摘 要:光学系统CAD是一门综合设计类课程,课程包括基本理论和光学系统设计实践,适合于进行研究型教学。课程的改革方案的重点就是引入科研模式,这一方案包括项目签约、组织实施、评审答辩。在本课程中,学生通过小组自主设计与合作探索完成了他们的设计项目,体会到现代社会的人际关系、团队合作的重要性、每个个体的作用和队伍中成员的关系,小组内部及与其他小组的竞争,对自己也有了客观的了解。在设计实践中应用了不同学术领域的知识,包括应用光学、计算机编程、工程软件等。这种学科交叉的特点使学生为集成不同学科的知识进行交叉创新作了准备。实践表明,这种教学模式在培养工程素质、合作精神以及在更高的水平上提高分析问题和解决问题的能力起了很重要的作用。
0 引 言
光学系统CAD是应用光学系列课程中不可缺少的实践环节,与应用光学(几何光学,像差理论与光学设计)一起形成了从基础理论、应用理论到工程设计实践的完整体系,在专业教育中具有非常重要的作用,也是光电信息工程专业的特色课程。
在学习本课程之前,学生从未接触过综合设计类课程,对工程设计的特点还缺乏认识。从学生群体的组成来看,以应届高中毕业生考入大学的为主,对工程问题十分生疏,工程意识非常淡薄。本课程作为一门综合设计类课程,在培养学生的工程意识和工程素质,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技术人员的转变,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等方面具有不可替代的作用。
本课程以往采用的是教师统一布置任务、学生以个体为单位进行课程设计,由于客观条件包括软件等的限制,学生只能设计比较简单的光学系统,如简单的望远镜物镜等。教师通过看设计报告给学生打分,由于同学之间缺少竞争,不可避免地存在一些相互拷贝抄袭等情况,难以达到比较理想的教学效果,也难以与学生的实际工作需求接轨,学生兴趣也不大。
在此情况下,课程教学组认为应该立足于理论联系实际,将培养学生的工程素质与综合创新能力作为工程类教学的基本目标。按照学生毕业后在实际工作中的要求将理论学习、技能训练和环境适应、主体人格等结合起来进行培养,体现学校提出的KAQ(知识、能力、素质)并重的人才培养目标[1,2]。对本课程来说,我们认为素质教育与专业教育是不可分割的,作为工程类课程教师,应当致力于在专业教育中体现素质教育。本课程作为综合设计类课程,完全有条件在培养学生的主体意识、主动精神、创新能力、组织能力与合作精神等方面做得更好[3,4]。
1 光学系统CAD课程的综合改革
近几年来,本课程教学组在光电系领导与教学委员会、光电信息实验中心的支持下,引进了国际通用的光学设计软件,在教学方法与手段、实践模式等方面都进行了积极的改革尝试,取得了比较好的效果,也得到了广大同学的认可。
1.1 改革目标
以培养研究能力与创新思维为核心,以工程素质的培养为主线,从本课程教学的小环境中尽可能多地让学生了解今后实际的需求,并掌握本专业相应的基本技术,以学生的全面发展为改革的目标。重在培养学生的主体意识,增强学生的主体能力,塑造学生的主体人格,在课程设计实践中锻炼自己的创新能力、组织能力和合作精神[5]。特别是以学生为主体的自我评价和竞争机制的建立与完善,使学生不仅完成了自己的一个设计,而且在答辩中看到了其他课题组的设计成果,对自己的优势和不足之处有一个更客观的认识。组员的成绩与他在课题组中的贡献有关,这也使每个同学更加主动。这里最后的得分已经不是最主要的,关键是每个同学都有了用第三只眼睛看自己的机会。
1.2 教学内容改革
从工程实际出发选择设计课题,使由学生组成的每个课题组完成个性化的设计。本课程教师具有多年的实际科研经验,每年都有若干纵向、横向科研项目,这就使得学生的设计课题的来源变得很丰富。当然大多数设计项目直接作为学生的设计课题是不合适的,教师从中提取出一些比较典型的光学系统作为学生的设计题目,设计题目应使学生受到光学设计的全面训练,适合本课程的学分所对应的设计工作量,有一定的难度同时又是学生通过努力可以设计成功的。题目的某些具体要求只提出最低标准,例如数码相机摄影物镜孔径我们只提出不小于1:2.8,镜头镜片数我们只提出不多于6片等,由于上不封顶,所以给了学生很大的发挥空间和比较余地,也避免了千篇一律的结构模式。课程组对以往的设计题目进行分类整合,并根据光学产业发展的情况加入新的设计题目,拟出符合实际需求的详细技术要求,可以供几届学生不重复地使用。
课程原先只有光学设计任务,现在我们又增加了一个光学像差计算程序的编制任务,目的在于:让学生了解现代光学设计软件的基本部分是如何实现的;通过初始光线设置的环节处理,了解光阑、入瞳等在光线计算中的作用,通过计算实际像差,对各种像差的了解更深入,巩固学生在应用光学课程学习中的薄弱环节;锻炼学生将学过的程序设计内容与解决实际光学问题联系起来;软件质量更容易评判和比较,学生相互打分更容易找到参照。
光学设计部分更重视完成一个设计的全过程的训练。从初始结构一直到光学零件图,并且对工艺要求、图纸的标准等与生产加工有关的要素提出严格的要求,达不到这些要求即使设计得再好也不能参加答辩。设计后还要完成一个设计报告,即对设计的全过程做总结,对设计结果给出完整的评价,并写出设计体会。
1.3 教学方法改革
引入科研模式并不断完善课程设计的全过程是本课程改革的重点。
首先是要求学生组成课题组,一般为三个同学一组,如果人数超过三人,设计任务要增加难度,并选出课题组组长,最后全组的成绩交给组长,再由组长分配到每一位成员,组长在设计活动中的作用就增强了,可以锻炼他们的组织和协调能力,以组为单位的做法可以培养学生的团队精神、合作意识,并且形成组内或合作组间竞争的良好气氛,另外可以提高设计任务的难度,使任务更贴近实际,学生完成任务后也会有很强的成就感。
任课教师同课题组要签订一个完全按照科研项目开发合同拟定的任务书,任务书中明确了各项设计任务的具体要求和时间节点,也明确了评分标准和办法,甚至各项权利义务、知识产权、保密要求等一应俱全。教师要求学生在签订任务书之前要仔细阅读相关内容,要像签合同一样慎重,让学生在课程科研活动中建立风险意识、责任意识和信用意识。同时,任务书也保证了课程设计的时间进度和设计工作的质量。按照任务书规定,教师在此过程中的责任是向学生教授相应的设计方法,让学生学会使用设计软件并辅导学生完成相应的设计任务,在整个课程设计中集中授课只有8个学时,占总学时的1/5,但是教师辅导的任务很重,除了在规定集中上机时间辅导外,平时还要在网上利用讨论版回答同学的各种问题。
课题组接收到任务书之后,要进行研究、分析,将任务分解并分配给每一个成员,例如软件设计中有某个同学做算法,某个同学做界面,某个同学做图形输出,最后就可以做出一个很像样的计算软件;光学设计要求每一个组中的同学都要给出一个可以满足要求的设计结果,最后在几个结果中找出一个最好的作为全组的最后结果,这样做是为了使每一个同学都要实际参与设计,得到完整的设计训练,通过多个方案的比对,看到更多的结构形式,学生也可以取长补短,得到更好的结果,当设计达到要求的成像质量时,还要检查系统是否满足加工和装配的工艺要求,设计还要求尽可能靠上光学车间的样板,画出能够提供给结构设计和光学车间的系统图与零件图,图纸是否规范也是评判的重要依据。
在教师对所有任务完成情况、设计结果和资料进行检查并通过后就可以进行设计答辩,如果发现没有达到任务书要求,就要继续工作直到通过。
从以上过程可以看出,课程完全是按照一个正规的科研项目研究过程设置的。
1.4 教学条件与手段
在光电系和光电信息实验中心的支持下,引进了国际上应用十分广泛、也是国内企业和科研院所广为采用的光学设计软件Zemax,使学生的设计质量和难度都得到了提高,让学生从光传输的基本思想入手,更好地将本课程与社会的实际需求相联系,使学生了解光学设计软件的基本概况和使用方法,为今后获得进一步从事研究开发、科研课题组织所必须的技术基础。
在新版教材中结合课程设计的要求,增加了相关的光学工艺要求和光学图纸方面的内容。为了给学生提供便于自学和研究的丰富条件,建立并完善富有特色的课程网站是其中不可缺少的一项工作。目前课程组已经建立了拥有较完整资源的网站。
1.5 考核形式改革
考核形式改革及其被学生的接受程度也是检验本项目能否成功的一个重要标志。通常一个科研项目完成后要由委托方组织一个评审会,因此本课程的考核方法也是以答辩式评审作为主要形式。我们采用由各课题组代表组成答辩评审委员会的方法来进行考核,将设计任务分解成程序设计、光学设计、图纸和报告四个部分分别打分。当一个组宣讲完设计报告后,有几分钟提问题的时间,其他组的评审委员当场分别打出四个部分的分数,去掉最高最低分后的平均分就是这个组的答辩得分,分数出来后,专门留出几分钟给小组申辩的时间,评审委员可以根据情况自己决定是否要变更所打的分数。如果全部都在一起答辩评分,小组太多时间不允许,我们是以小班为单位进行答辩的,先考虑各班的分数平衡,然后再对各班前几名进行总答辩。答辩评分的原则是公平、公正、公开,并在技术层面制定出相应规则。在这方面教师也经历了一个观念的转变,我们一直说学生是主体,怎样体现这一主体作用,是否相信学生的主体能力是问题的关键。往往到了具体问题上就认为学生还不能承担这样的主体责任,而学生也难以摆脱依赖教师的思想,对自己作为评委尚缺乏自信。经过几届的实践我们认为,只要引进合理的竞争机制,在听取广大同学意见建议的基础上,将评分办法合理细化,答辩式评分就可以搞得非常精彩。
2 结 论
通过几年的实践探索,本课程改革取得了令人鼓舞的效果,首先是得到了学生的广泛支持、充分肯定和大力参与,他们积极献计献策,想出很多很好的办法,在我们的上述做法中不少是听取了他们的意见建议后实施的。他们的答辩演讲常常是激情四射、精彩纷呈,他们打分基本做到了客观公正、合情合理。正是由于同学们的支持和参与使得我们的课程改革取得了这样的成功。从他们的设计总结和体会中反映出,这种教学方式使他们真正投入到课程中来,虽然课程只有1.5个学分,但是他们经常通宵工作,获取学分已经不是主要目的,大多数同学认为通过本课程学习和实践,付出的努力、学到的和体验到的东西远不是学分和成绩可以衡量的。很多同学毕业以后还告诉我们这样的开课形式和内容都非常好,学到了很多普通课堂上学习不到的东西,还对巩固已经学过的知识,对了解这些知识的应用也很有帮助。
新的实践教学还更加融洽了师生关系,加深了师生感情,增强了大家的相互信任,虽然任务书中师生像是甲方和乙方的关系,实际操作中双方更像是同方队友,相互支持相互鼓励地去完成共同的任务。
虽然改革取得了初步的成功,但是我们也知道包括这类实践课程在内的工科课程改革还任重道远,我们只有不断努力、勇于探索才能适应社会发展和科技进步对人才培养的需求。
参考文献:
[1]潘云鹤.构建创新体系,实施四个计划[J].中国高等教育,1999,(8):20—21.
[2]潘云鹤,路甬祥,韩桢祥,等.拔尖创新人才培养二十年的探索与实践[J].中国大学教学,2005,(11):21—23.
[3]李晓彤,岑兆丰.应用光学在专业教育中的地位及其综合改革[J].光学技术,2002,28(Supplement):229—231.
[4]李晓彤,岑兆丰,刘向东.面向信息工程(光电)专业的几何光学教学[J] .光电子技术与信息,2005,18(3):101—102.
收稿日期:2007-08-08 E-mail:cenzf@zju.edu.cn
作者简介:岑兆丰(1957-),男,浙江省人,浙江大学教授,硕士,主要从事光学设计方面的研究。
