课程思政(121) || 《光学系统设计软件》融入思政元素探索

前言：高校的根本任务在于立德树人，为党育人、为国育才。为全面深入推进我校课程思政建设，发挥好每门课程的育人作用，让所有教师、所有专业、所有课程、所有课堂都承担好育人责任，守好一段渠、种好责任田，使专业课程与思政课程同向同行，形成协同效应，我校组织开展了第二批“课程思政”优秀案例评选活动，评选出8个课程思政建设总结案例奖（单位奖）；10个优秀案例特等奖（个人奖）、32个优秀案例一等奖（个人奖）、58个优秀案例二等奖（个人奖）。为充分发挥优秀案例的引领示范作用，教务处通过此专栏搭建学习交流平台，总结课程思政教学经验，展示课程思政建设成果，供老师们参考、学习和借鉴。

本期分享：《光学系统设计软件》融入思政元素探索

吕洋，男，光电工程学院校聘副教授，2020 年 6 月博士毕业于广东工业大
学材料物理与化学专业，主讲课程有《光学系统设计软件》、《普通物理Ⅰ》。

一、课程及案例简介

《光学系统设计软件》课程学分 3 学分，学时 48 学时，理论教学和上机各
24 学时，课程适用的专业包括光电信息科学与工程、光源与照明专业和测控技术与仪器等。

课程思政设计理念：光学工程是一门古老的学科，远古时期人类就利用光作为能源和信息传递的工具。人类所获取的信息 70%来源于视觉，因此光学器件的研发和应用是非常需要的，光学设计软件的使用是推动光学器件发展的重要途
径。本课程除了讲授光学设计系统的基础知识，还重视课程与热门领域交叉的讲授，课程内容体现国际前沿，服务思政育人和专业建设。

总体思路：本教学案例聚焦“光电信息科学与工程”本科专业的教学实际和最新发展前沿，结合理论教学和上机实验方法进行讲授，围绕立德树人根本任务，培养学生多方面的能力和素质。

实施效果：通过上机实验，培养学生的自我思考能力，实现学生的个性发展，
高质量完成德育教学目标。

二、结合章节

第一章第一节《ZEMAX 介绍》

三、教学目标

(1)通过《ZEMAX介绍》章节的学习，了解课程的研究对象、内容，课程的性质、特点、任务和学习方法，了解光学设计软件在国防与航天、社会与发展、生产与生活中的典型应用。

(2)基于课程的了解，明确当前国内关于光学设计软件方面的短板，使学生对本课程涉及的专业知识和技能在国家发展中的重要作用有所感悟，从而在学习动机上使学生坚定国家的方针政策和科学发展理念的认同，引导学生树立科技兴国的理想，牢固树立为建设中国特色社会主义伟大事业而奋斗终生的坚定信念。

(3)培养学生自我思考的能力和动手能力，通过上机实验发现问题并解决问题，实现理论学习和实践的有机结合，高效、有质地完成教学目标。

四、案例意义

本次课程选用的《ZEMAX介绍》案例主要介绍目前光学设计软件的发展以及应用领域，突出光学设计软件在国防与航天、社会与发展、生产与生活中的重要作用，明确国内光学设计发展遇到的“卡脖子”问题。通过“卡脖子”难题，培养学生国家忧患意识，激发学生科技兴国的爱国理念，勇担民族复兴使命，发扬时代精神。通过课程的学习使学生充分认识到目前我国科技产生面临的难题，让学生坚定我国各项国策方针，牢固树立时代赋予的使命，勇于承担使命的责任，激起学生学习报国的理想信念，从而在学习动机、学习兴趣上得到进一步的思政教育。

五、教学过程实施

首先介绍本课程涉及的主要内容，分为理论和上机两部分，理论部分包括像差理论的学习（原理、数值表示（计算）、校正方法）、各种像质的评价方法、外形尺寸设计（计算方法），上机部分包括使用 ZEMAX 表征镜头的成像质量、对镜头进行优化和使用 ZEMAX 设计镜头：望远物镜、显微物镜、照相物镜等。

通过图 1 中介绍光学设计涉及的应用领域以及重要作用，使学生对本专业的
重要性有所了解和感悟。

图 1

光学设计软件介绍：

(1) LucidShape

是汽车照明设计任务中功能最强大，最先进的计算机辅助照明（CAL）设计软件。凭借针对汽车应用优化的专用算法，LucidShape 有助于汽车前端，后端和信号照明以及反射器的设计。

图 2

(2) SPEOS

是建立和分析高强度和创新的光照系统的最实用的方案。SPEOS 可以打造出一个视觉的模拟，并且迅速地尝试各种不同的可能性；提供给产品更快更广泛的解决方案，从而得到最高效的产品设计。

(3) OSLO

是用来决定光学系统中最佳的组件大小和外型，例如照相机、客户产品、通讯系统、军事 /外层空间应用以及科学仪器等。除此之外，它也常用于仿真光学系统性能以及发展出一套对光学设计、测试和制造的专门软件工具。

图 3

(4) TracePro

是一套功能强大的照明系统及非成像光学机构软件，其用于光学设计、分析并提供易于操作的界面。TracePro 结合蒙地卡罗(Monte Carlo) 光线追迹、分析、CAD汇入/汇出，并透过复杂且强大的巨集语言来进行优化设计，以解决各种照
明设计上的问题。

图 4

(5) OpticStudio

是光学设计行业内领先的设计软件，其结合了各种复杂的物理以及视觉的互动，使您能够分析、模拟并优化光学系统，以符合公差规范。借由这套软件建立个各种光学、照明以及激光系統，使用者能省下大量成本与时间。以可制造性设计的核心理念帮助助使用者加速产品上市时间，并减少开发成本。

图 5

(6) ASAP

为光学系统设计人员提供了无与伦比的性能，灵活性，速度和准确性。尽快准确预测汽车照明，生物光学系统，连贯系统，显示器，成像系统，光导管，灯具和医疗设备的实际性能。ASAP能够模拟比任何其他可用程序更多光学系统的物理特性，将几何和物理光学与光学和机械系统的完整3D 模型结合在一起。内置的图形工具允许模型几何体，光线追踪细节和结果分析的可视化。

(7)
ZEMAX

ZEMAX 软件通过精简光学工程师、机械工程师以及制造工程师之间的工作流与交流过程，帮助公司更快产出高品质的设计。ZEMAX 软件包括光学设计软件 OpticStudio，用于帮助 CAD 用户封装光学系统的 OpticsBuilder，以及专为制造工程师打造的 OpticsViewer。分为标准版、专业版、旗舰版，其中旗舰版包含了专业版的所有特性，并加上了更加完整的照明分析设计荧光和荧光模拟，以及完整的光谱、光源和散射数据库等功能。

图 6

通过多款光学设计软件的介绍让学生充分认识到我们目前所面对的难题，这些光学设计软件均为外国公司的产品，我们使用时需要花费大额的版权费用来购买，这会出现以下问题：

1. 巨额的版权费用

2. 容易受到国外的限制

3. 不利于国内光学设计的发展

让学生带着这些问题进行思考，思考后进行课堂讨论。

通过课堂讨论让学生充分认识到本专业所面临的“卡脖子”问题，进一步上升到国家战略层面，认识到科技兴国的重要性。让学生意识到我国发展的来之不易，是建立在几代人为国奉献的大无畏精神上，培养忧患意识，对国家政策方针有深刻的认同，勇于承担民族复兴的使命，树立远大的学习目标，形成“立足国际、勇攀高峰”的探索精神，激发学生的爱国主义情怀和理想信念，牢固树立为建设中国特色社会主义伟大事业而奋斗终生的坚定信念。

六、教学考核评价

考核评价方式：

1.过程性考核评价方式：

考勤、作业、讨论、随堂提问、师生互动、实验报告等。

2.结果性考核评价方式：

期末考查上机实训，考查内容要全面符合大纲要求，同时要做到体现重点，
难度适中，题量适度，难度与题量按教学要求来安排。

考核内容：

像质评价、像差校正、ZEMAX 的 3 种优化方法、ZEMAX 评价函数使用方法、ZEMAX多重结构使用方法、ZEMAX 坐标断点使用方法、双胶合消色差透镜设计以及优化、双胶合消色差透镜设计以及优化、变焦镜头设计以及优化、扫
描系统设计以及优化、目镜设计以及优化、显微镜设计以及物镜与目镜的连接、望远镜设计。

考核目标：

熟练 ZEMAX 设计软件的基本操作，掌握像质评价以及像差校正方法，会使
用 ZEMAX 软件设计光学器件并优化

七、案例反思

本节课主要让学生了解各种光学系统设计软件以及掌握 ZEMAX 软件的基
本操作。通过介绍光学设计软件在在国防与航天、社会与发展、生产与生活中的
重要作用以及我们所面临的科技难题，学生对各种光学设计软件以及优缺点都有
了一定的理解。在此基础上，重点介绍了我们课程所用的 ZEMAX 光学设计软件，
但部分学生对 ZEMAX 光学设计软件的基本操作掌握还不够理想，因而有以下几
点反思：

1.各种光学设计软件的介绍是否都需要详尽，是否只介绍 ZEMAX 光学设
计软件，其他软件简单介绍。

2. “卡脖子”问题的讨论让学生发挥更多的主观能动性，激发学生的发散
性思维，让学生有更深的感悟，树立更牢固的科技兴国理念。

3. 软件中的每个功能是否需要足够详细地讲解，更应该在讲解的基础上，
让学生在自主上机中发现问题，通过讨论来解决问题，让学生学会自主发现问题
和解决问题，更多培养学生的自主学习能力，课堂讲授起到引导作用。

4. 明确《光学系统设计软件》与一般理论课程的不同点，以课堂讲授作为
引导学习，给予学生更多的自主上机实验时间，鼓励学生积极熟悉软件的操作。

5. 布置课堂练习时考核目标明确，考虑所有学生对软件的熟练程度，让学
生基本可以按时按量完成课堂练习。

往期回顾

● 课程思政（119） || 服饰设计与“中国创造”——美术学院“课程思政”优秀教学案例

● 课程思政（120） || 多元立德，三维树人——课程思政融入《产业经济学》的探索实践

● 第十四届师范生技能大赛微课比赛投票

● 评估科 || 学生教学信息员工作简报（2022年5月）

● 考研交流 || 光电工程学院举办考研动员会

文章来源：光电工程学院