葉劍鋒，蔣峰建，焦 錚

（黃山學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 黃山 254041）

1 引 言

光電檢測技術(shù)實驗是《光電檢測技術(shù)》課程的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)[1]。通過實驗學(xué)生不但可以從中驗證理論，還可以鍛煉動手能力和創(chuàng)新性思維。目前我校光電檢測技術(shù)實驗作為一個單獨的實驗課程總共開設(shè)了6個實驗項目，共18個學(xué)時?，F(xiàn)有的教學(xué)模式還是采用傳統(tǒng)的方法，先由老師進(jìn)行演示，學(xué)生直接按照演示過程進(jìn)行，讓學(xué)生按照老師的思路完成一些驗證性的實驗。這種實驗教學(xué)方法陳舊，在實驗中學(xué)生學(xué)習(xí)處于被動狀態(tài)，基本上不用思考，更談不上創(chuàng)新，以至于學(xué)生對實驗課毫無興趣，不符合校應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求[2-4]。為此對實驗教學(xué)中的綜合設(shè)計性方面進(jìn)行了探索。

本文以薄透鏡的光學(xué)傳遞函數(shù)測量實驗為例展開。以此為例是因為作為對光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量評價的指標(biāo)，光學(xué)傳遞函數(shù)（Optical Transfer Function，OTF）能夠直接方便地進(jìn)行測量[5]。此個例在光電檢測技術(shù)實驗中具有一定的代表性。

2 “薄透鏡光學(xué)傳遞函數(shù)測量實驗”教學(xué)設(shè)計

2.1 實驗設(shè)計階段

實驗設(shè)計階段，先要求學(xué)生自行分成若干小組。為了給學(xué)生留出足夠的探索空間，教師僅給出實驗設(shè)計的要求。指導(dǎo)教師在實驗之前通過班級群組的方式將光學(xué)傳遞函數(shù)實驗的背景與意義、基本原理、實驗室可提供的相關(guān)器材和測量軟件、實驗需要達(dá)到的目標(biāo)發(fā)布給學(xué)生。此環(huán)節(jié)中需要給學(xué)生指出平時所說的光學(xué)傳遞函數(shù)（OTF）往往是指調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）。

2.1.1 實驗光路設(shè)計

依據(jù)實驗系統(tǒng)圖如圖1 所示，要求學(xué)生在充分理解實驗原理前提下，能夠利用實驗室提供的器材，精心設(shè)計出實驗光路結(jié)構(gòu)。在設(shè)計的光路中應(yīng)解決以下幾個問題：通過哪些光學(xué)器件產(chǎn)生所需平行光？什么器件可作為光路中的物？數(shù)據(jù)又通過哪些電子設(shè)備采集并處理？

圖1 實驗系統(tǒng)圖

2.1.2 實驗測量步驟設(shè)計

為了能夠有效并準(zhǔn)確地測量出薄透鏡在不同空間頻率下的兩個方向（子午方向和弧矢方向）的MTF，提醒學(xué)生在設(shè)計的實驗步驟中要體現(xiàn)出如下幾個節(jié)點。

1.共軸等高：所需實驗器材在導(dǎo)軌上安裝完畢后，要檢查各個器材是否在同一個水平直線上。

2.清晰成像：對光柵校對，在計算機(jī)上能否見到清晰的光柵成像，如圖2所示。

圖2 光柵成像采集圖

3.測量目標(biāo)：要對空間頻率分別為2lp/mm（線對/毫米）、10lp/mm、25lp/mm和50lp/mm的矩形光柵分別測量子午方向和弧矢方向的MTF。

最終實驗前兩天要求學(xué)生在線提交一份實驗方案設(shè)計報告給指導(dǎo)教師檢查，檢查通過方可進(jìn)入實驗室開展實驗。

2.2 實驗實施操作階段

通過方案的實施，能夠培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際能力。學(xué)生根據(jù)設(shè)計光路和實驗步驟，搭建實驗平臺，采集實驗數(shù)據(jù)，開展實驗研究。學(xué)生如果在實驗中遇到問題，先自行思考并解決，教師只起指導(dǎo)作用，一般不直接幫助解決問題。

2.3 實驗報告撰寫階段

實驗數(shù)據(jù)采集完成后，要求學(xué)生整理實驗數(shù)據(jù)，并利用相關(guān)的軟件（Excel 或Origin）對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，而后完成實驗報告的撰寫。其中重點是在報告中要充分對實驗結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)：是否根據(jù)現(xiàn)有的實驗儀器參數(shù)模擬出薄透鏡的MTF 曲線（推薦使用ZEMAX 軟件）；是否分析出影響測量精度的主要原因有哪些；對如何進(jìn)一步提高測量精度還可以做哪些改進(jìn)。通過實驗報告中以上幾個方面的思考和撰寫，不僅能鍛煉學(xué)生的文字表達(dá)能力，也鍛煉了學(xué)生的科學(xué)思維能力。

3 實驗教學(xué)效果

3.1 效果評價反饋

通過問卷調(diào)查和隨機(jī)訪談的方式[6]，對我校2016 級光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的75 位參與實驗的學(xué)生進(jìn)行調(diào)查。學(xué)生普遍反映整個實驗過程豐富且具有挑戰(zhàn)性。參與實驗的學(xué)生在課前認(rèn)真準(zhǔn)備，實驗過程中積極主動參與動手，通過實驗不僅提高了將前期知識綜合運(yùn)用能力，還提高了自身的科研素養(yǎng)。如表1顯示90%以上的學(xué)生認(rèn)為通過實驗自己在學(xué)習(xí)科研能力等方面都有了顯著的提升。

表1 實驗效果評價表

3.2 實驗教學(xué)效果展示

將2016 級同學(xué)的實驗報告對比往年學(xué)生的實驗報告可以發(fā)現(xiàn)，不僅從整個報告構(gòu)架還是實驗分析討論質(zhì)量上都有了很大的提升。以往的同學(xué)寫實驗報告不知道怎么寫，尤其是實驗誤差分析討論寥寥幾行字。而通過團(tuán)隊參與設(shè)計討論并自己動手實驗的同學(xué)明顯有了很大的改善。圖3和表2、表3 展示了學(xué)生利用ZEMAX 軟件根據(jù)實驗參數(shù)模擬出理論值。提出了引起實驗數(shù)據(jù)誤差的主要原因是視場角，并且計算出誤差百分比。而且對實驗的誤差原因有了較為清楚的認(rèn)識，在實驗報告中也提出了相應(yīng)提高測量精度的方法。

圖3 ZEMAX擬合結(jié)果

表2 透鏡（焦距110mm）誤差比

表3 透鏡（焦距190mm）誤差比

4 結(jié) 語

光學(xué)傳遞函數(shù)的綜合設(shè)計性實驗收到了良好的教學(xué)效果，培養(yǎng)了學(xué)生綜合能力，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。在今后的實驗教學(xué)中將進(jìn)一步改進(jìn)，在廣度上應(yīng)該推廣至其它的實驗項目，而在深度上應(yīng)不斷推陳出新，在考核機(jī)制上再做進(jìn)一步的有效性創(chuàng)新改革。