虚拟仿真软件在光学教学实践中的应用和思考
发布时间：2021-08-29 02:40
光学是主要研究光本性、光传输以及光与物质相互作用的基础学科。本文将Zemax等虚拟仿真软件引入到光学课程教学过程中,可以让学生对光学理论知识和光学系统有更加形象的理解。利用Zemax模拟透镜像差和利用Comsol分析透镜在高功率光束辐照下的温度分布和形变分布的教学实例,并依据目前存在的问题提出了改进措施。实践表明:使用仿真软件辅助教学有助于学生理解光学基本概念、基本理论和重难点,拓展学生创新思维。仿真软件给出的直观效果可有效地增加学生对光学知识的学习兴趣,使得课堂教学变得更加生动形象,提高光学教学质量。
【文章来源】：教育现代化. 2020,7(49)
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
平凸透镜的球差
课堂讲授是教育活动的主阵地,教师在授课时容易忽视学生的主体地位,尤其是在理论内容较多的基础课程中。西华大学应用物理学专业光学教学选用教材为姚启钧原著的《光学教程》第五版。在第三章几何光学部分涉及大量物像公式,球面反射、球面透射、球面透镜、非球面透镜、双凸透镜、平凸透镜、双凹透镜等,学生在理论学习的过程中,对公式的推导以及参数(折射率、半径、物距等)对成像性质的影响规律和影响权重的理解不够深刻,对光学系统的像差(色差、球差、彗差、像散和畸变等)概念以及原因亦是一知半解。为解决这一问题,笔者在几何光学的讲授过程中,引入了Zemax光学仿真软件辅助教学。Zemax是一种可设计、优化和分析光学系统的仿真软件,功能强大,灵活方便,新手入门快。例如,针对由两个球面组成的透镜,其焦距可由公式f=R10R20/[(n-1)(R20-R10)]确定,其中R10、R20和n分别表示两个球面的曲率半径和透镜材料的折射率。从理论公式可见,学生能感知透镜的焦距与其形状和材料有直接关系。但是,形状和材料具体是如何影响透镜焦距呢?光束通过不同透镜其传输路径有何变化呢?理论公式无法回答这些问题。基于此,在课堂上向学生介绍和展示了Zemax软件,方便快捷地输入几个透镜参数,则可实现透镜的三维建模和光束轨迹分析。图1和图2是学生课后计算反馈的结果。图1为平凸透镜的三维显示图,Zemax参数编辑框中可以设定透镜球面曲率半径、厚度和透镜材料等参数。通过改变透镜形状或材料等参数设置,学生可以直观地感受到透镜参数变化给光束传输施加的影响,这种直观感受是基于课本的理论教学和实验室的实践教学均难以做到的。图2给出了平凸透镜的球差,外圈蓝光大,红光和绿光较集中,该图带给学生蓝光球差大的直观感受,对学生今后从事镜头设计或照明设计等工作有直接指导作用。此外,学生可以使用Zemax实现光学系统设计、建模、分析和其他辅助功能,帮助学生学习和熟悉典型光学仪器的原理和结构,提升学生用光学知识分析和解决实际工程问题的能力。将Zemax仿真实验引入光学课程教学,不仅可以加强学生对光学系统成像的理解,还训练了学生对实际光学系统的建模分析能力。由于仿真实验过程不受实验环境的影响,所以仿真软件辅助光学教学可以在大学课堂中有效实行。图2 平凸透镜的球差
值得指出的是,光学是西华大学应用物理学专业本科生第三学期开设的必修基础课,而在第二学期,学生刚刚结束热力学学习。因此,在仿真实验过程中,不少学生提出,现代工业技术涉及的许多激光器的功率能达到千瓦级别,光学元件在高功率光束连续辐照下,光学元件内部的热沉积致使元件畸变,影响光束传输。为解决这个问题,笔者向学生介绍Ansys有限元分析软件和Comsol多物理场仿真软件均可以完成透镜形变设计,并课下引导学生利用Comsol模拟了高功率激光辐射下透镜的热形变。结合热传导机理,采用Comsol建立透镜的有限元模型。若入射激光束的光强分布为I(x,y),A为膜层吸收系数,热源可表示为Q(x,y)=AI(x,y)。图3为学生利用Comsol模拟的透镜温度分布和热形变分布。通过仿真性实验,学生明白了透镜的热形变与透镜材料的热物理性质参数(密度、导热系数、热膨胀系数等)和入射光束参数(光强分布等)密切相关。学生自主地将第二学期学习的热力学知识和本学期的光学知识联系起来,有效实现知识重构,提高学生的专业素养,促进校园教学和企业应用技能的高效衔接,学生在将来就业时更容易融入相关的光学系统设计中。将以上两个教学实例与传统光学课堂比较可以发现,传统光学实验需要的实验设备往往价格很高,配置一套实验装置需要一笔较大的经费,而在经费并不充裕的情况下,采用仿真软件辅助教学是一个不错的选择。此外,在涉及激光的实验教学中,往往需要学生反复观察测试某一参数,而激光具有一定的危险性。如果采用光学仿真软件,则能有效保障学生的人身安全。学生不仅可以个性化设计自己的光学系统,还能实时预估光学系统性能,这种与软件“动态沟通”能极大地促进学生的学习动力。
【参考文献】：
期刊论文
[1]光学实验立体化教学研究与实践[J]. 蒋志龙,俞琳,叶恩钾,孔艳,刘诚. 教育教学论坛. 2019(33)
[2]省属高校大学生创新创业教育改革与实践[J]. 侯锦丽,孟锋,张洛红,万明. 教育教学论坛. 2019(24)
[3]基于微信公众平台的机房预约管理系统设计与实现[J]. 蓝庆青. 教育现代化. 2019(44)
[4]基于后MOOC时代SPOC线上线下混合教学模式在医学统计学教学中的实践与探索[J]. 闫国立,赵倩倩,王瑾瑾. 教育现代化. 2019(44)
[5]工程光学实验教学的探索与改革[J]. 江旻珊,茅前. 科教文汇(下旬刊). 2019(05)
[6]MATLAB实践在物理光学课程教学中的应用[J]. 陈波,徐其峰,张茁,王岭娥. 产业与科技论坛. 2019(10)
[7]大学物理光学教学实践探究浅谈[J]. 戴鹏鹏,向美林. 科技资讯. 2017(26)
[8]高校教学名师的科教融合理念与实践——基于教学名师与普通教师调查问卷的对比分析[J]. 曲霞,宋小舟. 中国高教研究. 2016(06)
本文编号：3369735
【文章来源】：教育现代化. 2020,7(49)
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
平凸透镜的球差
课堂讲授是教育活动的主阵地,教师在授课时容易忽视学生的主体地位,尤其是在理论内容较多的基础课程中。西华大学应用物理学专业光学教学选用教材为姚启钧原著的《光学教程》第五版。在第三章几何光学部分涉及大量物像公式,球面反射、球面透射、球面透镜、非球面透镜、双凸透镜、平凸透镜、双凹透镜等,学生在理论学习的过程中,对公式的推导以及参数(折射率、半径、物距等)对成像性质的影响规律和影响权重的理解不够深刻,对光学系统的像差(色差、球差、彗差、像散和畸变等)概念以及原因亦是一知半解。为解决这一问题,笔者在几何光学的讲授过程中,引入了Zemax光学仿真软件辅助教学。Zemax是一种可设计、优化和分析光学系统的仿真软件,功能强大,灵活方便,新手入门快。例如,针对由两个球面组成的透镜,其焦距可由公式f=R10R20/[(n-1)(R20-R10)]确定,其中R10、R20和n分别表示两个球面的曲率半径和透镜材料的折射率。从理论公式可见,学生能感知透镜的焦距与其形状和材料有直接关系。但是,形状和材料具体是如何影响透镜焦距呢?光束通过不同透镜其传输路径有何变化呢?理论公式无法回答这些问题。基于此,在课堂上向学生介绍和展示了Zemax软件,方便快捷地输入几个透镜参数,则可实现透镜的三维建模和光束轨迹分析。图1和图2是学生课后计算反馈的结果。图1为平凸透镜的三维显示图,Zemax参数编辑框中可以设定透镜球面曲率半径、厚度和透镜材料等参数。通过改变透镜形状或材料等参数设置,学生可以直观地感受到透镜参数变化给光束传输施加的影响,这种直观感受是基于课本的理论教学和实验室的实践教学均难以做到的。图2给出了平凸透镜的球差,外圈蓝光大,红光和绿光较集中,该图带给学生蓝光球差大的直观感受,对学生今后从事镜头设计或照明设计等工作有直接指导作用。此外,学生可以使用Zemax实现光学系统设计、建模、分析和其他辅助功能,帮助学生学习和熟悉典型光学仪器的原理和结构,提升学生用光学知识分析和解决实际工程问题的能力。将Zemax仿真实验引入光学课程教学,不仅可以加强学生对光学系统成像的理解,还训练了学生对实际光学系统的建模分析能力。由于仿真实验过程不受实验环境的影响,所以仿真软件辅助光学教学可以在大学课堂中有效实行。图2 平凸透镜的球差
值得指出的是,光学是西华大学应用物理学专业本科生第三学期开设的必修基础课,而在第二学期,学生刚刚结束热力学学习。因此,在仿真实验过程中,不少学生提出,现代工业技术涉及的许多激光器的功率能达到千瓦级别,光学元件在高功率光束连续辐照下,光学元件内部的热沉积致使元件畸变,影响光束传输。为解决这个问题,笔者向学生介绍Ansys有限元分析软件和Comsol多物理场仿真软件均可以完成透镜形变设计,并课下引导学生利用Comsol模拟了高功率激光辐射下透镜的热形变。结合热传导机理,采用Comsol建立透镜的有限元模型。若入射激光束的光强分布为I(x,y),A为膜层吸收系数,热源可表示为Q(x,y)=AI(x,y)。图3为学生利用Comsol模拟的透镜温度分布和热形变分布。通过仿真性实验,学生明白了透镜的热形变与透镜材料的热物理性质参数(密度、导热系数、热膨胀系数等)和入射光束参数(光强分布等)密切相关。学生自主地将第二学期学习的热力学知识和本学期的光学知识联系起来,有效实现知识重构,提高学生的专业素养,促进校园教学和企业应用技能的高效衔接,学生在将来就业时更容易融入相关的光学系统设计中。将以上两个教学实例与传统光学课堂比较可以发现,传统光学实验需要的实验设备往往价格很高,配置一套实验装置需要一笔较大的经费,而在经费并不充裕的情况下,采用仿真软件辅助教学是一个不错的选择。此外,在涉及激光的实验教学中,往往需要学生反复观察测试某一参数,而激光具有一定的危险性。如果采用光学仿真软件,则能有效保障学生的人身安全。学生不仅可以个性化设计自己的光学系统,还能实时预估光学系统性能,这种与软件“动态沟通”能极大地促进学生的学习动力。
【参考文献】：
期刊论文
[1]光学实验立体化教学研究与实践[J]. 蒋志龙,俞琳,叶恩钾,孔艳,刘诚. 教育教学论坛. 2019(33)
[2]省属高校大学生创新创业教育改革与实践[J]. 侯锦丽,孟锋,张洛红,万明. 教育教学论坛. 2019(24)
[3]基于微信公众平台的机房预约管理系统设计与实现[J]. 蓝庆青. 教育现代化. 2019(44)
[4]基于后MOOC时代SPOC线上线下混合教学模式在医学统计学教学中的实践与探索[J]. 闫国立,赵倩倩,王瑾瑾. 教育现代化. 2019(44)
[5]工程光学实验教学的探索与改革[J]. 江旻珊,茅前. 科教文汇(下旬刊). 2019(05)
[6]MATLAB实践在物理光学课程教学中的应用[J]. 陈波,徐其峰,张茁,王岭娥. 产业与科技论坛. 2019(10)
[7]大学物理光学教学实践探究浅谈[J]. 戴鹏鹏,向美林. 科技资讯. 2017(26)
[8]高校教学名师的科教融合理念与实践——基于教学名师与普通教师调查问卷的对比分析[J]. 曲霞,宋小舟. 中国高教研究. 2016(06)
本文编号：3369735
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