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摘要：文章首先阐述了新工科背景下光学工程学科仿真软件课程体系构建的意义，然后论述了新工科背景下光学工程学科仿真软件课程体系构建的路径，最后提出了新工科背景下光学工程学科仿真软件课程体系构建的注意事项。
关键词：课程体系,仿真软件课程,光学工程学科,新工科
目前，我国正处于重要的发展战略机遇期。“十四五”规划明确提出在事关国家安全和发展全局的基础核心领域，如人工智能、量子信息、集成电路等方向，要制定和实施战略性科学计划和科学工程[1]。因此，高校中相对应的工科学科的教育教学质量也要进一步提升[2-4]。根据“十四五”规划的精神，高校在设置工科学科时要具有针对性，建立学科的专业动态调整机制和特色发展引导机制，不断推进人才培养模式改革。这一指导方针与教育部、工业和信息化部及中国工程院在2018年提出的新工科建设意见不谋而合[5-6]。工科是立足于实践和应用的学科，对工科人才的培养不能只停留在传授书本上的理论知识，还需要面向实际应用，进行动手能力训练，从而使学生能够利用所学知识解决实际产业需求中的问题，这是当前工科人才必须具备的素质和能力。
然而现在高校工科的课程设置，尤其是实验相关的课程安排存在诸多问题，不利于传统工科专业的改造升级及重大战略领域的人才培养。仿真软件是一种特殊的载体，支持学生仅通过电脑设备就可以开展动手训练，不需要复杂、昂贵的实验设施。同时，由于仿真软件的特殊性，其相关课程可以在线上开展，受到突发事件的影响较小，因此很适合高校在现阶段逐步推广。结合我国对工科教育改革的需求及现实背景，本文以光学工程学科为例，提出充分利用成熟的商业化仿真软件辅助教学的思路，以探索新的工科教育模式。
一、新工科背景下光学工程学科仿真软件课程体系构建的意义
传统的实验课程体系存在诸多问题，如实验案例比较固定、脱离前沿方向、脱离产业需求、受突发事件影响明显等。利用商业化的仿真软件是近年来新兴的辅助工科教学的方式[7-8]。相比传统的实验课程教学，利用仿真软件进行教学有许多独到的优势，因此在新工科背景下，光学工程学科仿真软件课程体系构建具有十分重要的意义，具体可以分为以下四点。
(一)避免安全隐患
对于光学工程学科来说，一些线下的实验项目具有一定的危险性。例如，与激光相关的实验中，若操作不当，学生容易被高能量的激光灼伤；更有甚者，如果学生未按要求正确佩戴护目镜，则有可能对眼睛造成严重的伤害。在其他一些光学实验中，还会接触到高压气瓶、易燃易爆危险品、具有毒性或腐蚀性的实验材料等。而在仿真软件课程中则没有安全方面的隐患，教师可以任意引导学生探索不同的领域，尝试不同的案例。例如，借助仿真软件学生可以直接分析激光光斑的光强分布，而不用担心任何安全问题。同样地，学生可以通过电磁场计算软件，探索光与物质相互作用的过程，了解最前沿的微纳光学知识，无须接触微纳加工过程中涉及的具有毒性或腐蚀性的化学试剂，如此能够极大提高教学的安全性。
(二)降低对设备的依赖性
进行线下实验及仿真软件训练都是为了加深学生对所学知识的理解。传统实验往往依赖设备，除去昂贵的购置费用以外，还需要消耗大量的时间，以及要对设备进行日常维护。有些设备在操作时也比较烦琐，经常需要提前进行准备工作。此外，一些实验器材数量有限，或者体积较大，若干学生只能共用一套设备，每个人得到的操作机会比较有限。还有就是受设备的限制，现在光学相关学科中普遍开展的实验项目比较有限，包括杨氏双缝干涉实验、牛顿环实验、迈克尔逊干涉仪实验、全息实验等。这几个经典实验的思路及步骤都相对固定，不利于学生接触光学发展的前沿，难以发散思路。而利用仿真软件进行训练，则能避免这些问题。第一，软件训练只需要一台电脑即可，不必准备专用的器材及实验室，省去了日常维护的过程；第二，软件在使用时可以做到开机即用，大大节省了师生的时间；第三，每个学生在仿真软件课程中都能够得到充足的操作机会，不会出现多人共用设备的情况；第四，学生可以通过各种软件，了解光学领域的各个研究方向，自由接触最新的研究成果，而不会受到任何设备及实验条件的限制；第五，虽然商业化的仿真软件一般需要购买版权才能使用，但与实验器材高昂的价格及维护费用相比，仍能节省大笔资金，可以有效控制课程设置的成本。
(三)案例更加面向应用
光学工程学科教学中，传统的光学实验，如干涉、衍射实验及全息实验等，更加侧重对物理现象的展示，其主要目的是通过实际动手操作，让学生加深对物理原理的理解，但与应用方面的衔接往往不够紧密。通过合理设置仿真软件课程则可以培养学生灵活运用所学知识的能力，更加面向实际应用。例如，在ZEMAX仿真软件课程中，可以进行大量的实用案例训练，其中一个典型案例就是让学生自主设计一款手机镜头，并对成品方案的球差、慧差、像散、场曲、畸变等各种指标进行评估，从而理解成像系统优化的过程，以及各项指标之间的区别与联系。不仅是ZEMAX，学生工作之后使用到的软件许多都可以在学校开设的仿真设计课程中接触到。可见，仿真软件课程可以作为学生未来工作的启蒙，能对学生的就业提供极大的帮助。
(四)教学时间更加灵活
线下的光学工程学科实验课程需要学生与教师都亲自到场，集中在实验室中进行操作，要求较高。然而目前国内许多地区的高校都采用网上授课的方式进行教学。这种情况下传统的实验课自然也难以开展，而仿真软件课程则没有这方面的顾虑，非常容易实现线上教学。教师可以通过网络引导学生学习软件的各项功能并及时得到反馈，即使学生不在学校也不会受到影响。概言之，线上的仿真软件课程不会因为突发事件而耽误教学进度，相比于传统实验课程，教学时间更灵活。
二、新工科背景下光学工程学科仿真软件课程体系构建的路径
实际上，国内许多高校已经开设了基于成熟的商业化仿真软件的相关课程。在光学工程学科领域，一些高校会利用ZEMAX软件来辅助高年级本科生学习光学系统设计的相关知识[9-10]。但是目前国内高校对仿真软件相关课程的设置还比较随意，缺乏系统性的安排，学生接触到的仿真软件种类也较为单一。笔者总结了目前仿真软件课程设置中存在的问题，然后基于此提出了光学工程学科仿真软件课程体系的系统性构建思路。
(一)软件训练与理论课程同步进行
光学工程学科软件训练搭配理论课程的目的是让学生及时巩固所学知识，即通过接触足够的应用案例，达到融会贯通、学以致用的效果。因此，仿真软件课程安排的时间和顺序一定要合理。例如，在学生学习电磁场理论、光波导理论等相关课程的同时，要安排电磁场仿真软件(像FDTD Solutions或CST Stu－dio Suite)课程进行巩固训练[11-12]；类似地，光学系统设计软件(像ZEMAX或CODE V)要跟随几何光学、应用光学、工程光学等相关课程一起学习[13-14]。相关的理论及仿真软件课程需要安排在同一学期进行，每周的软件课应在理论课之后的2~3天进行，二者的进度始终保持一致。如果仿真软件课程提前于理论课程，学生容易一头雾水，不明所以；如果仿真软件课程滞后于理论课程，那么学生容易将所学理论知识遗忘，在进行软件训练时事倍功半。二者相隔2~3天同步进行，既能保证学生有消化理论知识的时间，又能趁热打铁，利用大量的仿真案例加深学生对知识的理解，起到理论课程与仿真软件课程相互促进的效果。
(二)循序渐进地介绍软件各项功能
一些光学工程学科的教师在开展仿真软件课程教学时，会一股脑地先把软件的界面及全部功能都介绍给学生，以致学生面对满屏的功能按键时往往会感到茫然。合理的方法是循序渐进，配合理论课程的进度，每堂课只给学生介绍1~3个软件功能，并通过案例演练及时巩固授课内容。这样学生就有充足的时间熟悉软件的每项操作，掌握起来比较扎实。教师在开展仿真软件课程教学时应当遵循上述规则，在引导学生学习软件时做到一步一个脚印，给学生消化知识的时间。除此之外，学生每完成一个小的案例或项目，教师都可以要求学生撰写实验报告，这样可以确保每项设计都由学生亲自完成，避免学生互相借鉴抄袭，进一步加深学生对软件的理解。同时，教师也可以通过实验报告得到实时的反馈，掌握学生的学习动态，并对后面的教学安排进行及时调整。
(三)目标型案例与发散型案例并用
在光学工程学科仿真软件课程教学过程中，对待案例最常见的方法是由教师提出一个明确的目标，并预设好系统评价的若干指标，学生则利用软件进行设计和优化，最终获得一个满足各方面要求的设计方案。例如，教师会让学生设计一个显微物镜系统，并对系统的放大倍数、数值孔径等参数提出具体的要求。这种教学思路有一定的优点，包括能够锻炼学生正向解决问题的能力、符合产业界创新研发的顺序等，因而有必要继续坚持。然而这种教学方式也存在一些问题，如学生很容易陷入“唯结果论”，最后演变成单纯的调参尝试而不知其所以然；在条条框框的约束下进行设计，学生可发挥的余地不多，思路容易被禁锢。因此，教师设置一些发散型案例也是有必要的。这种训练没有任何预设的目标，也不会规定评价指标，学生可以自由选取设计方向，任意改变参数和边界条件，只要设计方案能自圆其说即可。这种发散型案例有助于学生进一步理解软件背后的物理原理，并且举一反三，提出具有创造性的设想。
(四)尝试交叉学科仿真训练
光学工程学科仿真软件训练的根本目的是尽可能地模拟真实条件，帮助学生进行相关知识的学习。目前，大多数仿真软件只能面向一个学科方向进行训练，然而现实世界是复杂的，绝大多数情况下都需要考虑交叉学科的共同作用。例如，一个很简单的手机镜头就包含了物理学中力、热、光、电等各个领域，在设计时不仅要考虑光学方面的问题，还要考虑光电信号的转换、镜头的重量、结构的优化、材料的热胀冷缩，以及系统的鲁棒性等各个方面。这一点在空间望远镜系统的设计上体现得更为明显，因为系统工作在外太空，不仅要适应极端的温度，还要在保证结构强度的情况下尽可能地降低系统的重量，以降低火箭运载的成本。
可见，只局限在某一学科领域的仿真软件课程往往距离实际应用有一定的距离。然而目前高校中还比较缺乏交叉学科仿真软件的训练，这就容易造成学生只会“纸上谈兵”，而在面对实际问题时无从下手。对此，在今后的光学工程学科仿真软件课程体系中，可以面向高年级学生多开设一些支持多物理场仿真的软件课程，如COMSOL等，以培养学生解决综合问题的能力。在此，需要注意以下三个问题：首先，多物理场软件的开课要求较高，学生要对若干领域都具备一定的理论知识基础，因此不宜在低年级学生中开设；其次，在进行多物理场软件训练时，学生不可避免地要涉猎多学科的内容，其要分清主次，避免在其他问题上消耗过多时间，耽误了本专业知识的学习；第三，多物理场软件训练课程要面向实际应用，不能无节制地将各种物理场叠加在一起，这样往往会对学生解决真正的核心问题造成干扰，导致效果不好。
(五)根据软件特点灵活选择结课形式
光学工程学科仿真软件课程的结课不能拘泥于形式，更不能只采取笔试等单一的评价方式，而要根据不同软件的特点选择合适的结课及评价方式。一般来说，可以分为平时的小设计作业(或实验报告)和期末的大设计展示两部分来进行。下面以ZEMAX软件训练的结课评价举例说明。
1.平时设计作业或实验报告。如前文所述，在ZE－MAX软件课程中，每学习软件的1~2项功能，教师就可以布置小设计任务，让学生及时巩固所学知识。教师可以根据学生反馈的设计作品或实验报告进行打分。需要注意的是，目标型设计和发散型设计的评价侧重点是不同的，前者要更关注设计方案的实用性、结构合理性等方面，而后者要更加侧重于评估设计的创新性，避免将现实条件的约束代入评价过程。平日的训练及经验的积累是熟练掌握一种软件各项功能的基础，因此这些平时的小设计作业在结课评估时所占的比重应该比期末的大设计更大，可以按60%计算。
2.期末大设计展示。期末的大设计任务旨在让学生充分展示在仿真软件课程中所学的知识和技术，是对学生运用软件能力的综合考查。根据任务量的大小，期末设计可以由单人完成，也可以几人组队完成，最后以“产品发布会”的形式对设计方案进行展示。每组队员要准备一个展示报告，面向大家来介绍、宣传本组的设计方案。报告的形式不限，可以是PPT，也可以采取动画或视频的方式进行。在准备报告的过程中，组员必须充分挖掘设计方案的优点，这样可以促使学生尽可能地参与设计过程，了解相关知识。此外，“产品发布”环节还可以锻炼学生的表达能力，符合翻转课堂的精神，即将学习知识放在课外时间，并将结课展示时的主动权交给学生，教师只负责引导和评判工作。如果其他的仿真软件课程不适合采用“产品发布会”的结课形式，那就需要选取符合软件特点的方式进行结课。需要注意的是，如果期末的大设计是由学生组队完成，那么教师要公平衡量每个学生所做的贡献，避免一个小组中只有一人“挑大梁”的现象。期末设计在结课评估中的占比可以按40%计算。综合平日的设计作业得分与期末大设计展示的得分，就可以得到学生本门课程的结课成绩。
三、新工科背景下光学工程学科仿真软件课程体系构建的注意事项
虽然光学工程学科仿真软件课程具有许多传统实验课程不具备的优势，但构建仿真软件课程体系时也要适度、合理，不能盲目追求开课数量，同时也要注意软件使用中的版权问题。
(一)仿真软件课程体系构建需合理，避免“矫枉过正”
仿真软件课程的设置需要适量、合理。高校在工科教育教学改革中不能一味地追求面向实际应用，设置过多的仿真软件课程，这样会影响理论教学。如果让学生过早、过多地接触仿真软件，由于学生的基础没有打好，理论知识体系建立得不够完整，其在使用软件时就会表现得捉襟见肘，也很难举一反三。高校在设置课程时一定要做好理论基础与应用实例的合理兼顾，结合自身的特点，扬长避短，避免“矫枉过正”。
(二)重视仿真软件版权问题，避免产生纠纷
一般来讲，商业化的仿真软件都需要购买版权才可以使用，这是开设仿真软件课程需要注意的一个问题。由于在课程中需要使用软件的人员较多，而且购买仿真软件的版权一般都具有时效性，并不是永久有效的，因此会产生一定的开课成本，需要提前做好规划。现在有些仿真软件可以学校的名义购买集体账号，允许多台设备共同使用，这样能够有效地节省成本。概言之，教师在授课时一定要注意软件的版权问题，提前做好预算，从而避免产生纠纷。
四、结语
本文结合新工科建设意见对工科教育改革的要求，以光学工程学科为例，提出了充分利用仿真软件辅助教学的思路。相对于传统的实验课程，仿真软件训练有许多独到的优势，可以为学生提供足够面向应用的训练机会。考虑到目前的现实背景，仿真软件课程更适合在高校中推广普及。通过系统性地构建仿真软件课程体系，可以做到理论知识学习与实践案例相结合，让学生接触更多以产业需求为导向的内容，达到事半功倍的学习效果。概括来说，研究并推广合理的仿真软件教学模式，非常符合新工科教育改革的思路，对探索工科教育中的新理念、新标准、新方法，以及培养新的时代的工科人才都具有十分重要的意义。
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