尹娟娟 俞侃 包佳祺

摘要：本文针对我校光电信息科学与工程专业应用型人才培养目标，对目前的专业核心课程进行了深入研究。针对本专业课程理论性、应用性较强等特点，重点研究仿真软件在各门课程教学中的具体应用。提出理论知识与软件教学有机衔接的课程设置，强化软件实践操作，采取多样灵活有效的方式辅助教学。该教学模式能够激发学生学习兴趣，加深学生知识的深入了解，提高学生系统设计及项目开发技能。

关键词：光电信息科学与工程；仿真软件；专业核心课；光学系统设计

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）47-0185-03

光电子产业飞速发展，涵盖了与光电子技术有关的光电材料与元器件、光通信、激光、光电显示、光输出入、光存储、红外等行业，受到众多国家乃至地区的广泛关注。2018年，《中国光电子器件产业技术发展路线图》对信息光电子器件进行了深入分析，进一步表明全球范围内对光电子器件的需求不断激增，光电子产业迎来黄金发展期。我校地处武汉光谷腹地，充分享有武汉光谷高新光电产业集中的区位优势。为了培养满足21世纪光电子技术领域人才培养的要求，各高校对光电子专业的办学思想、课程体系、教学内容、教学方法、教材建设等方面进行了积极的探索，力求培养适合社会、企业所需的高级专业人才。本校光电信息科学与工程专业（简称“光电专业”）的人才培养则紧密结合光电行业的人才需求，为毕业生提供更为优质的就业及发展条件。

一、光电专业课程现状

在人才培养过程中，课程教学是其中非常重要的环节。我校的光电专业课程主要分为专业基础课、专业核心课、专业方向课程以及实训教学环节。专业核心课程包括应用光学、物理光学、激光原理与技术、光电探测与信号处理、光纤光学、通信原理等课程。专业方向课程则包括光纤通信技术、LED原理与技术、光电图像处理技术、光电显示等课程。光电专业核心课程通常包含大量的物理概念和数学公式，复杂的光学现象与抽象的传输规律，讲授过程中难以生动形象。专业核心课程也具有较强的应用性，需要将理论与实践相结合进行设计研究。但是，目前光电专业所涉及的实验教学设备通常相对昂贵，仅一台国产瓦级纳秒固体激光器至少需要5万元左右。光电专业软件则要求的技术起点低，不仅能够提升学生对理论知识的深入了解，激发学生的学习兴趣，而且能够让学生尽早地接触实际的应用设计。同时，学生掌握几种相应的光学软件，有利于提高专业知识与实际应用的综合运用水平，有助于增强就业竞争力，也为将来的专业工作奠定良好的技能基础。

二、仿真软件的应用

目前，光电专业软件较多，依据应用领域可大致分为：虚拟光学模拟软件、光学设计软件及光通信系统仿真软件。随着计算机技术的发展，光学软件的建模、优化、仿真效率、应用领域及功能也在不断加强。每种软件均具有在某一个方向领域独特的模拟优势，因此可充分地结合软件的特点，扬长避短，充分地为课程教学服务，提高学生的专业软件技能水平。在虚拟光学模拟软件中，主要有VirtualLab、MATLAB、RP Fiber Power、LabVIEW等。目前，本校光电专业已将相应的软件紧密融入对应的专业核心课程中。

VirtualLab是由德国LightTrans公司研发的一款光学建模和系统设计分析软件，它基于电磁场核心理论，通过求解Maxwell方程组获得整个光学系统在空间各个部分的光波场矢量信息。该系统内核运用了有限元数值计算方法和计算机图像处理技术，在图形化的交互窗口中统一用Light Path流程图的形式进行光学系统的建模与仿真分析。物理光学课程中，光波的电磁理论、光波的叠加、光波干涉与衍射、光波的偏振等物理概念及现象难以把握，任课教师进行单纯的理论教学，欠缺生动性。对于该课程内容，我们采用VirtualLab软件对任意两列光波相干叠加的干涉场、迈克尔逊干涉仪、马赫-曾德干涉仪、F-P干涉仪等干涉系统进行仿真分析。VirtualLab软件中，光源可设置为高斯光束、球面波、平面波和超高斯光束。除了简单平面波光学现象的模拟，也可分析实际光束的波动光学现象，提高学生对物理光学课程内容的深度，加深对实验与理论模拟的认识。激光原理与技术课程中，主要包括高斯光束的传输变换、激光谐振腔自再现模的形成、调Q及锁模技术，课程理论性强、理论公式较为复杂，内容难以理解，且实验器材昂贵，精准调节较为困难，课程实验具有一定的难度。VirtualLabTM提供了激光谐振腔工具箱，可以对线型腔、环形腔进行建模，能分析稳定腔的本征模、基模和高阶模。将软件对谐振腔特性的分析方法应用到课堂，极大地增强了学生对该理论的兴趣，提高了实践操作技能。

MATLAB软件是國际科学界应用范围最广泛和影响力最强的三大计算机数学语言之一，是国际公认的最优秀的科技应用软件。它是一款优秀的集数值计算、符号计算、可视化功能于一体的大型科学计算软件，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。在国外的高等院校里，MATLAB语言已经成为大学生必须掌握的基本语言，并在各专业课程的教学中应用越来越广泛。在光电专业中的每一门核心课程，均有采用MATLAB对实验现象、传输特性和通信系统等方面的仿真研究案例。将MATLAB应用于物理光学课堂，可对物理光学中的各种实验现象进行模拟仿真，将实验结果以图像的方式清晰直观地显示出来。也可以采用动画的方式，动态地模拟光学过程的变化，加深课程教学的直观性及生动性，激发学生学习的兴趣。将MATLAB应用于激光原理与技术课程，可对高斯光束的传输、光纤激光器、被动调Q等技术进行仿真分析。该部分的内容较为抽象，可作为学生课后实践类作业，为致力于激光技术方向或研究生深造的同学奠定较强的理论分析基础。通信原理是光电专业一门重要的专业课程，主要内容包括模拟通信系统和数字通信系统。本专业也将MATLAB用于模拟分析模拟信号的调制与解调、模拟信号的数字传输变换、数字信号的调制与解调，差错控制等系统的仿真。MATLAB软件在通信原理课程中的仿真应用，帮助学生更深入地学习该课程，提高学习的兴趣，弥补通信类课程实验的不足。

RP Fiber Power是一款功能强大的用于设计和优化光纤装置的软件，它尤其适用于光纤放大器、光纤激光器和无源光纤。对于无源光纤，该软件可计算径向对称折射率分布弱导光纤导波模特性，包括横向强度分布、有效模场面积、有效折射率及群速度色散等特性。对于光纤放大器及激光器，该软件可以模拟激光激活离子运动，自发或受激辐射效应、无辐射跃迁，能量转换过程。也可计算ASE光源，分析掺杂及光强度的影响，以及输出的噪声特性。可动态模拟放大器和激光器，包括调Q及锁模技术。同时，该软件也可模拟超短脉冲传输，分析各波段的放大效应、非线性及色散效应。以光纤光学课程为例，一般是从几何光学开始，再通过经典电磁场理论，介绍光波在均匀光纤和渐变光纤中的传输理论。经过复杂的公式推导，得到光纤中导波模式的特性方程及模场分布。该分析过程虽然层次分明，符合逻辑，但在复杂的公式推导中得出抽象的结论，通常导致学生学习兴趣不足、学习效率较低等现象。

RP Fiber Power软件，具有简单的表格操作模式及脚本编辑模式。在表格操作模式中，操作较为简单，仅需将数据填充至交互式表格即可。输入数据之后，即可执行运算。软件根据输入数据产生脚本程序，继而执行脚本程序。以光纤模式特性分析为例，用户只需简单地修改模板中光纤折射率分布，运行后即可获得各特性参数，光纤的折射率分布、光束的强度分布及色散等特性图形。软件的表格操作模式如图1所示。若采用MATLAB软件进行研究，则需从亥姆霍兹方程出发，得到光波传输的贝塞尔方程。结合光波在光纤中传输的边界条件，导出弱导近似下的特征方程。利用MATLAB中的函数对特征方程进行数值求解，才能获得光纤的参数，结合软件的三维作图功能，可将光纤中的电场分布特性展示出来。该过程需要对MATLAB软件的操作函数及算法具有较深的了解，并能够编写大量的程序语句创建光纤模型函数。很显然，这对于对光纤模式理论内容了解不深的学生是非常困难的。采用RP Fiber Power软件的表格操作模式，则无须像MATLAB软件一样进行复杂的编程，也无须对传输的光波建立模型，通过简单的修改即可获得所有的横向模场分布，如图2所示。在脚本编辑模式中，用户可灵活地编写脚本语言，运行程序。编写程序虽具有较高的灵活性，但需用户构建复杂的模型及计算，故需要非常精通脚本语言。

除了以上三种软件，还有众多设计软件也可以应用到教学课程内容中的软件。例如，我校光电专业开展的应用光学课程，该课程具有很强的实用性。与该课程相关的延伸课程则包括像差理论及像质评价等课程。面对众多的像差公式及理论，学生学习过程较为吃力，而该部分的课程内容又和光学设计实践课程密切相关。为了更好地提高课堂教学效果，我们将成像光学设计软件，例如ZEMAX、CODE V等应用于该课程中。ZEMAX软件既可用于光学组件设计及照明系统的照度分析，也可建立反射、折射、衍射等光学模型。ZEMAX软件让学生得以直观和形象地感知透镜光学系统的建立、像质评价指标的物理表述、像差优化和系统成形等各个过程。目前可应用到课程中的照明光学设计软件还有ASAP，TracePro、LightTool等。通过课程理论知识与软件教学的有机衔接，增加了课程教学的多样性、生动性及灵活性。

三、总结

将大量仿真软件引入教学，将抽象难懂的光学规律和概念形象直觀地展现给学生，极大地激发了学生的求知欲。对于目前的这些商业光学设计软件，尤其是成像光学设计软件，优化功能已十分强大。照明光学设计软件的优化、建模功能也在不断加强。原来抽象的光电理论及手工的光路计算，逐渐由计算机来完成，也极大地提升了光学设计的速度。但是，计算机虚拟仿真技术只是教学的辅助，不能完全代替理论教学。即使光学设计软件的功能已非常强大，也仍然仅是一种辅助手段。相对来讲，尤其是照明光学设计软件方面，功能还不够强大。即使是比较强大的成像光学设计软件，也无法替代纸面设计。因此，需要深入研究每种软件的特点及应用领域，充分发挥它们在不同课程领域的仿真设计优势。只有扬长避短，才能极大地提升课堂教学效果，提高学生的积极主动性、系统设计及项目开发的实践技能水平。

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