浅谈阿贝成像原理与空间滤波实验教学体会

刘进 黄宗福 毛宏军 梁永辉

摘要：实验教学对于提高学生理论联系实际能力、动手操作能力以及创新思维能力等均具有重要作用。本文以阿贝成像原理与空间滤波实验为例，结合近年来该课程的教学实践，介绍在实验教学探索中的一些经验和体会。

关键词：实验教学；阿贝成像；空间滤波；Matlab

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）18-0167-02

引言：

《信息光学》是“十五”以来国内很多高校为光学工程本科生开设的专业课，“十一五”全国新建“光信息科学与技术”本科专业后，这门课程基本成为该专业的必修课。在光学信息处理中，傅里叶变换占据着极为重要的地位。阿贝成像理论首次引入了频谱的概念，启发人们用改造频谱的手段来改造信息。本实验是对阿贝成像理论最好的验证与演示。通过此实验，我们希望加深学生对傅里叶光学中空间频谱和空间滤波等概念的理解，掌握自由空间中简单光路的搭建与调节技巧，锻炼学生的实际动手能力，培养学生分析问题和解决问题的能力。本文主要结合近年的教学实践，浅谈一些教学经验和体会。

一、精心准备是实验教学的基础

阿贝成像原理与空间滤波实验蕴含有丰富的内涵，是对频谱概念以及通过改造频谱实现改造信息最好的验证与演示。实验的目的不仅仅只是让学生顺利地完成实验，我们希望通过实验让学生更好地与理论知识相结合，理解透彻背后所蕴含的理论原理。这需要教师对实验进行认真细致的准备。实验课只有短短的两个课时，如何充分地利用好这两个课时尤为关键。我们要求教师对课件精心设计和认真准备，对知识点进行凝练，从课件到讲授上做到精益求精，用简短的时间明确的将实验最核心最关键的内容讲授给学生，让学生明确实验的原理，激发学生对信息光学的兴趣，了解傅里叶光学的生命力。我们力求沿着“做什么，为什么做，怎么做”这样一条思路对实验进行简洁清晰的讲授，让学生在最短的时间内对实验有提纲挈领的认识，在脑海中形成对实验的整体印象，有的放矢地进入到实验中，提高实验的效率。“三思而后行”，“磨刀不误砍柴工”，其实，做任何事情都是这样，当我们始终在思考“做什么，为什么，怎么做”时，做事情才不会茫然，效率才会更高，我们也希望通过实验培养学生养成一种提前做好规划的良好思维习惯。

二、放手是实验教学的核心

实验课程的核心是让学生自己动手实验，这是实验课最重要的一个环节。实验课的一个重要目的是培养学生独立动手的能力，因此，在实验教学中，教师更应该充分地放手，将实验操作的主角留给学生，切忌“手把手教学”。通过教师精心提炼与准备的讲授，从理论上学生都应该可以独立地完成实验。但是，“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，实际实验终究不只是理论，学生在实际操作过程中难免会遇到各种问题，此时，教师的一个指点、一点提醒与帮助，可以帮助学生快速地完成实验，但是学生自身也许并没有体会到实验操作的精髓。在实验操作过程中，我们要求学员全程独立完成，在做实验时始终不忘“做什么，为什么，怎么做”，始终不忘实验原理，当出现问题时，与理论知识相结合进行分析，为什么会出现问题，应该如何解决问题。在这样独立完整的锻炼下，即便学生实验进展不顺利，学生也会对实验原理和实验的一些操作有更深刻的体会。在我们利用正交光栅在经典的4f系统光路中进行实验时，尤其如此，在实际实验中，如果刻板地严格遵守4f系统，我们将无法观察到想要的结果。因此，我们希望让学生独立体验完整的过程，即使实验历经挫折，也可以引发学生独立思考以寻求解决问题的方法，实际上，不论是学生今后走上工作岗位还是从事科研工作，都是这样一个过程，很多事情看似简单，但只有自己独立的动手做过，才会对其中的细节有更深刻的理解和认识。也只有这样，在今后独立面对任务的时候才会胸有成竹，不会寄希望于出现问题时的指点。实验课的目的绝不是为了让学生顺利地完成实验，相反，实验课的目的是为了充分锻炼学生的动手能力，培养学生分析问题和解决问题的能力，这也是我们在对学生进行考核时重点关注的部分。从一定角度来说，这也要求我们教师在进行实验教学时，不能提供过于详尽的实验步骤，限定学生的思维，我们要引导学生主动思考，充分发挥学生的能动性，不能给学生一个固定的框架，通过遵守严格的框架即可顺利完成实验，这样只会让学生对实验知其然而不知其所以然。

三、实验结束时的讨论与总结十分必要

实验教学始终脱离不了理论知识的支撑。本实验是对阿贝成像原理尤其是对频谱概念最好的验证与演示，结合具体实验，我们希望加深学生对透镜的傅里叶变换作用，对光学信息处理有更深刻的理解和认识。我们要求学生始终带着“做什么，为什么做，怎么做”的框架进入到实验，同时引导学生将实验现象与信息光学中学到的理论知识相结合，积极思考。然而，不论教师讲解得多么简明扼要清晰透彻，也不论学生实验进行得顺利与否，学生对一些知识点的理解总是有限的。因此，我们在每次实验后，都会留一点时间，让学生对整个实验从理论到实验过程进行再思考，通过讨论通过再思考，对实验的体会更加深刻。在学生独立完成实验时，及时与学生讨论“实验的结果是怎样的，为什么会出现这样的结果，是否可以改进”等问题，可以很好地通过学生实际实验的情况进行实例示范，与学生就整个实验的原理進行讨论，藉此，教师可以将实验中的一些实验小技巧、方法和思想传递给学生，同时也可以从学生的观点中受益，以便更好地从初学者的角度思考问题，从而进一步更好地设计实验。本实验中，在实验的开始阶段一般要求学生通过透镜将光路调整为平行光，当完成实验进行思考总结时，我们可以引导学生讨论，如平行光是否必须，如果不是平行光，对实验是否会有影响，通过思考，我们将会对透镜的傅里叶变换功能，以及物体的频谱面与成像面有更深刻的理解与认识。因此，我们认为在实验课的教学中，在实验结束时进行简短的讨论，让学生对实验原理与过程进行简单的回顾与思考十分必要，能起到事半功倍的作用。对于实验最终结果不佳的学生尤其如此，我们可以引领学生一起学会分解问题，将问题的脉络分解清楚，逐步分析讨论问题出现在哪里，应该如何解决，最终理解所学的知识点并得到提高。

四、与软硬件的结合是对实验的很好补充

近年来，随着计算机软硬件技术的快速发展，基于计算机软硬件的光学信息处理研究成果不断涌现，应用范围日益扩大。在现今的工作尤其是科研工作中，一些软硬件已经成为科研人员分析、解决问题必不可少的工具和手段。我院对学生在一些软硬件的知识需求也日益增加。因此，在阿贝成像与空间滤波实验中，我们设计引导学生利用Matlab软件完成整个实验的模拟与仿真，通过模拟仿真实验进一步提高学生对相关知识点的理解，同时帮助学生更好地理解Matlab软件在一些光学信息处理工程项目中的应用，促进学生更加自如地将理论与应用结合。在光学实际实验中，我们一般只能采用有限的光栅模板进行实验处理，但是在Matlab软件中，我们可以轻松模拟各种不同类型的光栅以及各种类型的滤波器，比真实实验更加直观准备，可以帮助我们更好地理解阿贝成像与空间滤波实验。将模拟实验与实际实验相结合，这也是现代科技发展的需求。

结束语：

总之，实验教学是一门艺术，为了上好实验课，不断提高实验教学质量，让信息光学学科的特点充分体现，真正起到提升学生水平与能力的作用，让学生得到最大的锻炼，需要教师的不断摸索和尝试。本文主要针对近年来的教学经验，浅谈了作者的几点教学体会，我们深知还有很多问题需要我们解决和探索，为学生提供更好的实验平台。

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