趙同剛, 任建華
(北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院,北京 100876)
光信息科學(xué)與技術(shù)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和探索
趙同剛, 任建華
(北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院,北京 100876)
光信息科學(xué)與技術(shù)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程在學(xué)生學(xué)習(xí)基本理論、基本知識(shí)、基本技能,培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力等諸多方面發(fā)揮了重要的作用。論文從教學(xué)內(nèi)容、體系建設(shè)改革等幾個(gè)方面入手,總結(jié)了北京郵電大學(xué)“光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)改革的經(jīng)驗(yàn)。改革后,該課程豐富并完善了具有通信專業(yè)特色的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。通過(guò)該專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí),學(xué)生將不僅全面了解光纖通信系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)的相關(guān)技術(shù),光通信器件的工作機(jī)理、特性和基本參數(shù),而且掌握光通信領(lǐng)域熱門前沿技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方法等。實(shí)踐表明:學(xué)生在應(yīng)用能力,設(shè)計(jì)能力方面都有了較大提高。
光信息科學(xué);綜合設(shè)計(jì);專業(yè)實(shí)驗(yàn);教學(xué)改革
光信息科學(xué)與技術(shù)是物理學(xué)、電子學(xué)、光學(xué)和計(jì)算機(jī)多學(xué)科的交叉學(xué)科。該專業(yè)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)是我校該專業(yè)在大學(xué)四年級(jí)必須要進(jìn)行的一門涵蓋基礎(chǔ)、設(shè)計(jì)、系統(tǒng)、綜合的一門重要實(shí)驗(yàn)課程。旨在通過(guò)該實(shí)驗(yàn)課程,可以使學(xué)生全面了解光纖通信系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)的器件及其相關(guān)技術(shù)。該課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及:器件的工作機(jī)理和特性,基本參數(shù)及其檢測(cè)技能;掌握光通信系統(tǒng)中的相關(guān)技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方法;熟練使用和掌握常用通信測(cè)試設(shè)備的使用方法及其工作原理,如光功率計(jì)、光譜儀等。在這門課程上,同學(xué)們結(jié)合理論,通過(guò)多種實(shí)踐活動(dòng)可以提高自身的理論水平和動(dòng)手能力,同學(xué)們的科研水平將進(jìn)一步提升,為繼續(xù)深造和就業(yè)都將打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。通過(guò)這門豐富多彩的專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程,學(xué)生可以把實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和大學(xué)前3年的一些課程內(nèi)容進(jìn)行自主結(jié)合,將受到跨學(xué)科的綜合實(shí)踐訓(xùn)練。
這幾年來(lái),我們對(duì)該專業(yè)實(shí)驗(yàn)的課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段等方面進(jìn)行了教學(xué)探索和改革。通過(guò)研究國(guó)內(nèi)外光信息科學(xué)技術(shù)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教材和有關(guān)教學(xué)材料[1-4],在教學(xué)內(nèi)容與教材建設(shè)上完善了課程教學(xué)大綱,不斷更新實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)內(nèi)容,形成了具有北郵通信特色的一整套實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和講義。在教學(xué)方法與采取的實(shí)驗(yàn)手段上,采取理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的方式,也不斷推陳出新。實(shí)踐表明,改革實(shí)驗(yàn)內(nèi)容后的專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程提高了學(xué)生的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、動(dòng)手能力,取得了比較好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。
光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程是實(shí)踐性很強(qiáng)的課程,要求學(xué)生不僅從理論上掌握激光原理,光纖通信系統(tǒng),光電檢測(cè)原理,光電子學(xué)等重要課程所涉及的基礎(chǔ)理論,還要求學(xué)生能很好地綜合電路分析、數(shù)字電路、模擬電路、射頻電路、電磁場(chǎng)與電磁波等相關(guān)知識(shí),使學(xué)生最終具備較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用能力。為此,本實(shí)驗(yàn)課程雖是完全實(shí)驗(yàn)課,但在每次課前,老師都采取理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的方式,專業(yè)實(shí)驗(yàn)前先回顧理論知識(shí),然后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn),要求學(xué)生實(shí)驗(yàn)中能自主做到理論和實(shí)踐結(jié)合,能通過(guò)理論知識(shí)來(lái)正確指導(dǎo)自己的實(shí)驗(yàn)過(guò)程,同時(shí)如果在實(shí)驗(yàn)中遇到的一些問題,也能運(yùn)用理論知識(shí)以求自主解決[1-4]。
現(xiàn)在光信息領(lǐng)域發(fā)展非常快,我們安排的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容既要能夠體現(xiàn)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)的結(jié)合、又能將基礎(chǔ)性與前沿性、理論性與實(shí)踐性的統(tǒng)一。這是專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的立足點(diǎn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生牢固掌握光器件的物理機(jī)制,掌握和了解光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)信號(hào)處理領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題的現(xiàn)狀和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì),具備能夠運(yùn)用現(xiàn)有的知識(shí)去研究光信息科學(xué)與技術(shù)的能力。改革后在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上,我們按照?qǐng)D1所示來(lái)進(jìn)行專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)科目的規(guī)劃[5-7]:
圖1 實(shí)驗(yàn)體系的優(yōu)化設(shè)計(jì)
(1)實(shí)驗(yàn)技能培訓(xùn)。這包括光譜儀,穩(wěn)定激光光源,光功率計(jì)的相互校準(zhǔn),儀器設(shè)備的使用,組織同學(xué)們自行進(jìn)行光纖端面處理、光纖切割、熔接、光時(shí)域反射儀測(cè)量熔接損耗等動(dòng)手性操作,這個(gè)過(guò)程下來(lái),同學(xué)們基本的操作和動(dòng)手能力得到提高,儀器儀表使用正確,為以后的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)打下一基礎(chǔ);
(2)基本型的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。包括半導(dǎo)體激光器靜態(tài)特性測(cè)量;PIN管的靜態(tài)特性測(cè)量;LD和PIN管動(dòng)態(tài)特性測(cè)量;插入損耗與回波損耗測(cè)量;光開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間測(cè)量;光纖光柵傳感的特性測(cè)量;聲光效應(yīng)與聲光調(diào)制綜合實(shí)驗(yàn);電光效應(yīng)與電光調(diào)制綜合實(shí)驗(yàn);光纖M-Z干涉儀綜合實(shí)驗(yàn)等。通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)可對(duì)光通信領(lǐng)域常用的核心光器件的原理、工作特性有全面認(rèn)識(shí);
(3)設(shè)計(jì)型和綜合型實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生能力的重要途徑,我們認(rèn)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)定。在這個(gè)階段我們安排了以下內(nèi)容:全光波長(zhǎng)變換綜合實(shí)驗(yàn);可見光OADM綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);摻鉺光纖放大器(EDFA)綜合實(shí)驗(yàn);喇曼光纖放大器綜合實(shí)驗(yàn);可調(diào)諧光纖激光器綜合實(shí)驗(yàn);光纖通信系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)??梢钥闯觯@部分實(shí)驗(yàn)都是光信息專業(yè)所有老師結(jié)合這幾年的科研成果和光通信發(fā)展的主流,自主開發(fā)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。目的是在于使學(xué)生們通過(guò)實(shí)驗(yàn)不僅提高其動(dòng)手能力,從而更加能夠?qū)I(yè)知識(shí)深刻把握,并不斷激發(fā)出同學(xué)們的創(chuàng)新能力。設(shè)計(jì)型的實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)北京郵電大學(xué)電子、信息類的本科生和研究生的學(xué)科特點(diǎn)設(shè)計(jì),內(nèi)容上都有著濃郁的通信特色。為同學(xué)們以后進(jìn)入研究生階段學(xué)習(xí)和盡快適應(yīng)未來(lái)工作需要,這部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排對(duì)同學(xué)們實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)環(huán)節(jié)的過(guò)渡非常有益;
(4)綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。綜合和創(chuàng)新是一名工科學(xué)生成為優(yōu)秀工程師所必備的能力。光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的同學(xué)要同時(shí)做好光學(xué)類、電路設(shè)計(jì)類的綜合與銜接也是比較困難的。這不僅需要光學(xué)知識(shí),還需要對(duì)光電處理電路相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí),沒有一定的光、電方面的實(shí)踐基礎(chǔ)是很難做到這一點(diǎn)。為了達(dá)到這個(gè)目的,我們?cè)O(shè)計(jì)了兩大類的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,讓同學(xué)們通過(guò)自己選題、自我實(shí)踐去完成一套激光光電信息處理電路設(shè)計(jì)。我們?cè)谶@一環(huán)節(jié),提供給學(xué)生的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[8-9]包括:①半導(dǎo)體激光測(cè)距實(shí)驗(yàn),同學(xué)們自己設(shè)計(jì)電路,選擇單片機(jī)或者FPGA信號(hào)處理單元,完成測(cè)距,要求測(cè)距長(zhǎng)度10 m左右。②利用從科研轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的SDH綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),進(jìn)行WDM系統(tǒng)測(cè)量以及光傳送網(wǎng)SDH性能的測(cè)試;需要測(cè)試的主要指標(biāo)包括:波長(zhǎng)中心頻率和波長(zhǎng)間隔的測(cè)量,光信噪比的測(cè)量,光監(jiān)控通道誤碼和抖動(dòng)特性的測(cè)量,SDH信號(hào)誤碼率和抖動(dòng)特性的測(cè)量。通過(guò)這部分知識(shí)的綜合,學(xué)生更容易加深各個(gè)課程的聯(lián)系,特別是彌合不同學(xué)科知識(shí)體系的縫隙,掌握如何將不同課程所學(xué)知識(shí)相互滲透與融合,提高綜合多門學(xué)科知識(shí)的能力。
現(xiàn)階段,著眼于光通信發(fā)展的美好前景,各兄弟院校通信相關(guān)專業(yè)都開設(shè)了光纖通信系統(tǒng),光電子技術(shù),光纖通信器件,激光原理,光信息處理等相關(guān)理論課程。然而,相關(guān)的測(cè)量和實(shí)驗(yàn)課程卻相對(duì)薄弱。因?yàn)閷I(yè)性較強(qiáng),市場(chǎng)上這類實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器和平臺(tái)種類不僅少而且通信特色體現(xiàn)不明顯。教學(xué)改革這幾年,結(jié)合北京郵電大學(xué)所重點(diǎn)發(fā)展的光通信系統(tǒng)和光電子器件測(cè)量領(lǐng)域開展的專業(yè)實(shí)驗(yàn)課,我們開發(fā)了一整套的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),例如在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部分,包括半導(dǎo)體激光器、光電探測(cè)器器靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性測(cè)試平臺(tái),光纖回波損耗測(cè)試平臺(tái)等,如圖2所示[10-11]。
圖2 自主研發(fā)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
除此之外,為緊跟科研發(fā)展的平臺(tái)還有自主研發(fā)的光開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間的測(cè)量,電光效應(yīng)與電光調(diào)制綜合實(shí)驗(yàn),聲光效應(yīng)與聲光調(diào)制綜合實(shí)驗(yàn),馬赫-曾德光纖干涉儀綜合實(shí)驗(yàn),光纖光柵傳感的特性測(cè)試,光纖激光器綜合實(shí)驗(yàn),OADM綜合實(shí)驗(yàn)和EDFA綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái),這些實(shí)驗(yàn)平臺(tái),主要進(jìn)行設(shè)計(jì)性,綜合型實(shí)驗(yàn),它們涉及的知識(shí)涵蓋了現(xiàn)階段光通信的主流技術(shù),對(duì)現(xiàn)階段通用光纖、關(guān)鍵核心光器件的特性,同學(xué)們都可以自行進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)后,進(jìn)行相關(guān)測(cè)量,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,都涉及了器件包括光源、探測(cè)器、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器、光開關(guān)、光放大器、耦合器等等。實(shí)踐表明這些平臺(tái)性能可靠,可靠性高,誤差小。同時(shí),在開發(fā)這些測(cè)試平臺(tái)過(guò)程中,每種實(shí)驗(yàn)都緊密結(jié)合了光通信發(fā)展現(xiàn)狀,又充分反映了核心光器件所涉及的重點(diǎn)知識(shí)內(nèi)容。讓同學(xué)們通過(guò)實(shí)驗(yàn),對(duì)現(xiàn)代光通信,光電檢測(cè)技術(shù)不僅從理論,而且從應(yīng)用和動(dòng)手環(huán)節(jié)中,多個(gè)層面上多能有深刻理解。
綜合型實(shí)驗(yàn)中,老師以半導(dǎo)體激光器測(cè)距為題目,布置綜合選題,讓同學(xué)們自行設(shè)計(jì)系統(tǒng),選取芯片,完成一套脈沖測(cè)距或者激光測(cè)距系統(tǒng)搭建和調(diào)試,設(shè)思路計(jì)自選后再和老師交換意見。測(cè)距題目相對(duì)較難,對(duì)有鉆研精神的同學(xué)來(lái)講是個(gè)挑戰(zhàn)。布置給學(xué)生的參考實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3及圖4所示[12-13]。
實(shí)驗(yàn)要求:激光測(cè)距最遠(yuǎn)可以達(dá)到10 m,精度達(dá)10 mm,這個(gè)題目要求同學(xué)畫出原理圖,印刷電路版圖,根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果制作和調(diào)試系統(tǒng),最后測(cè)量后完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告,老師在指導(dǎo)過(guò)程中,不斷鼓勵(lì)同學(xué)在不偏離專業(yè)方向的前提下,按自己的設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)并完成。
圖3 激光脈沖測(cè)距原理參考圖
圖4 相位測(cè)距參考方案設(shè)計(jì)原理圖
實(shí)踐表明,在激光測(cè)距創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)結(jié)束后,學(xué)生參與設(shè)計(jì)的主動(dòng)性和積極性有了很大提高,激光脈沖測(cè)距的實(shí)現(xiàn)相對(duì)相位測(cè)距的實(shí)驗(yàn)方案來(lái)說(shuō),實(shí)現(xiàn)起來(lái)還是相對(duì)輕松。對(duì)廣大同學(xué),在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成相位測(cè)距,在電路調(diào)試方面還有一定難度。
我們?cè)诟母锕庑畔⒖茖W(xué)與技術(shù)專業(yè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、方法、教學(xué)手段的同時(shí),將現(xiàn)代化教學(xué)手段引入課堂,例如信號(hào)的產(chǎn)生,我們自主研發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),不僅有傳統(tǒng)的多頻率正弦信號(hào),方波信號(hào),現(xiàn)階段,在很多實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中,我們更加引入了聲音,圖像信號(hào)作為調(diào)制源,進(jìn)行光調(diào)制和光解調(diào)。這樣的實(shí)踐環(huán)節(jié)相對(duì)原來(lái)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更具有趣味性,更容易激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新興趣。多媒體的教學(xué)手段以其直觀生動(dòng)、信息量大、交互性強(qiáng)等特點(diǎn)充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,取得了良好學(xué)習(xí)效果。
實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革后,我們的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容將更加注重其開放性、綜合性、設(shè)計(jì)性。開放性主要指實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的開放性和管理手段的開放性。綜合性和設(shè)計(jì)性主要是指實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上不再局限于課程教學(xué)所限定的范圍,可以超出教學(xué)基本要求和大綱,可以由學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和內(nèi)容,以培養(yǎng)學(xué)生綜合能力和創(chuàng)新精神。
通過(guò)激光測(cè)距的實(shí)驗(yàn)題目,我們發(fā)現(xiàn)對(duì)學(xué)生具備了一些基礎(chǔ)技能后,在創(chuàng)新環(huán)節(jié)中,同學(xué)們自主性很強(qiáng),實(shí)驗(yàn)報(bào)告不再是簡(jiǎn)單的傳抄、而是學(xué)生的研究成果的匯報(bào)。學(xué)生的科研能力獲得很大提升[14-15]。
在光信息科學(xué)與技術(shù)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)課里,我們經(jīng)過(guò)多年的改革和積累,結(jié)合了專業(yè)教師這些年的科研成果和光通信發(fā)展的主流,建設(shè)的嶄新專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程,不僅滿足同學(xué)們對(duì)測(cè)量常用儀器儀表的使用和原理掌握;而且同學(xué)們很好學(xué)習(xí)了光纖和常用通信光電子器件的工作原理和特性測(cè)量和光通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)測(cè)量原理,包括SDH系統(tǒng)特性、WDM特性等知識(shí)。最后,通過(guò)激光測(cè)距等創(chuàng)新設(shè)計(jì)的鍛煉,學(xué)生們更容易做到融會(huì)貫通。學(xué)生們通過(guò)實(shí)驗(yàn),對(duì)光電子器件、光通信系統(tǒng)、光電檢測(cè)三大光信息核心內(nèi)容從實(shí)驗(yàn)角度進(jìn)行梳理,并通過(guò)相應(yīng)實(shí)踐環(huán)節(jié),學(xué)生動(dòng)手能力得到加強(qiáng)。實(shí)踐表明,每位學(xué)生通過(guò)一學(xué)期專業(yè)實(shí)驗(yàn)的鍛煉,動(dòng)手能力都有明顯提高,為大四畢業(yè)后更好地投入工作和繼續(xù)進(jìn)行研究生階段,打下一個(gè)堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。當(dāng)然,實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革是一個(gè)任重道遠(yuǎn)的課題,需要在今后的實(shí)踐教學(xué)中不斷摸索、不斷改進(jìn)。
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Teaching Reform and Exploration for Professional Experiments of Optical Information Science and Technology
ZHAO Tong-gang,REN Jian-hua
(School of Electronic& Engineering,Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing,100876,China)
The professional experiments of optical information science and technology have important effect on students studying the elementary theory,the elementary knowledge,the basic experimental skill,and train the student for their analyzing the question and solving the question ability.In this paper,from some aspects,such as education ideas,teaching content,the teaching reformation experiences are summed up in professional experiments.The professional experimental contents are enriched after reformation.By studying and practicing,the students in this major can not only understand the optical transmission system principles and measurement methods of optoelectronic components by experiments,but also grasp the frontier technologies used in optical transmission system and photoelectric detection skills in optical communication.The practice shows that the abilities of students have been improved greatly in some aspects,such as comprehensive design and application.
optical information science;comprehensive design;professional experiment;education reform
G 642.0
A
1006-7167(2014)05-0175-04
2013-07-04
北京郵電大學(xué)教改基金項(xiàng)目
趙同剛(1972-),男,河北廊坊人,博士,副教授,電子工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心主任,主要從事光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及光電檢測(cè)與傳感方面的研究。
Tel.:13810354225;E-mail:zhaotg@bupt.edu.cn