基于虚拟仿真“现代工程光学”教学内容的探索

图1中（a）（b）（c）分别是当瞳孔直径为3mm、6mm和8mm时的人眼光学模型的光路图，从左向右，第 1、2 个表面表示角膜的前后表面；第 3 个面表示人眼的瞳孔位置，也是系统的光阑位置，因为人眼的瞳孔相对于光轴偏向鼻侧约0.5mm[4]，所以在第3个面中也引入了这一非轴对称特点；第 4、5 个面为晶状体的前后表面；第 6 个面为视网膜，即系统的像面，弯曲的视网膜面型能很好的矫正宽光束的场曲。其中，角膜和晶状体的面型采用了双二次曲面表示法，角膜的折射率为均匀分布，而晶状体的折射率为梯度渐变分布形式。

结合 Zemax 软件中建立的如图1所示的人眼模型，进行有关人眼成像的理论教学，不仅可以更直观得展示出人眼光学系统的成像特性，有利于学生对这部分光学知识点的理解，而且通过拓展有关非球面面型和渐变折射率分布的内容介绍，使得学生对于可从外界获得超90%的信息的视觉光学有了更深的认识、引起更多的探索兴趣。

2.2 将“中国天眼”引入望远镜系统与球差的教学

“中国天眼”，是我国具有自主知识产权、用于探索宇宙的单口径球面射电望远镜，全名是“500米口径球面射电望远镜”，英文名为 Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope（FAST）, 是目前世界最大望远镜，开创了建造巨型射电望远镜的新模式[3]。可将其引入课程的理论教学中，主要通过以下两个方面。

一方面，学习“典型光学系统”中有关望远镜系统的光学原理时，在获得望远镜的分辨率和孔径正相关的关系后，通过课前发布在教学群里并要求学生已观看的有关视频资料[5]，探讨“中国天眼”的望远本领及其先进性和“时代楷模”南仁东科学家的故事，进而引入课程思政，激发学生的自豪感、社会责任感和担当精神[6]。而且，还通过最新的新闻报道[7]，了解到：中科院国家天文台利用 FAST 对致密星系群“斯蒂芬五重星系”及周围天区的氢原子气体进行了成像观测，发现了 1 个尺度大约为 2 百万光年的巨大原子气体结构（见图 2），比银河系大 20 倍——迄今为止在宇宙中探测到的最大的原子气体结构，相关成果 2022 年 10.19 日在国际学术期刊《Nature》在线发表[7]，从而引导学生产生对最新科技发展实时关注的兴趣，激励学生努力学习，争取今后可以获得更多的科研成果，推动我国科技的发展。

另一方面，学习后续的像差理论时，在几何像差中的第一个像差——球差概念的讲授之前，结合前面有关“中国天眼”的视频资料内容[5]，如图 3 所示，当其主动反射面若是球面时，对电磁波的聚焦特性无法形成焦点所以需要采用椭球面这一技术点提出关注与疑问，请学生带着“为什么球面无法形成焦点？”这一问题进入有关球差的学习。最后，通过球差的具体理论知识的学习后，学生可以收获：(1)能够理解球差有关的概念，掌握随着孔径的增大，球面的光线追迹交光轴于不同的位置并与理想像点的偏离程度逐渐增大，所以无法聚于一点形成焦点，从而可以解答这一问题;(2)“中国天眼”的名称虽然是“500米口径球面射电望远镜”，但其主动反射面其实是非球面的;(3)能够切身体会到高科技实质上是许许多多的专业基本知识的积累与应用，进而激发他们主动学习理论基础的积极性。