光學信息處理課程教學改革思考

1、 光學信息處理課程教學改革思考 王本立摘 要：光學信息處理是一門理論性和應用性都很強的課程。本文針對近年來該門課程在電子科學與技術專業(yè)的教學活動中發(fā)現的一些問題，提出了一些針對性的改革措施，包括縮減部分光學信息處理課程和其他課程重復的內容、增加虛擬仿真實驗、提高學生在課程中的參與度，以及加大課程的過程考核。通過這些措施的實施，有效地提高了教學效果，提升了學生自主學習的能力。Key：光學信息處理 教學改革 虛擬仿真實驗 過程考核：G642 ：A ：1674-098X（2020）11（c）-0171-04Thoughts on the Teaching Reform of Optical Info

2、rmation Processing CourseWANG Benli*（College of Mathematics and Physics， Beijing University of Chemical Technology， Beijing， 100029 China）Abstract： The optical information processing course is highly theoretical and practical. Some related problems have been found in the teaching activities for elec

3、tronic science and technology major in recent years. Reform measures including some deletions of this course， adding virtual simulation experiments， increasing student participation and course process assessment are proposed in this paper in order to address the problems. These measures effectively

4、improve the teaching effect and the self-study ability of students.Key Words： Optical information processing; Teaching reform; Virtual simulation experiment; Process assessment光，對于地球生物來講，是非常重要的。我們每個人從一出生就開始接觸、觀察和利用光，比如反射現象、彩虹和海市蜃樓。人們在觀察和研究光的過程中，逐漸發(fā)展出了物理學的一個新的學科方向光學。光學屬于物理學的一個重要學科分支，其發(fā)展不僅促進了人們對光的本質的認

5、識，而且了衍生出一系列基于此的技術，對現代社會的發(fā)展具有重要的意義。特別是自從20世紀60年代初激光器的誕生以后，光學的發(fā)展進入了新的時代，以激光器為基礎的光學研究成為了非常活躍的研究領域，形成了包括非線性光學、信息光學、量子光學等分支的現代光學1-2，而其應用也已滲透到了許多領域，如通信、信息處理、工業(yè)生產、生物醫(yī)學、國防軍事等。進入21世紀以后，光學在理論和應用上都得到了迅速的發(fā)展，理論上形成了以微納光學為代表的新的學科分支3-6，同時也是非?；钴S的前沿研究領域;而實際應用更是滲透到生活的方方面面，如隨處可見的掃碼技術。可以預見未來光學仍將是非?；钴S的學科方向，而其應用也將會與我們的生活更

6、加密切。1 改革背景信息光學屬于現代光學的一個重要的學科分支，它是將應用光學和信息科學相結合，采用信息學的方法研究光學問題的學科。而對于光學信息處理這門課程來講，很容易看出來該門課程是講述采用某些方法對光學信息進行處理的過程，因此該門課程的許多內容和信息光學是一致的，只是側重點不同，光學信息處理課程強調的是光學信息處理的方法7。首先，我們簡單回顧下光學信息處理的發(fā)展歷程。光學信息處理的早期發(fā)展可以追溯到1873年德國科學家阿貝的研究工作，即阿貝關于顯微鏡成像提出的二次成像理論，在該理論的基礎上，就有了著名的阿貝-波特實驗，從實驗上驗證了空間濾波;1935年，澤尼克發(fā)明了相襯顯微鏡，通過將相位分

7、布轉換為強度分布，使得相位物體可以被觀測到，利用空間濾波實現了相位分布到強度分布的轉換;近代，光學信息處理發(fā)展迅速，1948年，英國科學家丹尼斯提出了波陣面再現理論，即全息術的概念;1955年，光學傳遞函數的概念得以建立;1960年，激光器誕生;1963年，范德拉提出了復數空間濾波的概念，至此，光學信息處理開始進入廣泛應用的階段。20世紀80年代以后，光學信息處理進入了新的發(fā)展階段，如光電混合系統(tǒng)、光學神經網絡、全光計算等。其次，我們來探討光學信息處理的課程內容。該門課程包括以下內容，首先為傅里葉光學基礎部分，該部分需要講授常用的幾個初等函數，包括它們的形式、特點和性質，傅里葉變換理論、角譜理

8、論以及透鏡的傅里葉變換性質，前面兩小部分內容偏數學，而后面兩小部分則為物理光學內容，偏理論，也比較抽象;其次為經典光學信息處理內容，主要包括空間濾波技術、照相圖像的恢復，全息術等;再次為非相干光學信息處理部分，包括楊氏干涉儀和邁克爾遜干涉儀以及對應的空間相干性和時間相干性，該部分屬于物理光學部分內容，傅里葉變換光譜儀、消像素技術以及計算層析術等;接下來為光學圖像識別部分，主要介紹圖像識別技術、Vander Lugt相關器以及聯(lián)合變換相關器等內容;再次為廣義傅里葉變換及其光學實現，包括廣義傅里葉變換的定義、性質以及從光學設計上如何實現等內容;再次為小波變換，類似的包括小波變換原理、光學實現方法等

9、;再次為在光學信息處理中經常用到的一種器件空間光調制器，包括電尋址空間光調制器、光尋址空間光調制器以及分別對應的常用幾種空間光調制器的原理、結構等內容;此外，在教材里面還介紹了光纖通信基礎、天文觀測中的光信息處理等內容7。通過以上介紹，很容易發(fā)現經過這么多年的發(fā)展，光學信息處理的內容已經非常豐富，而且還在不斷發(fā)展中，同時也可以看出來，如果只是從理論上去講授這些知識，很多內容都比較抽象。至此，我們已經對光學信息處理的發(fā)展進行了簡單的回顧，也對光學信息處理課程內容進行了介紹。接下來我們將結合課程實際情況介紹課程改革的緣由。首先，我們該門課程的授課對象是北京化工大學電子科學與技術專業(yè)大三學生，學生們

10、經過大學前兩年的學習已經有一定的課程基礎，但是一方面由于本專業(yè)不是物理類專業(yè)，所以學生們的光學知識的儲備還是略顯不足;另外一方面由于該門課程的相關課程應用光學屬于專業(yè)選修課，因此學生們的相關知識基礎也是不同的。其次，通過前面課程內容的講述，我們可以看出該門課程的內容還是非常多的，然而我們課程的學時安排只有32學時，如何在這么短的時間內讓學生掌握我們的課程內容，就需要在教學過程不斷總結經驗、調整以及對課程進行一些改革。再次，該門課程是以傅里葉光學為基礎，在這部分內容里面，需要講解傅里葉變換以及空間分布和空間頻率分布的轉換7-9，這些內容都比較抽象，學生理解較為困難，如何讓學生能夠更好地理解這些物

11、理圖像對于教學效果來講是非常重要的。最后，從專業(yè)培養(yǎng)的角度來講，我們希望培養(yǎng)面向未來的光電復合型人才;而從我們學生的實際就業(yè)情況來看，我們專業(yè)的學生有許多也進入了光學相關的企業(yè)，如京東方。因此，從課程需求來講，該門課程是非常重要的，同時也需要面向未來不斷進行改進?？傊?，不管是從實際教學角度，還是面向未來培養(yǎng)高素質的科學素養(yǎng)人才的角度，都需要課程不斷進行改革，教學現代化，以求取更好的教學效果。2 改革原則和目標2.1 從光學信息處理課程的特點出發(fā)，解決好兩個基本問題進行該門課程改革的目的，是提高教學效果，培養(yǎng)面向未來的具有高科學素養(yǎng)的人才。我們需要努力解決好該門課程需要面對的兩個基本問題，首先是

12、該門課程內容的選擇和有限的課時安排導致的問題，其次是部分學生相關知識積累可能不足的問題。光學信息處理屬于現代光學的一個分支，需要學生具有一定的應用光學和傅里葉光學基礎，課程內容豐富，涉及到了許多實際的光學應用，如空間濾波、全息術、指紋識別等，這樣也導致課程內容分散，不易形成一個完整的體系。因此，在課程改革過程中，既要重視基礎的推演和分析，如傅里葉光學的基礎和簡單的幾何光路分析，又要總結和歸納，將4-f系統(tǒng)作為一條基本的線，將課程系統(tǒng)化。此外，注重講解課程的基礎知識和難點，引導學生掌握分析問題和解決問題的能力，而對于部分課程內容，如原理和技術手段相同，只是應用實例不同，可以留給學生自己學習。這樣

13、我們就可以解決好上述兩個基本問題。2.2 以學為主，注重過程考核光學信息處理課程既是電子科學與技術的專業(yè)課，又是擴展學生工程實踐見識的基礎課。在課程活動中，要將傳統(tǒng)上的以教為主，轉化為以學為主，加強學生課程活動中的參與度，培養(yǎng)學生的自主學習能力和創(chuàng)新能力。3 改革內容在具體的教學活動的開展過程中，我們進行了以下幾個方面的探索。（1）考慮到該課程需要在短短的32個學時內完成，在保證課程的培養(yǎng)目標的前提下，我們將課程內容安排做了一些調整，首先傅里葉光學基礎部分的內容需要6個學時來完成，在這部分授課過程中，強調基礎和應用，淡化數學公式的推導，重視物理概念的理解。通過這一部分課程的學習，使得學生都能滿

14、足課程的知識要求。此外，在課程內容上，考慮到有限的學時和教材部分內容與其他課程的重復，我們將廣義傅里葉變換、光纖通信等章節(jié)作為選學自修內容，這樣一方面可以保證我們整個課程內容具有充足的時間，另外一方面由于給基礎內容留下較多的時間，這樣可以強化學生的基礎知識，為后續(xù)課程的學習打下牢固的基礎。（2）光學信息處理課程如果只進行理論授課，許多概念往往比較抽象，學生掌握起來比較困難，比如該課程中非常重要的光學系統(tǒng)4-f系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)我們可以實現物的空間分布到空間頻率分布，再回到空間分布的轉換，學生可能從理論上理解了這種轉換，然而在實際應用時往往并不能很好地掌握這其中的物理圖像。為了使學生更好地掌握該課

15、程的內容，如空間頻率分布的形式、空間濾波等，該門課程應該增加專門的實驗內容，這樣便能夠直觀地觀測各種現象，也能夠更深刻地理解光學信息處理涉及的物理概念和方法。但是，由于我校電子科學與技術專業(yè)實驗室建設進度等客觀原因，相關的實驗項目還無法開放。結合實際情況，考慮到本專業(yè)的仿真實驗室已經建設完成，為了更好地促進學生的理解，我們將6個學時專門分配給仿真實驗的開展。仿真實驗內容主要是完成空間濾波實驗，包括阿貝實驗模擬以及其他的空間濾波實驗，學生需要自己完成濾波器的設計和實現，以及最終完成整個濾波器實驗的模擬。此外，我們還嘗試在課程中引入更多的仿真實驗，當然在不增加課程總學時的前提下，我們引入的其他的仿

16、真實驗可以以作業(yè)形式留給學生自己完成?？紤]到這一情況，我們的仿真實驗安排在課程中進行，即講完經典光學信息處理以后，我們就先開展仿真實驗，這樣學生可以提前熟悉仿真實驗的流程，也方便自己完成其他的仿真實驗項目。（3）作為大三的專業(yè)課程，我們不只需要培養(yǎng)學生掌握課程內的內容，而且需要培養(yǎng)學生文獻查閱、整理以及自主學習的能力。在課程中，我們會根據課程的進度，安排學生分組查詢相關技術的最新發(fā)展，最后以小組報告的形式在課上展示給大家。同時，我們加強了過程考核，增加了平時成績所占比例，通過平時課程的作業(yè)，加強學生自主學習的意識，逐步地將以教為主，向以學為主轉換。4 教學效果分析為了了解我們在光學信息處理課程

17、中所進行的一些改革探索的效果，以及在后續(xù)的課程中更有針對性地進行一些課程探索，以更好地提高教學效果，我們分別對2017年、2018年和2019年該門課程的成績進行了分析。首先，我們來看下該門課程的選課情況，2017年該門課程的選課人數為69，2018年的選課人數為66，2019年的選課人數為61，此3年該門課程的選課人數都超過了整個專業(yè)人數的50%，在實際教學活動中，每年都有個別學生因為各種原因沒有參加實際教學活動或考試，剔除掉這部分學生以后，2017年的有效學生人數為66，2018年的有效學生人數為65，2019年有效學生人數為59，在后續(xù)的分析中，我們以有效學生人數為準。從整體選課情況來看

18、，學生對課程還是比較認可的。其次，我們來說明下這3年該門課程的考核形式，為了強調過程考核，該3年我們過程考核所占成績比例都為40%，最終考試所占成績比例為60%，2017年和2018年過程考核形式相同，成績主要由各種作業(yè)和課堂表現決定，而在2019年我們引入了仿真實驗，這部分也納入到了過程考核中。該3年的期末考試內容難易程度相當，都是適中的，主要考察學生對基本知識和方法的掌握。最后，我們來對3年的課程成績進行簡單分析，2017年和2019年平均成績都在74分左右，2018年的平均成績?yōu)?0分，2018年的平均分偏低一些的原因是個別同學雖然在我們的有效計算人數內，但是卷面成績幾乎為0分，我們預期

19、平均分在78分左右，基本達到了我們的預期;此外我們對優(yōu)秀率也進行了分析，2017年為7人，占比為10.6%，2018年為6人，占比為9.2%，2019年為11人，占比到達了18.6%，2019年優(yōu)秀率為2018年的兩倍多，和2017年相比也幾乎達到兩倍。由此，我們可以看出，我們在課程中進行的一些改革探索，還是比較成功，首先學生對該門課程是認可的，作為電子科學與技術專業(yè)的光學類課程，選課人數超過了專業(yè)人數的一半;其次，課程成績的效果也是比較明顯地，特別是在2019年，我們將仿真實驗引入了課程中，效果是非常明顯的。5 結語總之，不管是從我們培養(yǎng)面向未來人才的目的來講，還是從社會發(fā)展的角度來講，我們的授課方式和授課內容都是需要不斷調整，當然課程改革屬于系統(tǒng)性的工程，也