對光學工程的認識范文

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篇1

關鍵詞：工程光學 光學工程與系統設計 教學方法 教學改革

中圖分類號：G42 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（a）-0142-02

隨著光學技術的發展，對光學儀器和光電儀器設計的要求也越來越高，這就要求設計者具備扎實的理論基礎、較高的設計技巧和現代光學系統設計計算能力。目前，社會上對光學設計的專業人才有著越發迫切的需求，為此，高校肩負著培養具有良好光學設計能力的工程型人才的重任。

為了幫助學生鞏固應用光學專業基礎知識，掌握評價光學系統的基本方法，提高學生對光學系統的應用能力和設計能力，該校在光學工程學科研究生教學中開設了“光學工程與系統設計”課程。該課程在本科工程光學的基礎上，系統、全面地講解光學工程的理論、應用和系統設計方法，幫助學生提高在工程應用中解決實際問題的能力。

“光學工程與系統設計”課程針對光學工程學科研究生開設，要求學生具有一定的光學工程基礎知識，教學目標是培養光學工程的高級應用人才。授課內容除注重于基本概念的講解和基本原理的分析外，擬通過大量豐富的光學系統應用實例，培養和提高學生發現和解決工程問題的能力。

因此，該門課程在較短的課時內，既要有對專業基礎知識的深入理解，又要結合工程生產實踐，以解決實際設計問題為目的，使學生在系統、全面地掌握光學設計理論和設計方法基礎上，能夠獨立完成大多數典型光學部件和系統的設計工作。因此，要達到較好的授課效果，對授課教師提出了較高的要求。

在“光學工程與系統設計”的授課中，如何將理論與實際相結合，充分調動學生學習興趣，使學生逐步適應從習慣于科學理論、理想假定的學習者到光學工程專業技術人員的轉變，培養和提高學生發現和解決工程問題的能力，是重點考慮的問題。該文將對教學中遇到的問題及經驗進行做出總結。

1 “光學工程與系統設計”教學中面臨的主要問題

在該課程的教學過程中，主要存在的問題有以下幾點。

1.1 學時少，相應配套課程不完善，學生基礎知識水平不均衡

“光學工程與系統設計”課程涵蓋光學成像理論、典型現代光學系統的結構原理和光學特性、光學系統設計方法等等方面，涉及知識內容非常廣泛。在有限的學時內，要完成所有的教學內容，達到使學生系統、全面地掌握光學設計理論和方法，提高學生現代光學系統設計能力，培養學生工程素質的目的，對學生的基礎知識、綜合能力的要求都較高。而在實際教學中，由于學生可能來自于不同的本科專業，在光學工程類基礎課程方面的知識水平表現出很不均衡，相應的配套課程也不夠完善。因此，如何在本課程的教學中，如何緩這些矛盾，彌補這些缺陷，達到好的授課效果，對教師提出了很大挑戰。

1.2 學生工程意識淡薄，動手能力差，不能將理論與實際相結合

學生對工程設計的特點仍舊缺乏認識，對工程問題較為生疏，工程意識非常淡薄，因此造成了動手能力差，不能將所學的理論知識與實際應用有機結合的問題。而本課程正是以培養具有良好光學設計能力的工程型人才為目標，因此，如何理論結合實際，在對實際問題的分析與討論中，培養學生學習與發展的能力和創造性解決工程問題的能力，是重點要解決的一個問題。

1.3 學生的學習積極性問題

教育學認為：興趣是學習最好的老師。學生對所學習的課程產生了興趣，才能更加認真、更加投入地汲取課程的知識，更好地發揮思維和智力的潛能，做出創造和發明。正是由于本課程涉及內容廣泛，學生基礎知識水平不均衡，如果不能夠采取合理措施，將理論與實踐相結合，充分調動起學生學習的主動性，就更容易造成部分學生對課程喪失興趣，消極學習。因此，作為專業課程老師，怎樣培養學生的學習興趣，不使學生感覺學習過程無聊、無用而索然無味，是授課教師必須認真思考的問題。

2 教學改革實踐與探索

針對以上問題，我們在教學過程中，從教學體系、教材、課件、教學方法等多方面進行改革探索，以完善教學內容、創新教學方法為出發點，從提高學生興趣，加強師生互動，講解深入淺出，理論結合實際，融入科研內容等多方面著手，改善教學效果，取得了較好的成效。主要采用了以下手段后。

2.1 精心規劃授課內容，注意銜接，有的放矢

該課程許多內容涉及到幾何光學、物理光學、激光原理等基礎課程知識，希望學生能夠具有一定的相關基礎，在授課時才能產生較好的效果。然而，如前所述，在教學中存在學生基礎知識水平不均衡，配套課程不夠完善的問題。為解決這一矛盾，在授課體系與授課內容方面，進行了精心的規劃，力求合理。

首先，在授課內容方面，重視教材內容的科學組織，在內容的編排上注意知識本身的內在規律性、系統性及相互聯系，增強課程各個部分之間的邏輯性，有的放矢，從而節省學時，解決課程容量大與學時有限的矛盾。其次，在講授必要內容的基礎上，注意與前期課程的銜接，但并不完全依賴于前期課程知識的掌握，而是注重啟發、引導學生自主的復習、掌握、擴展原有知識，例如通過布置思考題目、提供參考文獻、課上討論等方式，幫助和鼓勵學生通過主動學習，來解決基礎知識水平不均衡的問題。同時，在授課中并不簡單的按照教材施教，而是及時結合科研項目，充分利用與課程有關的最新研究成果，補充本領域的前沿技術。

通過合理的規劃授課內容，并在授課過程中，注意銜接，有的放矢，激勵學生課下主動學習的方式，提高了教學質量。

2.2 理論結合實際，重在能力培養

本課程除了具有知識的系統性、理論性強的特點外，更重要的特點是應用性強。在工程設計中，需要靈活地運用學過的理論知識，用理論指導實踐，才能使設計朝著成功的方向前進。當設計過程出現問題時，怎樣利用理論知識和實踐經驗，來有效地進行修正，最終得到滿足使用要求的系統設計，這種解決工程問題的能力的提高，是本課程最核心要解決的問題。

為此，我們在基礎理論講授后，通過拋出一個或幾個實際工程設計問題，引導學生進行深入思考與討論，完成自主設計。例如在學習了像差理論及典型顯微光學系統后，要求學生設計一款高倍率顯微系統，針對該系統設計過程中發生的各種問題，包括怎樣從低倍率系統逐步過渡到高倍率系統，怎樣實現復消色差，以及工程實際中如何實現系統裝調等等問題，一一進行討論和分析，通過引導學生發現問題，鼓勵學生自主分析解決問題，提高學生的實踐能力。

這樣的理論與實際相結合的過程，深受學生好評，學生們一致認為，通過這樣的練習，不但加深了對理論知識的理解，更大大提高了他們發現和解決工程問題的能力。

2.3 創新授課方法，刺激學生主動學習

由于授課內容的更新以及理論與實際相結合的要求，教師在授課方法上也必須進行相應的創新，才能夠達到預期的效果。學生是課堂教學的主體，只有激發學生求知的動力，課堂教學才有可能成功。除了傳統的講授方式外，在本課程的授課過程中，更加注重啟發式教學和討論式教學。啟發式教學方法，是指通過具有啟發式的提問，激勵學生學習的興趣，從而培養學生的創造性思維能力。討論式教學方法，是指通過討論問題，積極引導學生進行獨立思考，培養學生的自主學習能力。

在具體做法上，除了采用布置思考題目，推薦參考文獻的方式外，還通過將學生分為合作小組，針對某一任務進行組內合作，然后組織各小組就各自研究成果在全班進行交流，鼓勵學生之間就技術問題進行討論、質疑與辯論，加深理解。

通過啟發式與討論式教學方法的引入，增強了師生互動，提高了學生的學習興趣，刺激學生主動學習的欲望。

3 結語

在“光學工程與系統設計”的教學中，針對存在的問題，從規劃授課內容、理論結合實際以及創新授課方法等等方面進行了教學改革的實踐與探索。通過合理地規劃授課內容，理論與實際相結合，以及引入啟發式和討論式的教學方法，注重對學生發現和解決工程問題的能力的培養，刺激學生學習的主動性與積極性，提高了教學質量，收到了良好的效果。

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【論文摘 要】《光學設計》是一門實踐性很強的課程，是光學工程和光信息科學與技術專業的主修課。本文對《光學設計》課堂教學內容的組織、教學方法的改進以及考核方式的改革等進行了探討，以期對該課程的教學改革提供方法與思路。

《光學設計》是許多工科院校的“光信息科學與技術”、“光學工程”等專業的主修課程，北京信息科技大學光信息科學與技術專業在應用光學、物理光學等必修課基礎上也開設了這門重要的專業選修課?！豆鈱W設計》是一門將幾何光學與物理光學知識與實踐相結合的學科，通過該課程的學習，學生可以系統的了解光學設計方面的知識，了解一些最常用的光學系統的設計方法，以及了解光學設計的發展方向。該課程的特點是應用性較強，涉及的內容較多，如何在有限的學時內，通過該課程的學習，培養學生熟練設計各種光學系統的能力，提高學生的分析能力和實踐能力，這對授課教師提出了嚴峻挑戰。該課程一般通過理論教學和實踐教學兩個環節完成教學內容，本文將幾年來的課堂教學工作所積累下來的心得與體會加以總結，主要涉及到教學內容的組織，教學方法的改進與考核方式的變革等。

一、精心組織授課內容，理清主線，突出重點。

光學設計課程囊括的知識點比較多，面向不同的教學對象，因為其本身知識積累就不同，而不同的教材組織方式，調強的知識重點也不盡相同，因此需要教師因人而異、不斷調整授課內容的組織方式。北京信息科技大學光信息科學與技術專業將該課程核定為32學時，在這么短的課時內，如何選擇講授的知識點來保證教學活動的完成，根據本專業的特點，我們精心組織了教學內容，主要為了理清思路，并突出重點。光學設計涉及到的內容可分為：高斯光學、像差理論、典型光學系統、計算機自動優化方法、光學系統公差分析及光學元件制圖等。高斯光學是光學系統分析的基礎，光學系統初始結構計算就是基于高斯光學理論的；像差理論是光學設計的重中之重，只有深刻了解了像差理論，才能夠自主、靈活的設計光學系統；典型光學系統包括放大鏡、顯微鏡、望遠鏡等系統，是了解實際光學系統的鑰匙，也是光學系統初始結構計算的理論基礎；而計算機自動優化方法、光學系統公差分析及光學元件制圖等是實踐性很強的內容，也是把上述理論知識與實際設計過程聯系的紐帶。只有理清了這些內容的知識體系，才能有的放矢，條理清楚的講授。我們經過探索，發現在授課時選擇一個實際的光學系統（如開普勒望遠鏡系統），從它的基本結構講起，引出物鏡和目鏡的各自特點，用高斯光學知識分析其放大率、視場角等參數，再引申到實際系統像差對像質的影響，最后講授怎樣設計這樣一個系統以及設計中應該注意的問題。這樣就能把所有要講授的內容串聯起來，學生就能更好地理清思路，知道哪部分內容的作用以及怎樣學習效率更高。另外，講解時不能一概而論，必須突出重點，每個知識模塊的學時要分配得當。比如像差理論是本課程的重點，需要占用較多的學時講解；而且像差理論這一部分應該把重點放在各種系統參數（比如，光闌大小、位置，材料折射率、相對色散等）對初級像差的影響上，因為這是一個優秀光學設計工程師必須練好的最重要的基本功。最后，處理好知識點與實際光學系統之間的關系。比如要提醒學生每一部分知識點都要結合與實際光學系統設計（包括加工、檢測）的關系來學習，做到有的放矢、思路清晰。

二、教學方法的改進

1．課堂教學與課外科技創新實踐相結合

學習基本原理知識的目的是為了更好地應用到實際生活中。我們積極鼓勵學生參加各種科技創新活動，堅持課堂教學與課外創新實踐活動相結合，強化實踐能力培養，提高學生的設計與綜合分析能力。比如，在學習了照相系統基本知識以后，我們鼓勵學生調研如今市場上的各種照相機（包括數碼相機、傳統相機、攝像機等），讓學生考察照相機的基本結構以及重要技術參數，并讓學生嘗試自己設計一臺照相機系統。這樣，學生的學習積極性得到大大提高，他們在設計過程中遇到很多問題，再重新回過頭在課堂找答案，被動接收變為主動學習，學習效率大大提高。

2．現代多媒體教學技術的使用

多媒體教學是以計算機為核心的教學手段，能交互的綜合處理文本、圖形、圖像、動畫、音頻及視頻等多種媒體信息，更豐富、更復雜的信息多媒體教學對全面提高教學質量，增進教學效果起著不可替代的推進作用?；诙嗝襟w的光學設計課程教學優勢包括：第一，圖文并茂，簡潔直觀，激發學生學習興趣，提高學生學習的主動性。比如在講授望遠系統時，我們把目前世界上的各種望遠系統圖片投影到黑板上，并列舉各系統的優缺點，使學生頓時產生了濃厚的學習興趣。第二，把教師從繁重的板書中解放出來，更有利于教師語言、人格魅力的發揮，學生可以在相同的時間內獲取更多的知識，提高課堂教學效率和教學質量。比如，在講授各種目鏡結構時，由于目鏡的種類很多，有惠更斯目鏡、冉斯登目鏡、凱涅爾目鏡、對稱式目鏡以及廣角目鏡等，一一板書這些目鏡結構和特點非?；〞r間，而且作用不大。使用多媒體就可以很快的展示各種目鏡結構以及特點，從而把更多時間放到講授目鏡選型以及設計中去。第三，教師為主導，學生為主體，二者相互有機結合，實現教與學的良性互動。比如，在學習球差與系統相對孔徑以及光闌的關系這部分內容時，我們讓學生自己提出各種參數，然后現場用多媒體計算光線軌跡并畫出光路圖、像差圖等，學生再根據像差圖提出新的修正結構，直到得出滿意的球差。在這個過程中，教師與學生不再是填鴨式的灌輸與接受知識，而是很好的互動，并激發了學生學習興趣。

3．光學設計軟件的應用

在光學設計課程教學中，為了演示光線追跡結果及光學系統在各種不同情況下、不同輸入光場時的輸出光場情況等，需要編制相應的模塊軟件。但由于編制這樣的模塊軟件工作量大、難度較高，往住使任課老師放棄在教學過程中演示復雜的光學現象，即使有人花大量時間和精力編制出一些，也因為功能不強、效果不佳而影響教學效果。我們將諸如ZEMAX、OSLO、CODE－V等功能強大的商業光學設計軟件引入光學設計課程的教學過程，可以減小設計工作量，并且使課程課件的深度得到加強，從而擴大學生的感性認知和視野，增強教學效果。

現有的成像光學分析與設計軟件主要有三種，分別為：美國Optical Research Association 公司的CODE－V軟件；Lambda Research Corporation公司的OSLO軟件；Focus Software Inc開發的ZEMAX軟件。其中ZEMAX軟件由于界面友好，容易上手，目前占據市場最大份額；我們在課堂教學中采用的也是ZEMAX軟件。該軟件可做光學組件設計與照明系統的照度分析，也可建立反射、折射、繞射等光學模型，并結合優化、公差等分析功能，是將實際光學系統的設計概念、優化、分析、公差以及報表集成在一起的一套綜合性的光學設計仿真軟件。課堂利用ZEMAX的計算與模擬功能，鼓勵學生通過自主探索，在掌握理論知識的前提下，讓學生建立相應的物理模型和數學模型，通過自己輸入參數去完成對光學系統的形象化和具體化，并對光學系統像差進行詳細了解，為進一步設計提供參考依據。例如，如果要給學生講授cook三片式透鏡組（入瞳10mm，全視場角40°）的結構以及性能，通過ZEMAX可以很形象地顯示。圖1所示，cook透鏡組的二維和三維結構圖都可以畫出，而且所選三個視場（0視場、10°視場、20°視場）的光線軌跡也可以準確畫出，這樣就使得學生有更形象、直觀的認識。如果要了解該透鏡組性能，就可以利用ZEMAX光線追跡程序快速計算出每一條光線的軌跡，并算出各種像差值。該cook透鏡組的幾種像差圖見圖2所示，這里只顯示了四種像差圖：點列圖、波像差圖、調制傳遞函數圖和場曲、像散及畸變圖。根據這些像差圖，學生可以對該系統的像差有個全面的認識，可以更進一步改進并優化結構參數。而計算實際像差利用傳統的手工計算花費時間是巨大的。 　總之，利用光學設計軟件，可以使光學設計課程授課效率更高，學生學習興趣更濃，學習效果更好。

三、課程考核方法的改革

考試已成為課程改革的一部分，與課程的實施方法相輔相成，從而更客觀地反映教與學的效果，達到拓展學生的個性，激發其學習能力和興趣的目的。傳統理工科課程通常以閉卷筆試加平時成績相結合的方式進行考核。針對《光學設計》的課程特點，我們采用了以考核綜合知識和能力為主導的考試方法。具體包括：①建立小課題，指導學生撰寫小論文。比如讓學生們調研目前流行的單反相機的原理并進行初步設計，學生通過查資料，深入調研，強化學生自己思考的過程，同時也能考察一個學生的綜合素質。②開展課堂討論，給予總結評價。這部分的考核主要是通過討論來考察學生對知識點的應用和具體解決問題的能力。③試卷考核。該部分主要考概念題和思考題，加深學生對理論基本知識的理解和掌握。

通過這三種方式來全面綜合地考察、評定學生對該門課程的學習掌握和理解程度，從而更好地反饋和指導教學。這樣的考核方法覆蓋指標更全面，考核的結果就會更客觀合理，能夠真實全面反映學生的學習情況與能力水平，有利于對學生的知識和能力進行綜合評價。

四、教師自身能力提高

教師是課程改革最直接、最關鍵的群體，因此教師的自身成長與課程的建設發展密切相關。教師的專業成長不僅僅是教學經歷和教學經驗的累積與豐富，更是教師由被動到主動參與課程決策、課程運作和課程評價，促進課程、教師和學生共同發展的過程。在不斷變革的社會大環境下，教師應樹立終身教育和終身學習的觀念，即“教育既是為了促進個人的終身全面發展，又是為了促進社會的持續發展和全面進步?！敝挥芯邆溥@樣的觀念，才能不斷解決教育中出現的各種問題，才能建構新課程條件下的目標、教學、評價體系。另外，很多人對于光學設計存在錯誤的認識，認為只要學好幾種光學設計軟件就可以進行光學設計。其實，光學設計是一種創造性的工作，它需要經驗也需要設計人員有正確的設計思想和設計理念，而軟件只是工具而已。光學設計總要從像差補償開始，如果沒有對基礎像差理論的深入、正確理解，只是按照已有參數按步就班地操作，光學設計則成了完全的技術工作，毫無思想性可言。對于這部分理論內容要有“板凳要坐十年冷”的準備，從復雜、枯燥的公式中理解設計的基礎，打好光學設計的基礎。光學設計是一門需要慢慢磨的手藝，作為教師的我們就更要負起責任，不斷提高自身水平，不浮躁、不圖快，踏踏實實的不斷學習，積極地參與科研，積累更多的光學設計經驗，這樣才能更好地講授好這門課。

五、結束語

隨著科學技術的發展，光學系統的作用越來越被重視，迫切需要光學設計的專業人才，為此高校肩負著培養具有良好光學設計人才的重任。本文對光學設計教學內容與課程設置的安排、教學方式的優化改革以及考核方式多樣化等問題進行了研究與討論，為學生更好地掌握光學設計知識、將來更好地服務于社會打下良好的基礎。

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關鍵詞：拉曼光譜；airPLS；小波變換；主成分分析

1 引言

紡織品中纖維成分含量直接影響消費者使用的舒適性，是消費者購買紡織品時主要考慮的指標[1]。而有些企業為降低成本，未對采購原料送檢就投消費者所好，標識上標注的纖維成分為100%棉。國家質檢總局于2003年至2012年期間，組織開展了6次針對床上用品的監督抽查工作，抽查發現，纖維成分含量不合格的情況主要表現為標稱纖維成分與實際不符，比如：標注為全棉，實際為棉滌產品。標注為全棉，實際為純滌產品。目前，紡織品纖維檢驗一般使用傳統的方法如燃燒法、化學溶解法、熔點試驗法等等，這些方法極易污染環境、危害檢測人員健康[2-3]。拉曼光譜是一種快速無損的分子光譜檢測方法，其拉曼位移和強度可以提供測定物質含量的相關信息，其中拉曼位移是表征分子振―轉能級的特征物理量，是定性與結構分析的依據[4-6]。

測量得到的拉曼光譜不僅包含測定物質的信息，同時也包含了噪聲、各種干擾因素，如熒光背景、基線漂移、雜散光等[7]。因此要想通過拉曼光譜來鑒別纖維成分，就應該先進行光譜預處理，以便降噪、扣除背景及基線漂移，減少各種干擾的影響，簡化后續建模過程，提高分析準確度[8-10]。

本文通過對棉滌紡織品的光譜鑒別具體問題，探索研究其合適的預處理方法。

2 試驗與方法

2.1 試驗樣品

試驗樣品全部由廣州市纖維產品檢測院提供。樣品總數為150，其中純棉樣品50份。純聚酯纖維樣品50份，棉滌混紡樣品50份。所有樣品的纖維含量按GB/T 2910標準方法測定。

2.2 光譜采集

儀器：i-Raman EX拉曼光譜儀（必達泰克，美國），激發波長1064nm，積分時間50秒，光譜范圍175cm-1～2500cm-1，光譜分辨率為9.5cm-1。所得光譜如圖1所示。

2.3 光譜數據預處理方法

拉曼光譜儀所測光譜除包含被測樣本信息外還存在噪音，同時部分樣品由于存在雜質或有熒光吸收的物質，使得光譜數據還存在熒光影響有效信息的問題，化學計量學的引入為我們更好地進一步利用光譜數據提供了有效的方法。本文主要研究自適應迭代重加權懲罰最小二乘算法（airPLS）[11-12]及小波變換方法[13-15]對光譜的預處理。

2.3.1 自適應迭代重加權懲罰最小二乘算法（airPLS）

在紡織品的拉曼光譜中，由于染料的影響常有較為明顯的熒光背景出現。自適應迭代重加權懲罰最小二乘法無需用戶中途干預且對于信噪比較低的情況可以保持有效信號不變的條件下將背景扣除。它通過迭代重加權懲罰最小二乘算法，逐步逼近背景，引入參數來調節曲線的平滑程度，將原始信號減去擬合出的背景，可得到扣除背景后的光譜信號。

2.3.2 小波變換

小波變換是繼傅里葉變換之后最受關注的信號處理方法，它繼承發展了短時傅里葉變換局部化的思想，選定一定的小波函數，可以把原始光譜信號變換，在小波域進行過濾和壓縮處理，這個過程可以去除干擾和噪聲信號的影響，提高光譜的信噪比。

2.4 定性方法的建立

傳統上拉曼光譜用于定性分析主要是根據不同物質具有不同的特征光譜，可通過光譜實現對物質的定性分析，在相同測定條件下，繪制樣品與對照品的拉曼光譜，進行比對，若光譜相同，則為同一化合物。這樣的方法對單一組分的樣本是有效的，但是對帶有干擾的多組分樣本則難以實現。為了解決這一問題，我們采用了基于多元統計分析的主成分分析方法。我們運用主成分分析方法處理光譜，其本質是通過一種最優化方法去濃縮及綜合光譜數據中的信息，從而簡化數據、降低維數，進而揭示出光譜數據的內部結構特征[16-17]。具體看來，主成分分析通過將原來光譜數據進行轉換，得到若干由原始光譜數據線性組成的新變量，新變量盡可能多地表征原光譜信息的數據特征而不丟失信息。經轉換得到的新變量是相互正交的，即新變量間互不相關，以消除眾多信息共存中相互重疊的信息部分。

3 結果與討論

3.1 背景扣除

為了消除不同顏色的染料所引起的拉曼光譜背景，我們首先采用airPLS方法對光譜進行了處理。在本方法中，懲罰參數λ需要結合光譜數據確定。λ值越大，其擬合出的背景越平滑，在本研究中，結合紡織品拉曼光譜的實際情況，我們選定λ為20，并以此對原始光譜進行處理。處理前后的光譜可見圖2，從圖中可以看出，經過處理后，熒光背景基本已被扣除，可以更加有效對光譜數據進行分析和處理。

3.2 小波處理

背景扣除之后，為了進一步去除干擾信息，提高光譜的信噪比。我們采用“db2”小波函數對光譜進行了處理。結合拉曼光譜數據的特點，采用2尺度分解，處理后光譜見圖3所示。經過此步驟處理后，變量由449減少為112個，有效地壓縮了數據，保留了有效信息。

3.3 主成分分析

為了驗證光譜預處理方法的有效性，首先采用原始光譜進行主成分分析，從圖4中我們可以看出，100%棉樣本聚成一類，但是100%滌綸以及棉滌混合的樣本則混雜在一起，難以有效地進行區分。而經過airPLS方法扣除背景，并經小波變換壓縮處理之后的主成分得分圖見圖5。從圖中可以看出，100%棉樣本以及100%滌綸樣本各自聚成一類，而棉滌混合樣本則居于兩類之間，基本符合我們對樣本的認識。這樣的結果也說明，拉曼光譜結合合適的預處理方法及主成分分析，可以有效地對不同成分的纖維紡織品進行分類鑒別。

4 結論與展望

本文研究了利用airPLS及小波變換方法對拉曼光譜數據進行預處理，對處理后的光譜數據應用主成分分析進行了鑒別，試驗結果表明，利用拉曼光譜對棉滌床上用品纖維成分現場檢驗鑒別是可行的。該方法可以現場檢驗鑒定床上用品纖維成分，對質量監督抽查部門現場“打假”起到重要的支撐作用。

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篇4

關鍵詞：LED路燈;自由曲面透鏡;二次光學設計

中圖分類號：TN31;O43

      文獻標識碼：A文章編號：1005-3824（2014）05-0013-05

0 引 言

發光二極管（light emitting diode）作為新一代的綠色光源，具有壽命長、體積小、電光效率高、環保節能等諸多優點，已經廣泛應用于景觀裝飾照明、汽車尾燈、顯示屏等領域^[1]。不同于傳統光源，LED不含汞、鉛等有害金屬;其出射光中沒有紫外和紅外光;其壽命是熒光燈的10倍，白熾燈的100倍，LED也因此成為21世紀最有價值的第4代新型光源^[2-3]。

LED路燈大部分采用的是白光LED光源，光源的輻射角分布為11001200的朗伯分布，表現為中心照射區域的光斑亮度很高，但隨著照明區域的半徑增大亮度衰減得很快^[4]。如果不經過配光，LED路燈將會在照明路面上形成一個不均勻的圓形光斑，約50%的光將會散落到馬路之外，造成光浪費，還會對遠處的行人和車輛造成眩光，達不到照明要求^[5]。所以，對LED路燈進行二次光學設計，使其照明區域的光照均勻度、形狀等滿足道路照明要求，是LED路燈設計過程中不可或缺的環節。二次光學設計屬于非成像光學領域，利用非成像光學理論設計自由曲面透鏡對LED路燈進行配光^[5]，以達到均勻照明的目的，是目前LED路燈二次配光設計常用方法。而對于自由曲面透鏡的設計，目前常用的主要有試錯法、裁剪法、數值優化法、偏微分方程法、網格法以及SMS法^[6]，前5種方法主要針對點光源，最后的SMS法則多用于擴展光源。

1 LED路燈配光特點及要求

LED的光強輻射一般以蝙蝠翼型、朗伯型、聚光型以及側射型等類型分布，其中大部分都為近似朗伯分布，即光分布是以垂直于發光面的軸線為零度角的余弦分布，其光強變化規律為

I（）=I0×cos（）（1）

其中：I0為主軸上的光強;為光線與LED主光軸的夾角。

沒有經過配光的LED光源一般產生的為圓形光斑，這樣的光源容易產生斑馬效應，而且會造成路面以外的光浪費，因此，需要通過對LED進行二次配光，使得LED路燈發出的光在路面上形成一個矩形光斑，同時兼顧眩光控制與照度均勻度，達到道路照明要求。

在城市道路照明設計行業標準中，根據道路照明的不同場合，把道路分為主干道、次干道、快速道和支路等。不同的道路有不同的照明要求，具體設計要求如表1。

2 基于非成像光學的LED路燈配光技術

2.1 非成像光學簡介

與傳統光學設計不同，LED路燈的配光設計，不需要在路面上形成清晰的像，而是要求把圓形光斑變成矩形光斑，盡可能使光線都分布在路面上，即二次光學設計。二次光學設計主要考慮怎樣把LED發出的光線集中到期望的照明區域上，進而讓整個系統發出的光能滿足照明要求。二次光學設計屬于非成像光學的研究范疇。不同于傳統成像光學系統，非成像光學不再以獲得最好的物象為目的，所以不需要在目標照明面上形成清晰的像，而是追求光能利用率的最大化，另一個不同于成像光學系統的特點在于，不再使用像差理論和成像質量來評判系統性能的優劣，在非成像光學系統中，光能利用率被用來作為系統的評價標準。目前，為了滿足道路均勻照明要求，對LED路燈進行二次配光的一種行之有效的方法是利用非成像光學理論構建自由曲面透鏡。

表1 機動車交通道路照明標準^[7]

2.2 自由曲面透鏡常用設計方法

為了讓配光過程中的能量損失較少，普遍采用光學面數量較少、對光線的反射折射較少的透鏡來對LED進行二次配光，透鏡的配光能力決定于其光學面的面型。要達到均勻照明的配光效果，這種光學面的面型需要有足夠的自由度，能同時實現系統的光強分配和照明空間角的改變，稱之為自由曲面。自由曲面透鏡結構簡單，配光效果好，是目前為止LED均勻照明最理想的配光光學元件。

目前，常用的自由曲面設計方法主要分為兩大類，一類是針對點光源的，包括試錯法、裁剪法、數值優化法、偏微分方程法和網格法，另一個類是針對面光源的SMS法（多重表面同步設計法）。其中，試錯法的可變參數多，沒有固定的優化模式，大多依賴于設計員的經驗進行，主要通過三維建模軟件solidworks、PROE或UG等繪制出光學元器件結構，再在非成像光學分析軟件中，通過非序列光線追跡來判斷照明面的照度及整個光強的分布^[8];裁剪法通過對光學透鏡的面形進行裁剪來控制波前走向，以此獲得均勻的照度或能量分布;數值優化法結合幾何近似方法與變分積分方法，對非線性二階Monte-Amphere方程進行求解，此方法最先由J.Bortz、N.Shatz等人應用于LED配光透鏡設計，主要應用于只有一個光學面的給定照度分布問題;SMS方法^[9]是針對擴展光源設計而言的，對一個配光光學透鏡，可以同時設計出透鏡的2個或多個表面的面型，通過多個光學面，控制擴展光源2端發出的2個波面，變換成給定的2個輸出波面;而對于點光源而言，常采用偏微分方程法和網格法，下面本文將對這2種方法做詳細介紹與比較。

2.3 自由曲面透鏡常用設計方法

偏微分方程法，系統效率高于82%。

圖1 自由曲面透鏡與配光效果圖

通過偏微分方程法來求解自由曲面面型，本質上是建立入射、出射和自由曲面法向矢量3者之間的矢量關系方程組，同時添加限制條件，限制條件根據光 源的發光特性以及所需照明來設定，這樣，使得方程有唯一解或者有限個解。自由曲面是一空間曲面，求解自由曲面面型數據時，首先在空間中建立三維坐標系，設LED光源位于空間坐標系的原點，自由曲面上的任意一點坐標為qθ，φ，ρθ，φ，目標照明面上的點為wx，y，z，入射光線、出射光線以及q點處的法向矢量分布用In、Out和N表示，根據Snell定律可以建立起自由曲面上點q和目標照明面上點w的關系表達式，再由能量守恒定律求得自由曲面上點q的分量與光線出射角之間的關系表達式，由此得到qθ，φ，ρθ，φ在θ，φ的一階偏微分方程，最后運用數值方法求解出自由曲面面型數據。

2.4 網格法

網格法的設計思想具有直觀的物理意義。在忽略能量損失的情況下，由能量守恒原理可知，光源發出的能量等于目標照明面上獲得的能量，采用相同的規則對光源和目標照明面進行網格劃分，每個網格內所對應的能量相等，根據這個映射關系，建立能量分配的對應關系，通過計算機迭代求解出自由曲面表面離散數據點的坐標，以及所對應的法矢量，從而確定了自由曲面的表面。

同樣，跟偏微分方程法一樣，LED視為點光源，位于原點處，建立如圖2所示的空間坐標系。其中，θ為光線與Y軸所組成的平面和Z軸的夾角，φ為光線與Y軸的夾角。由光源的余弦分布可知，沿著光線i→的光強為I0cosθsinφ^[12]，其中I0為中心光強。

圖2 LED光源空間坐標

2.4.1 劃分網格

設目標照明面如圖3所示，是一個長為a，寬為b的矩形區域，LED光源的總光通量為，目標照明面的平均照度為Ev，中心光強為I0=/π。在X軸方向已步長k等分為m份，Y軸方向上也以同樣的步長k等分為n份，這樣就得到了xm和ym的數組，對應于光源立體角來說，則在θ角上等分成m份，角等分成n份。

圖3 目標照明面網格圖

2.4.2 迭代計算

經過網格劃分后，在X軸方向有m條矩形區域，通過能量守恒定律，可以建立起光源出光方向與目標照明面上點的一條縱向對應關系，以此求得步長Δθ1～Δθm，Δφ1～Δφn。其具體步驟如下：

首先計算X軸方向上每條矩形區域所對應的能量：

EΔx=Ev·k·b（2）

每一份θ角內，以LED光源發出的能量作為研究對象，根據能量守恒定律可得：

∫θ1θ0∫π0I0cosθ·sin2φdθdφ=EΔx（3） 

則：

Δθ1=EΔxI0cosθ∫π0sin2φdφ（4）

由θ1=θ0+Δθ1，x1=x0+Δx可以得到一條光線與目標照明面上的一個點的能量對應關系：θ1，φ1→x1，y0。按照這樣的步驟依次迭代可計算出Δθ2，…，Δθm，并可得到光源光線與目標照明面上的點的縱向對應關系θφ0=fxy0，即

θ1，φ1→x1，y0

θ2，φ1→x2，y0

θ3，φ1→x3，y0

……

θm，φ1→xm，y0

按照以上建立縱向對應關系的方法，建立能量橫向對應關系，以此得到步長Δφ1～Δφn。

在目標照明面的Δx，Δy范圍內，由能量守恒可得：

∫θ1θ0∫φ1φ0I0cosθ·sin2φdθdφ=Ev·k2（5）

則：

Δφ1=EΔx，ΔyI0∫θ1θ0cosθsin2φ0（6）

由φ1=φ0+Δφ1，y1=y0+Δy可以得到一條光線與目標照明面上的一個點的能量對應關系：θ0，φ1→x0，y1。按照這樣的步驟依次迭代可計算出Δφ2，…，Δφm，并可得到光源光線與目標照明面上的點的縱向對應關系φθ0=gyx0，即：

θ0，φ1→x0，y1

θ0，φ2→x0，y2

θ0，φ3→x0，y3

……

θ0，φn→x0，yn

這樣，可以依次迭代求出光源光線在整個空間坐標系中與目標照明面上點的對應關系：即θm，φn→xm，yn。

迭代計算時，首先確定透鏡的一個初始計算點，應用反射定律求得自由曲面初始點的法向量，從而確定該點的切平面，再由該切平面與第二點的入射光線相交確定第二點?？傮w思想是，通過前一個點的切平面與下一條光線相交求得下一點，通過計算機迭代計算出自由曲面所有點的坐標，由此得到自由曲面的面型。

3 LED路燈自由曲面透鏡設計方法的比較  

無論采用哪種自由曲面透鏡設計方法，最終的目的都是要讓LED路燈的配光達到道路照明要求。上述的自由曲面透鏡設計方法各有優缺點，如表2所示。

其中，偏微分方程法求解自由曲面，目的性強，計算速度很快，可以很快得到面型的數據，而且沒有試錯法中反復優化的過程，但是，由于偏微分方程組復雜，求解過程麻煩，這類方程的可解性也很低，要求設計人員有扎實的數學功底和編程能力，并且偏微分方程法多適合點光源，對于擴展光源，多用SMS法。

網格法比較直觀，根據能量守恒，建立光源與目標照明面的映射關系來求解面型數據，并且可以通過對網格的細化，可以得到更加精確的結果。網格法可以解決復雜照度分布的問題，求解上比偏微分方程法簡單，設計效率高，不用進行誤差校驗，是一種行之有效的自由曲面透鏡設計方法，具有良好的研究前景。

4 結 論

近年來，LED路燈的應用越來越廣泛，對LED路燈二次光學設計的要求也越來越高，二次光學設計也逐漸成為非成像光學中的一個重要研究方向。本文簡要介紹了LED路燈自由曲面透鏡的設計方法，并就現在最常用的2種設計方法做了詳細介紹與對比，認為網格法具有良好的發展前景。目前，對于點光源的二次配光設計問題，已經有相當成熟的解決辦法，但是對于擴展光源來說，還需要進一步提出比較成熟的解決方案，加快LED路燈應用于更加廣闊的領域。

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篇5

關鍵詞：物理光學；應用光學；教學實踐；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）21-0077-02

“物理光學與應用光學”是信息光學的重要技術基礎，是電子信息科學與技術專業的學科基礎課。物理光學從光的電磁理論出發講述了光在各向同性介質、各向異性介質中的傳播規律，光的干涉、衍射、偏振特性。應用光學不涉及光的波動本性，以光的直線、獨立傳播、折射、反射等實驗定律為基礎，研究受限光束的成像，特殊光電傳播過程的規律；在光學系統中進行光路追跡，研究光學系統成像特性、應用及初步設計。通過“物理光學與應用光學”課程的學習不僅使學生建立起有關光的電磁理論的完整體系，能夠運用光的電磁理論分析光的波動性、光在不同介質（包括物理光學元件和幾何光學元件）中的傳播和控制問題，能夠解決光電工程中的基本光學技術問題；同時還能使學生了解現代光學的發展和前沿，以及在光電技術中的應用；為“光電子技術”“激光原理”“光纖通信”等后續課程的學習打下基礎。因此，“物理光學與應用光學”課程是“現代光電子”“光學信息處理”“光纖通信”“光電傳感技術”等課程的重要基礎理論課程，也是光通信、光電子、光信息、光學工程類專業的考研課程。

一、“物理光學與應用光學”課程的內容及特點

內蒙古工業大學電子信息科學與技術專業從2006級學生開始開設“物理光學與應用光學”課，其內容包括：光在各向同性介質、各向異性介質中的傳播規律，光的干涉、光的衍射，幾何光學基礎，理想光學系統，光學系統的象差基礎，光學儀器等。從教學中發現學生學習該課程時感到很吃力，通過調查發現主要因為以下幾個方面：一是由于中學的光學知識少而簡單，與大學“物理光學與應用光學”知識跨度很大；二是物理光學部分涉及到的理論用到的數學知識太難；三是應用光學部分概念、公式多且抽象難記；四是本課程數學公式推導繁雜使學生望而生畏，難以提起興趣；五是內蒙古工業大學的“物理光學與應用光學”課程純理論，無相應的實驗；六是教材和課堂教學與實際應用、當今光學領域的前沿技術脫節，學生對光學的運用和前景感到迷茫。因此，加強對“物理光學與應用光學”基礎課的教學研究、適應教學要求和學生學習要求，充分調動學生的學習積極性，提高教學質量十分必要。

二、教學內容及方法的改進

考慮到“物理光學與應用光學”課程的重要性，根據該課程理論性較強、概念較抽象的特點，為了提高學生學習“物理光學與應用光學”課程的積極性，從教學內容、教學方法、教學手段、教學課件、加強實踐性教學環節等方面進行了調整。

第一，從教學內容上進行調整。自2007級學生開始，增加了ZEMAX光學設計軟件的介紹。ZEMAX是一套綜合性的光學設計仿真軟件，可做光學組件設計與照明系統的照度分析，也可建立反射、折射等光學模型，并結合優化、公差等分析功能。通過該部分內容的學習，學生能夠初步設計出簡單的單鏡頭及雙單鏡頭，增強了學生的動手能力，可以適當輔助對概念的理解。

第二，在教學方法上進行適當調整。在物理光學部分適當減少繁雜的數學推導，注重物理思想的講解；物理光學部分數學推導往往是繁雜、冗長和枯燥的，要耗費大量的課堂教學時間，而且容易使學生望而生畏。簡化數學推導，以光學中的光學定律和物理問題為線索，讓學生了解光學定律的適用范圍可以提高學生的學習積極性。比如光的電磁理論部分菲涅耳公式的數學推導比較繁瑣，而且公式難記，為此在教學中不要求學生掌握推導公式，而要求學生會用公式分析反射系數、透射系數及反射率、透射率與入射角和界面兩邊折射率的關系即可。在教學過程中注重對比，如在講解邁克爾遜干涉儀、馬赫澤德干涉儀及法布里干涉儀時，對三種干涉儀的工作原理及應用進行比較，學生掌握起來更容易；在講解衍射問題時將單峰衍射、圓孔衍射、矩孔衍射及多縫衍射的實驗裝置，衍射圖樣的特點及亮暗條紋的位置，條紋寬度等對比講解，學生在對比基礎上理解記憶的效果更好。在幾何光學的成像問題中，將單球面折射、球面反射及透鏡的成像進行對比，包括成像公式、焦距的表達式及放大率的公式進行對比，在光學儀器部分將放大鏡、顯微鏡及望遠鏡的放大率進行對比，這樣更有利于學生對公式的理解記憶及應用。

第三，在課件制作上加入phy3D演示。如，講解凸凹透鏡的成像、球面鏡的反射成像、玻璃球的成像在推導完成像公式時要進行相應部分的光路圖的phy3D演示，這些演示可以任意改變物距、像距或焦距，學生能夠直觀地觀察到這些系統在成像過程中物距、像距和焦距之間的關系，彌補了枯燥的單純理論計算的缺點。再如，在講述邁克爾遜干涉儀時通過3D演示，學生可以清楚地看到光的傳播過程，通過調整兩鏡的距離及位置看到干涉圖樣的變化，有助于加強理解。光的衍射問題向來是學生理解的難點，通過phy3D的演示學生能夠清楚地看到障礙物尺寸變化時衍射圖樣的變化。

第四，加強實踐性教學環節。為了培養復合型的實用人才，要求學生必須具有一定的實際工作技能，以便走上工作崗位后能很快地適應工作環境。因此，為鍛煉培養學生的實際操作能力，增強學生畢業后的工作適應性，教學中必須高度重視實踐教學環節，而畢業設計正好能增強學生的光學設計水平，從而培養出既有理論又有實踐水平的高級專門人才。自引入ZEMAX光學設計軟件以來，物理系三屆畢業生中已有七名學生用ZEMAX光學設計軟件完成了畢業設計，且設計效果良好。

第五，改革考試內容和考試方法，命題從以知識立意為主轉變為以能力立意為主，加強了概念題、應用題以及與圖形結合的判斷題，適當出一些開放題、討論題；改變一卷定總評的情況，采取措施多元化測試學生的能力，比如將學生論文、平時作業成績、期中考試成績、期末考試的分數折算計入總評等，每次考試后都堅持進行分析評估，找出教學中的薄弱環節。

三、教學中還存在的問題及今后的計劃

第一，“物理光學與應用光學”是內蒙古工業大學電子信息科學與技術專業的學科基礎課，目前沒有設置相應的專業實驗，理論和實踐有所脫節，加大了學生對理論理解的難度。

第二，沒有將光學的最新發展融入教學。針對以上問題，一是應盡快引入演示實驗，利用實驗室現有的儀器設備進行演示；通過實驗能使學生接觸并使用一些典型的光學系統為學生后續專業課程的學習和今后的工作中利用或組合這些光學系統進行創造性工作打下基礎。二是增加現代光學基礎內容，將光學的最新發展和研究成果融入講授內容，使學生能緊跟科技發展步伐，這樣不但可以擴展學生的基礎知識，還可以開闊學生的視野，激發學生的學習興趣，同時可以使學生了解學科前沿的概況及其發展動態，進一步拓寬學生的知識面，使他們的知識結構更趨合理。三是教學內容的重點和難點應通過課前預留預習作業與課后作業的方式分解消化；上課時應針對重點和難點問題采用討論式等多種教學手段，以培養學生的創新精神和自主學習的能力。四是充分利用現代信息技術手段，將傳統教學手段和輔助教學方式相結合，提高教學效果。針對課堂教學的重點、難點，利用CAI課件、錄像、網絡資源等增加學生對知識的感性認識，幫助學生掌握教學內容。五是在完成基本教學任務的前提下，針對不同層次學生的需求，適當擴充一些知識，這樣既可以鞏固所學知識，還可以提高學生的動手動腦能力，為將來的就業打下一定的基礎；對有志向考研的學生，可以提前給他們提供一些重點院校的考試真題，讓他們有所準備，并能夠根據自己的能力選擇合適的院校，以免到了大四盲目選擇考研院校。

以上是筆者從事“物理光學與應用光學”教學的一些體會、所做的改進與嘗試以及下一步努力的方向，希望通過改革使“物理光學與應用光學”課程的教學質量有所提高。

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篇6

關鍵詞: 《光纖通信》教學方法教學工具考核方式

通信產業已成長為國家的支柱產業,而光纖通信技術已深入到社會生活的各個層面,成為現代社會重要的關鍵基礎設施。因此《光纖通信》課程近年來一直作為國內外高校通信、電子學科的重點專業課程。該課程對于學生理解各種通信技術至關重要,其目標是掌握光纖通信系統的基本原理、組成部分、基本應用技能等。學生畢業后應能夠從事光纖數字通信設備的操作、維護、故障排查,以及簡單的工程設計、施工等工作[1]。因此提高此課程的教學質量對提高電子信息類專業的教學質量和學生的專業素質具有重要意義。我在講授《光纖通信》課程時,在教學引入方式的改進、多種教學方法的采用、現代化教學工具的使用、良好師生關系的建立、考核方式的改革等方面進行了探索和總結,取得了較好的教學效果。

1.改進教學引入方式,激發學生學習興趣

《光纖通信》需要《大學物理》、《電子技術基礎》、《通信原理》等課程作為學習的基礎。了解到學生在初學這門課程的時候存在入門難,進入狀態慢,容易知難而退等現狀,教師應適當地引導學生回顧一下課上要用的以前所學的知識點,幫助學生突破難點內容,有利于學生的進一步學習。例如講到《光纖通信》第三章通信用光器件時,半導體激光器和光電二極管的工作原理是本章的重點,也是學生理解的難點。學生理解的難點主要與模電知識有關,所以在講授之前,我首先簡單回顧一下模電中所學的半導體的相關知識,在有了上述基礎知識后,再講解半導體激光器和光電二極管的工作原理。我經過教學實踐,發現以此種方式講解后會使學生更容易接受一些。

此外,在講述該課程的緒論時,教師要注意激發學生的學習興趣,講清楚學習這門課的目的。授課之前,教師應讓學生明白:(1)本課程要研究的問題是什么;(2)本課程的任務和地位;(3)為什么要學習該課程。其次在講述各章之前教師首先讓學生明白本章與前后章節的關系,本章的主要內容和重點內容,本章用什么樣的方法來解決什么樣的問題,有什么優點,然后逐一講述具體內容。最后在授課結束后,教師應以系統的方法對課程內容

進行復習,使學生加深對本課程的理解和掌握。

2.采用多種教學方法,調動學生學習積極性

心理學告訴我們:“興趣是人們對事物的選擇性態度,是積極認識某種事物或參加某種活動的心理傾向,它是學生積極獲取知識形成技能的重要動力?！盵2]如何才能使學生對《光纖通信》這門學科產生興趣呢?教師首先要對自己的教學一往情深,語言神態要充滿濃厚的情趣。課上傳授知識的時候,教師要做到動靜結合,投入且有激情,善于用眼神和學生交流,善于從學生的面部表情中讀出他們對問題的理解程度。語言要有輕有重,抑揚頓挫,必要的時候,教師應停頓一下給學生思考、接受的時間。在講授的過程中教師還可采用提問的方式來吸引學生的注意力,激發學生學習的積極性,培養學生主動思考的能力,使學生帶著問題去學習,將被動學習轉為主動學習。

其次,教師要按不同的教學內容優化教學方法,精心安排,設置情景,使學生產生高昂情緒和精神振奮的心理狀態,情不自禁地進入到教學之中。如:在第三章通信用光器件的“光源”章節,光纖通信系統中使用的光源主要是半導體激光器和發光二極管,關于這兩種光源的基本原理、特性和技術指標在教材中敘述已非常經典,我就結合多媒體課件從復習舊的物理光學知識入手,結合光纖通信系統對光源的要求導入新課。學生在我和多媒體的富有激情的講解中同樣接受了“光源”知識。而在第四章光端機的“光接收機”章節,考慮教材對光接收機介紹的重點放在前置放大器、主放大器、均衡器、時鐘提取和判決電路的電路構成、電路工作原理的描述上,而實際現代光纖通信系統中很多電路都已經模塊化了,我利用教材將分離元件電路作為原理電路進行講解,然后把“教”為中心變為“學”為中心,鼓勵學生上網、上圖書館、聯系生產經營單位對光接收機進行了解。學生的主體作用得到充分發揮,他們通過這種學習了解了光接收機的工作原理、結構、生產廠家、型號、命名格式與發展前景等,思維被激活,獲取了比課堂上豐富得多的知識。

3.使用現代化的教學工具,優化教學效果

現代教學正運用多種教學媒體及與其配套的軟件資料,在教師精心設計指導下,進行優化組合,使教學發揮多種媒體的優勢,讓學生接受直觀、形象、生動、活潑的文字、圖形、視頻和音頻等媒體信息,調動學生視覺和聽覺功能同時發揮作用[3]。教師應將課程中的一些難理解的工作原理應用多媒體技術使學生從直觀性、趣味性、形象性、深刻性和藝術性幾個優勢中取得突出的結果?，F代多媒體教學容易激發學生的學習熱情,引起學生學習興趣,這對提高教學質量和教學效果將是一個很大的推動。如:在教學“光源”時,本來這節課的內容是相當枯燥的,為了激發學生學習興趣和欲望,我采用Flash設計了可見光源、穩定光源和寬譜線光源的工作原理及特點比較圖,特別用動畫形式把穩定光源的光功率和電流關系、發光功率和溫度的關系、輻射功率的方向性、光譜特性等描繪出來[4],這樣原來教材中的一些圖片由靜態變動態,知識形成的全過程淋漓盡致的呈現在學生眼前,把枯燥的知識和生動的情景有機的結合起來。這樣不僅形象地展示了光纖通信系統所用光源的基本原理,而且激發了學生做進一步學習、研究的興趣,從而更深刻地掌握了這部分內容,并有助于學生擺脫應試教育,提高學生探索未知領域的興趣和實踐能力。

4.建立良好師生關系,創造實現教育目的的條件

良好的師生關系,是學校教育目的得以實現的重要條件,是教育工作者努力的目標,同時也是反映教育質量的指標之一。大學老師除教書育人之外,還要承擔科學研究、社會服務、政策咨詢等多種任務。這就決定了大學教師即使是班主任,也不可能每天和學生呆在一起,他們與學生的心理距離因此沒有中學教師與學生的心理距離那么近。而《光纖通信》等課程是通信專業的專業選修課,多數學生本身具有一定的興趣,并且多數授課教師素質和水平都比較高,學生普遍地欽佩專業課老師。教師在上課時,首先將自己的聯系方式包括電子郵箱告訴學生,希望學生在碰到問題時找自己,這樣可加強教師和學生的交流。教師了解了學生的學習和思想狀況,可對學生進行學業和人生的指導,幫學生解決學習、生活等方面的困惑;學生在交流中也能體會到老師的學識、智慧、思維風格和對生活的洞察力等,自然而然對教師發自內心地產生欽佩和欣賞的情感。學生在學習的過程中,一開始興趣濃厚,接著遇到難題,加之一定的惰性,難免會有一時的松懈,在這個時候,教師的監督提醒顯得尤為重要?，F在一般是大班上課,作為主講老師,讓每一個學生感覺到老師的關心有一定的困難,但此事一定要花精力去做,否則會影響到后續章節的學習。教師可以在上課的時候走下講臺,在學生中間邊走邊講,關注學生的筆記情況;為了加深學生對課上所講重要知識點的理解,課堂的富余時間可以做一個小測驗,看學生的聽課情況。如果時間、精力允許,教師最好是關心到每一位學生的學習和成長。

在《光纖通信》教學中,良好的師生關系能吸引學生,讓學生有被重視的感覺,使學生容易得到啟迪、激勵和指導,從而使其勇于探索自己感興趣的東西,提高專業興趣,實現教學目的。

5.改革考核方式,實現教學目標

學生的創造性往往是在探索學習的過程中閃現出來的,而傳統意義上的教學測量和評價,只注重結果的“對或錯”,忽視了學生的學習過程及對過程的評價。這就需要教師在教學評價上做出相應的調整,及時發現每位學生的閃光點,給予鼓勵和引導,促使學生不斷樹立信心。同時,教師還應注意對學生學習過程的反饋,使學生獲得成就感,并不斷對學習進行深入探究。

《光纖通信》是為通信專業學生開設的專業課程。以往課程考試主要以理論考試為主(占70%),平時成績為輔(占30%)的形式進行。但是我們發現除必要的光纖通信理論知識學習之外,實踐性環節的教學非常重要,是培養學生良好的操作習慣和操作技能的必要環節。所以在《光纖通信》課程的考核方面我做了如下改進:(1)考核方式上,加大平時成績和實驗成績的比重。具體為學生的實驗成績(平時實驗成績+操作技能考試成績)占50%,平時成績(包括考勤、作業、讀書心得)占10%,期末理論考試成績占40%。(2)考核內容上,考試把傳統的注重計算轉移到注重分析和綜合上。在強調考核基本概念和基本定理的同時,加大綜合題的比重,比較客觀地考查學生的學習情況。這樣,教師在報告學生成績時,就不會以一次測驗分數定終身,而是綜合考慮各方面因素,從不同的角度反映學生的水平。學生對這種考核方式很感興趣,與教師一道共同努力,促進了教學目標的全面實現。

以上是我在《光纖通信》課程的教學實踐中形成的幾點心得體會,由于教學經驗有限,因此,如何在教學過程中進一步發揮學生學習的積極主動性,提高學生分析問題、解決問題的能力,優化本課程的教學效果,為通信行業培養更多、更好的人才有待進一步的研究和實踐。

參考文獻:

[1]劉增基.光纖通信[M].西安:西安電子科技大學出版社,2001.

[2]教育部人事司.高等教育心理學[M].北京:高等教育出版社,1998.

篇7

關鍵詞 初中物理；多媒體技術；實驗

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）09-0093-02

1 前言

伴隨當今多媒體技術的日益發展與完善，將多媒體技術直接應用于教學，能夠將教學內容化隱為明、化靜為動、化難為易，可直接揭示事物的內在聯系及本質內容，已然在學校課堂教學中引起廣泛熱潮[1]。并且多媒體技術憑借其動靜皆宜、聲像俱佳及圖文并茂的內容表現方式與形式，將原本枯燥、乏味的物理課堂帶入多彩而又全新的境界。結合多年的初中物理教學實踐，筆者談談應用多媒體技術設計課堂的幾點體會。

2 運用多媒體技術開展情境教學

在物理課堂教學中，運用多媒體技術可以創設符合各節教材內容的教學情境，通過氛圍的渲染，教師可將學生引入形象、直觀、虛擬化的場景之中，讓學生有種身臨其境之感，學習物理的熱情與情緒會因此而倍增，學習態度也會從以往的被動狀態轉化為積極主動。

如在“溫度”教學過程中，教師可以首先運用多媒體分別展示幾幅相同季節具有強烈溫差對比的圖片，如吐魯番盆地的“早晨穿皮襖、中午穿紗，晚上抱火爐吃西瓜”的圖片，北國萬里雪飄、千里冰封的圖片等。通過展示這些圖片，能夠使學生享受美的熏陶，聯想冷熱感覺，進而加深與強化對溫度這一相對抽象概念的理解與感知。

又如在對“重力”內容講解過程中，當講到重力伴隨地理位置的變化而改變時，教師可在課堂中運用多媒體技術播放航天員景海鵬、陳冬在天宮二號空間實驗室工作生活的場景片段。這樣不僅能夠增加學生的知識量，開闊其視野，而且可以體會失重的感覺，感受遨游太空的情境，在不知不覺中便會加深對重力的理解與認識。

3 利用多媒體突破傳統媒體教學的重難點問題

多媒體課件具有教學信息媒體交互性、集成化及多維化等特點，能夠極大豐富與提升事物表現力，不僅對信息加工具有較好的輔助作用，而且可以更好地培養學生的個性與思維創造力，易于對物理學中重難點問題的有效突破。從事初中物理教學工作的教師都知道，初中物理知識架構中，折射定律與光的反射乃是其重難點，如果采用傳統形式的教學媒體就光的折射與反射等難點進行揭示，往往難以收到理想的效果。學生在對這些內容進行理解時，通常會感覺比較抽象與難懂。

為了能夠更好地解決此類問題，促使學生對這些重難點知識更好地理解與掌握，筆者在課堂教學中運用Flash及Powerpoint等課件，通過創設逼真情境，營造情境，渲染氣氛，對光的傳播以現場實際操作與多媒體結合方式進行演示，演示光從不同方向射向界面所產生的折射與反射現象，使學生通過細致觀察演示過程，總結其中所內藏的規律。最終反饋結果可知，運用多媒體課件輔助教學，大部分學生均能掌握光的折射定律、反射定律以及光路圖的繪制難點等，還能綜合化運用所學知識，對一些與光的折射與反射相關的問題進行解釋[2]。

在教師講解電路斷開之后，電路中有電壓而無電流時，許多學生對此表示難以理解，而運用計算機所具有的“虛擬現實”的特點，對此進行模擬，將這些原本抽象、繁雜的物理現象，以一種形象、生動的方式逼真地展示在學生面前，促使學生從中認識到斷開電路時，導體當中依然存在電力，只不過是未發生定向移動，所以無電流，這樣在無形中便將物理教學中的難點問題成功突破。

運用多媒體為教學提供輔助，能夠將物理現象當中許多不可見因素及其內在規律，以一種切合實際而又逼真的方式展現在學生面前，發揮出其化抽象為形象及化無形為有形的作用。另外，還可起到降低思維難度及轉換思維模式的作用，最終獲取傳統教學方式無法比擬的教學效果。

4 運用多媒體技術對物理實驗進行模擬

實驗與觀察乃是物理學基本而又核心的方法，諸多定律、定理均基于實驗與觀察經總結與歸納而得到。將物理實驗做好，對于培養學生實驗能力，實現學生物理興趣的提升，具有十分重要的作用與現實意義。生動有趣、豐富多彩的物理實驗是物理課程重要的內容構成。因各種客觀因素限制，許多物理實驗難以分析與判斷其過程。利用多媒體技術，能夠對實驗進行模擬，并控制實驗的速度，對教與學的進度實施調整，在計算機與教師的協同配合下，能夠達到培養學生實驗能力的目的。此外，對物理實驗進行模擬，能夠幫助學生抓住對象的變化過程及主要特征，就對象變化的現象與條件進行細致觀察，有助于培養學生的認真度[3]。

如“凸透鏡的成像規律”實驗，此實驗是整個初中物理教學中的重點實驗內容，過程較復雜。在學生實驗之前，教師可運用多媒體，以圖文并茂的方式將操作要求與步驟展示出來，然后要求學生依據步驟與要求進行實驗。而對本實驗結果的切實理解，乃是光學中的知識難點。至此，在對這節課進行總結時，教師可運用多媒體技術再現學生實驗過程，找出兩個凸透鏡成像的重要D折點，即二倍焦距處于焦點，物體移動至焦點，則像越來越大，像距也隨之越來越大。這樣便可幫助學生更為詳細地理解此規律。

又如在“通電導線在磁場中的作用”教學過程中，整個教學內容略顯單調，學生對知識點較難理解。在演示實驗過程中，磁感線的方向與分布不會體現出來，學生對此往往無計可施，因此，教學效果就不太理想。教師如若運用課件進行演示，先將少許鐵屑放置于馬蹄形及條形磁鐵上方位置處的玻璃板上，然后對玻璃板輕輕敲擊，此時畫面便會呈現出有規律的磁感應線圖形；運用電子投影儀將其放大，這樣便更加形象與直觀，學生對此也會一目了然。教師基于實驗，對磁感線進行繪制，便可幫助并引導學生較好掌握“左手定則”的規律。如此生動的實驗教學，不僅能夠實現學生視野的開闊，而且可以陶冶學生的情操，豐富學生的知識。

5 巧設懸念，促進探究

懸念乃是由學生不滿足于解決的問題而形成的一種思維方式。在初中物理教學中，適時、適當地創設懸念，能夠讓整個教學過程形成一種學生對新知渴望的探索，激發學生追求知識的內在需求[4]。創設懸念能夠促使整個課堂充滿活力與生機，產生凝聚力與吸引力。教師在課堂中恰當、巧妙地提出內涵豐富而又耐人尋味的物理問題，能夠喚醒學生對物理知識探究的興趣與熱情，進而發揮出學生的能動性與主體作用，增強其發現欲與好奇心。利用多媒體技術創設懸念，營造氛圍，能夠把教材知識以聲音、動畫及圖像的方式向學生展示，學生在此種虛幻般的學習環境中對物理知識進行學習，會更有興趣。

教師依據學生在學習中對某些知識的理解與掌握存在的不深入、片面的狀況，故意讓學生在本以為正確答案的回答中暴露出存在的問題，然后以推理或實驗的方式使W生恍然大悟，悟出其中的真理與規律，使學生對此能夠有一個更加深刻的印象，進而推動教學的深入開展，讓整個物理課堂更生動、多彩。比如在“機械運動”教學過程中，當將參照物概念引入時，教師可運用課件，展示某廣場在建一棟高度達396.4米的大樓，工人們正在緊鑼密鼓地忙碌著。突然天空中飄來一片彩云，正好位于此高樓的上方，位于廣場不遠處的許多人高聲喊道“大樓要倒了”，引起在大樓附近的許多人都驚慌失措，紛紛狂奔而去。工程人員通過細致查證之后，指出此大樓一切正常，無倒塌跡象。

看到這里，學生在下面開始小聲議論：“大家為什么都認為這棟大樓要塌了呢？”教師以這一現象為開題，引入參照物概念，當給出出乎意料的答案之后，學生都為之一怔；然后是再深入啟發學生，使其對參照物的意義進行理解，這樣學生對此概念的認識便會進一步加深，進而為新課教學的開展奠定基礎，激發積極探索、自主學習思維，達到“未成曲調先有情”的教學境界。

6 在課堂教學中應用多媒體技術需要注意的問題

在課堂教學中，不能只注重知識的灌輸，也不可讓學生脫離教師，一味地與機器進行交互學習。多媒體教學需將學生在學習當中的主體作用及教師教學的主導性充分體現出來，這樣方能更好地體現出多媒體輔助教學的積極意義?？傊?，在課堂教學中應用多媒體技術，需要注意下面兩個問題。

不能代替物理實驗 物理是一門實驗內容豐富的學科，物理實驗不僅是得出物理理論的基礎與前提，而且是支撐生產實踐的核心要素，物理實驗并不能因多媒體技術的運用而被取代。物理實驗需要讓學生親自觀察與操作，讓學生從實驗中獲取一手資料。當然，針對一些受到客觀條件限制而不能進行的實驗，可以運用多媒體技術對其進行模擬輔助，加深學生的認識。

酌情使用多媒體教學 多媒體的輔助教學作用，需以教學質量提升為前提與基礎，需與教師教學緊密配合。多媒體教學需將傳統教學的優秀部分發揮出來，不能使用多媒體后，便忽視了傳統教學的優勢部分，不可顧此失彼、擺花架子。由于各種教學手段有其專屬的特點與功能，在教學過程中需取長補短、相互補充。

在初中物理教學中，運用多媒體技術為其提供輔助，能夠讓整個課堂教學變得更為生動、有趣，還能夠有效調動學生學習的積極性與主動性，使學生從物理學習中感受隱藏的快樂，通過挖掘探究，體會成功的。物理實驗需要多為學生營造優質、和諧的探究氛圍，釋放學生的個性與創造性，提升物理課堂教學的適度開發性與活躍度，從而取得更理想的教學效果。

參考文獻

[1]王風山.多媒體技術在物理課堂教學中的合理運用[J].技術物理教學，2012，20（1）：24-25.

[2]葛玲玲.如何充分發揮多媒體在初中物理課堂教學中的作用[J].考試周刊，2013（21）：159.