进行解释[2]。

在教师讲解电路断开之后，电路中有电压而无电流时，许多学生对此表示难以理解，而运用计算机所具有的“虚拟现实”的特点，对此进行模拟，将这些原本抽象、繁杂的物理现象，以一种形象、生动的方式逼真地展示在学生面前，促使学生从中认识到断开电路时，导体当中依然存在电力，只不过是未发生定向移动，所以无电流，这样在无形中便将物理教学中的难点问题成功突破。

运用多媒体为教学提供辅助，能够将物理现象当中许多不可见因素及其内在规律，以一种切合实际而又逼真的方式展现在学生面前，发挥出其化抽象为形象及化无形为有形的作用。另外，还可起到降低思维难度及转换思维模式的作用，最终获取传统教学方式无法比拟的教学效果。

4 运用多媒体技术对物理实验进行模拟

实验与观察乃是物理学基本而又核心的方法，诸多定律、定理均基于实验与观察经总结与归纳而得到。将物理实验做好，对于培养学生实验能力，实现学生物理兴趣的提升，具有十分重要的作用与现实意义。生动有趣、丰富多彩的物理实验是物理课程重要的内容构成。因各种客观因素限制，许多物理实验难以分析与判断其过程。利用多媒体技术，能够对实验进行模拟，并控制实验的速度，对教与学的进度实施调整，在计算机与教师的协同配合下，能够达到培养学生实验能力的目的。此外，对物理实验进行模拟，能够帮助学生抓住对象的变化过程及主要特征，就对象变化的现象与条件进行细致观察，有助于培养学生的认真度[3]。

如“凸透镜的成像规律”实验，此实验是整个初中物理教学中的重点实验内容，过程较复杂。在学生实验之前，教师可运用多媒体，以图文并茂的方式将操作要求与步骤展示出来，然后要求学生依据步骤与要求进行实验。而对本实验结果的切实理解，乃是光学中的知识难点。至此，在对这节课进行总结时，教师可运用多媒体技术再现学生实验过程，找出两个凸透镜成像的重要D折点，即二倍焦距处于焦点，物体移动至焦点，则像越来越大，像距也随之越来越大。这样便可帮助学生更为详细地理解此规律。

又如在“通电导线在磁场中的作用”教学过程中，整个教学内容略显单调，学生对知识点较难理解。在演示实验过程中，磁感线的方向与分布不会体现出来，学生对此往往无计可施，因此，教学效果就不太理想。教师如若运用课件进行演示，先将少许铁屑放置于马蹄形及条形磁铁上方位置处的玻璃板上，然后对玻璃板轻轻敲击，此时画面便会呈现出有规律的磁感应线图形；运用电子投影仪将其放大，这样便更加形象与直观，学生对此也会一目了然。教师基于实验，对磁感线进行绘制，便可帮助并引导学生较好掌握“左手定则”的规律。如此生动的实验教学，不仅能够实现学生视野的开阔，而且可以陶冶学生的情操，丰富学生的知识。

5 巧设悬念，促进探究

悬念乃是由学生不满足于解决的问题而形成的一种思维方式。在初中物理教学中，适时、适当地创设悬念，能够让整个教学过程形成一种学生对新知渴望的探索，激发学生追求知识的内在需求[4]。创设悬念能够促使整个课堂充满活力与生机，产生凝聚力与吸引力。教师在课堂中恰当、巧妙地提出内涵丰富而又耐人寻味的物理问题，能够唤醒学生对物理知识探究的兴趣与热情，进而发挥出学生的能动性与主体作用，增强其发现欲与好奇心。利用多媒体技术创设悬念，营造氛围，能够把教材知识以声音、动画及图像的方式向学生展示，学生在此种虚幻般的学习环境中对物理知识进行学习，会更有兴趣。

教师依据学生在学习中对某些知识的理解与掌握存在的不深入、片面的状况，故意让学生在本以为正确答案的回答中暴露出存在的问题，然后以推理或实验的方式使W生恍然大悟，悟出其中的真理与规律，使学生对此能够有一个更加深刻的印象，进而推动教学的深入开展，让整个物理课堂更生动、多彩。比如在“机械运动”教学过程中，当将参照物概念引入时，教师可运用课件，展示某广场在建一栋高度达396.4米的大楼，工人们正在紧锣密鼓地忙碌着。突然天空中飘来一片彩云，正好位于此高楼的上方，位于广场不远处的许多人高声喊道“大楼要倒了”，引起在大楼附近的许多人都惊慌失措，纷纷狂奔而去。工程人员通过细致查证之后，指出此大楼一切正常，无倒塌迹象。

看到这里，学生在下面开始小声议论：“大家为什么都认为这栋大楼要塌了呢？”教师以这一现象为开题，引入参照物概念，当给出出乎意料的答案之后，学生都为之一怔；然后是再深入启发学生，使其对参照物的意义进行理解，这样学生对此概念的认识便会进一步加深，进而为新课教学的开展奠定基础，激发积极探索、自主学习思维，达到“未成曲调先有情”的教学境界。

6 在课堂教学中应用多媒体技术需要注意的问题

在课堂教学中，不能只注重知识的灌输，也不可让学生脱离教师，一味地与机器进行交互学习。多媒体教学需将学生在学习当中的主体作用及教师教学的主导性充分体现出来，这样方能更好地体现出多媒体辅助教学的积极意义。总之，在课堂教学中应用多媒体技术，需要注意下面两个问题。

不能代替物理实验 物理是一门实验内容丰富的学科，物理实验不仅是得出物理理论的基础与前提，而且是支撑生产实践的核心要素，物理实验并不能因多媒体技术的运用而被取代。物理实验需要让学生亲自观察与操作，让学生从实验中获取一手资料。当然，针对一些受到客观条件限制而不能进行的实验，可以运用多媒体技术对其进行模拟辅助，加深学生的认识。

酌情使用多媒体教学 多媒体的辅助教学作用，需以教学质量提升为前提与基础，需与教师教学紧密配合。多媒体教学需将传统教学的优秀部分发挥出来，不能使用多媒体后，便忽视了传统教学的优势部分，不可顾此失彼、摆花架子。由于各种教学手段有其专属的特点与功能，在教学过程中需取长补短、相互补充。

在初中物理教学中，运用多媒体技术为其提供辅助，能够让整个课堂教学变得更为生动、有趣，还能够有效调动学生学习的积极性与主动性，使学生从物理学习中感受隐藏的快乐，通过挖掘探究，体会成功的。物理实验需要多为学生营造优质、和谐的探究氛围，释放学生的个性与创造性，提升物理课堂教学的适度开发性与活跃度，从而取得更理想的教学效果。

参考文献

[1]王风山.多媒体技术在物理课堂教学中的合理运用[J].技术物理教学，2012，20（1）：24-25.

[2]葛玲玲.如何充分发挥多媒体在初中物理课堂教学中的作用[J].考试周刊，2013（21）：159.