工程光学虚拟仿真实验教学中心
来源： 作者： 发布时间：2022-04-29北京理工大学是一所国防特色鲜明、学科优势突出的985工程重点建设高校，多年以来，学校始终坚持高等教学、高新技术与开发、科研与高层次人才培养并重，为国民经济、国家安全、科技发展做出了重要贡献。光学工程是北京理工大学传统优势学科，始建于1953年，是全国最早设立光学专业的学校之一，54年始招收研究生，81年国家首批硕士学位点，83年设立军用光学、光学仪器博士学位点，后经教育部学科名称调整成为光学工程博士学位点，85年设立我国首批博士后流动站，始终为国家重点学科且排名前列。
随着科技发展，国家对光学学科相关的工程型人才提出了更高的要求。光学是物理学的重要分支学科，因此在教学与科研相结合、互支持、谋创新的发展道路上，学校工程光学学科主要依托北京市物理实验教学示范中心，结合工信部教学实验示范中心——光电教学实验中心、北京市混合现实与新型显示工程技术研究中心、光电创新实验教学基地，以及多个国家级或省部级重点学科、重点实验室（如图所示），建设了“工程光学虚拟仿真实验教学中心”（以下简称“中心”）。
中心主任、长江学者王涌天教授指导过全国优博（2006）和全国优博提名奖（2011）、北京市优博（2013），是973首席科学家，科技部信息技术领域专家组成员。中心形成了以周立伟院士、王涌天教授为首席、中青年为中坚、学术水平高的学术梯队，包括中国工程院院士1名、国家级高层次人才4名、国家级高层次青年人才2名、跨/新世纪优秀人才13名，北京市高校教学名师3人，80%以上的教师具有博士学位。中心具有优异的科研与实验条件，实验室面积约6000m2、设备价值约11000万。
经过多年的积累与发展，中心已经形成了组织结构健全、平台系统完备、课程体系完整、学科覆盖广泛的教学体系，具有可持续发展的良好态势。“超常规光电图像获取、处理和显示技术”研究队伍06年获批“教育部创新团队”。中心团队现承担国家重大专项、973、863、大科学工程、自然基金重点项目和仪器专项、国际合作重点项目、国防装备/ 重点预研/基础研究等众多项目。在教学方面，中心有李林、白廷柱、胡海云三位北京市教学名师，以名师为核心，引进高水平和国外经历人才，培养青年教师，建设了国家级精品课程“光电成像原理与技术”和北京市精品课程“应用光学”、“大学物理实验课”，以及相应的教学团队。李林教授负责的“技术光学”教学团队获北京市优秀教学团队称号；赵跃进教授指导过北京市优博（2010）和全国优博（2011）；郝群教授曾任日本东京大学 客座研究员和美国凯斯西储大学讲座教授，近年来连续牵头获得国家级教学成果二等奖、北京市教学成果一等奖，与美国亚利桑那大学、Pharos Scientific LLC公司，俄罗斯科学院、萨马拉国立航空航天大学等院所签订了学生联合培养协议，培养学生的国际化学术视野和实践创新能力。教授们在教学一线，将高水平科研成果、国际科技前沿带入课堂，同时带动教学中心的青年教师，在其传帮带作用下，青年教师黄一帆荣获北京高校教学基本功一等奖、霍英东基金会优秀青年教师奖，翁冬冬副教授获得挑战杯全国大学生竞赛“优秀指导教师”。教学中心中多名青年教师先后获得T- more优秀教学成果奖、教学基本功大赛二等奖等。
光学是物理学的重要分支专业。近几十年来光学和工程光学迅猛发展，开始进入一个新的时期，成为现代物理学和现代科学技术前沿的重要组成部分。在技术领域，光学与电子技术、通信理论等的结合应用对于现代社会诸多行业有着重要意义。光电类学科作为北京理工大学的特色学科，致力于培养物理基础扎实、专业技能优异的新型光电人才。中心非常重视学生实践能力的锻炼，旨在让专业学生通过实验有效掌握光学基础知识与实验技能，同时高度强调创新思维的培养，学生们在老师的指导下团队合作运用光电知识与技术，完成了一系列优异的作品并获得奖项。
为了有效进行教学内容的深化改革，完成课程内涵建设，亟需将探究型的学习思维和创新型的学习方式应用到教学过程中。为使学生全面掌握课程的基本理论、概念、原理和方法，需运用物理的基础概念结合光学原理进行现分析、理论探索、系统设计和模拟仿真。然而，在教学过程中，由于“光学机理不可视、器件微观结构不可及、光对物质作用不可逆、前沿创新普及难”等因素，现有实验教学方法难以满足学生对工程光学相关课程内容的全面和深入理解。
借助虚拟仿真技术，可将光线的传播过程以及其与物质的作用过程生动、逼真地模拟出来，该技术的成功应用是解决工程光学相关专业教学改革全面推进的核心和关键，“虚拟实验”的思路正是为此而提出。为此，中心开设了支撑物理基础层、光电创新层和前沿探索层覆盖的多门课程的51个虚拟仿真实验。虚拟现实和计算机仿真技术有效地支持了大学物理与光电课程的实验体系建立，使光学的基本理论、概念、原理等问题得到了充分的表达、展现和验证，为完善工程光学教学改革提供了一条有效的途径，也为理论性较强、抽象概念多的信息类学科、基础类学科找到了可借鉴的实验方法。
中心主要依托北京市级物理实验教学示范中心以及光电教学工信部教学实验示范中心，学校在师资队伍建设、教学用房、经费投入等方面给予了很大力度的支持，取得了良好教学效果，自主研发的服务于全校的开放式“实验教学与管理网络平台”大大提高了课程的管理效率和学生的学习效率。中心“基于创新能力型人才培养的实践教学体系构建”获得2014年国家级教学成果二等奖；“以世界科技前沿、国家战略需求为引导的高水平创新型人才培养的十年探索与实践”获得2014年中国学位与研究生教育学会研究生教育成果二等奖；“光电类创新型高级工程人才培养模式与创新体系构建”获2013年北京市高等教育教学成果一等奖；“培养高素质工程技术人才的光电信息特色课程和优势专业建设探索与实践”获得2013年北京市 高等教育教学成果二等奖。2009年“大学物理实验课”被评为“北京市精品课程”，2012年 获得北京理工大学教学成果一等奖。光学精密仪器课群研究型教学团队获北京市三八红旗集体称号。中心教师获得北京市“教学名师”称号和“优秀教师”称号，2013年以来发表教学改论文11篇，承担校级以上教改课题20项，在学生创新能力方面也取得了丰硕成果，在各种创新性科技竞赛上获得好成绩，其中国家级奖项8项，北京市奖项9项。
中心教学的辐射作用显著，不仅以校园网为平台的虚拟实验体系面向全校师生开放，同时在中小学生教育领域也有着重要的作用。中心是北京青少年科技后备人才早期培养计划科研实践基地，每年都吸收学习成绩突出的优秀青少年参与科技创新实践，教给他们初步的科学研究方法和技能，启迪他们的科学思维，激发他们对科学探索的兴趣，以期培养具有创造精神和能力的高素质青年人才。中心与北京理工大学附属中学、北京交通大学附属中学、中国人民大学附属中学、八一中学等建立有良好的合作关系，开设有暗环境下瞳孔大小随光照变化的测量方法设计及实现、非视域成像系统成像探测实验研究等项目。中心在中国人民大学附属中学建立了光电技术创新实验室并开设了相关课程，配备了增强现实教学软件平台，课程中设计到的相关知识在平台中都有相应体现。中心为北京理工大学附属中学的理工实验班开设“虚拟现实和增强现实技术”课程，同学们通过参观实验室亲身体验虚拟现实技术。同时，中心与教育部教学仪器研究所和高等教育出版社合作，研制了多款面向儿童的增强现实教育平台。
中心还积极开展对社会公众的科普工作。在法国Laval Virtual虚拟现实展会所展示的增强现实数字复原技术是唯一代表中国参展的创新技术，其原型技术，文化背景内涵和展台布置的中国风吸引了大量专业人士和公众的浓厚兴趣，获得展会颁发的最佳图像奖。中心承担的三项863科技成果参加了“十一五”国家重大科技成就展，同时参加了在北京和天津等地举办的863成果巡展、北京科博会和北京科技周等一系列科普展览。中心在北京 圆明园西洋楼景区设置了基于增强现实技术的圆明园现场数字重建系统，为中国科技馆、 广东科学中心、中国光学科学技术馆提供了科普展项，取得了显著的社会效益。