大學(xué)“光纖通信系統(tǒng)”課堂教學(xué)的學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)研究

谷 平，諶 靜，李培麗

(南京郵電大學(xué) 電子與光學(xué)工程學(xué)院、微電子學(xué)院，江蘇 南京 210023)

0 引言

信息化時(shí)代的大發(fā)展深刻變革了人類的生產(chǎn)生活方式，隨著以“人工智能”為代表的智能化時(shí)代浪潮的襲來，一個(gè)國家對核心技術(shù)的掌控，所集聚的創(chuàng)新“勢能”將決定一個(gè)民族的未來命運(yùn)和發(fā)展進(jìn)程[1]。當(dāng)今世界，我國所面臨的國際環(huán)境極其復(fù)雜，國家間的利益之爭也日趨激烈，為了應(yīng)對復(fù)雜的國際環(huán)境，保證國家持續(xù)發(fā)展的“動(dòng)能”，黨的十八大明確將科技創(chuàng)新置于國家發(fā)展全局的核心位置，提出“堅(jiān)持走中國特色自主創(chuàng)新道路、實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略”。實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略的根本保證在于自主創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，而高校作為為國家培養(yǎng)和輸送人才的主陣地，必須把培養(yǎng)青年學(xué)生的創(chuàng)新能力作為主要目標(biāo)之一。目前眾多高校制定了多種方案和計(jì)劃來培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，例如通過開設(shè)實(shí)踐課程來培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力、鼓勵(lì)學(xué)生參加國際級和省級的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等均取得了很好的效果[2]，但是我們也注意到目前學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的力度和廣度還仍然不夠，大學(xué)課堂作為學(xué)生獲得知識(shí)和技能的主要渠道，同樣理應(yīng)成為培養(yǎng)其創(chuàng)新能力的主陣地。本文以“光纖通信系統(tǒng)”這門課為例探討知識(shí)傳授和創(chuàng)新能力培養(yǎng)一體化的教學(xué)方法。

1 轉(zhuǎn)變教師的教學(xué)觀念

大學(xué)課堂是學(xué)生獲取知識(shí)、掌握技術(shù)和培養(yǎng)創(chuàng)新能力的主陣地，而教師卻是這塊主陣地的設(shè)計(jì)者和引導(dǎo)者。教師扮演的角色既是導(dǎo)演和編導(dǎo)，又是表演者，因此教師的教學(xué)理念、水平的高低、教學(xué)方式與方法等的采用直接影響到學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和能力培養(yǎng)。在眾多因素之中，教師的教學(xué)理念轉(zhuǎn)變又是最關(guān)鍵和首要的因素：首先，信息化和智能化時(shí)代的到來對人才培養(yǎng)提出了新的要求，尤其是其創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，這就要求教師轉(zhuǎn)變固有的機(jī)械傳授書本知識(shí)的傳統(tǒng)做法，通過介紹最新的研究成果，做到教學(xué)與科研相結(jié)合，從而培養(yǎng)學(xué)生的興趣和啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)；其次，現(xiàn)在的學(xué)生是伴隨著信息化時(shí)代成長起來，學(xué)生具有很強(qiáng)的獲取信息的能力，因此傳統(tǒng)的教師主講、學(xué)生主聽的教學(xué)理念和模式需要變革，這也要求教師變革教學(xué)理念，通過教學(xué)設(shè)計(jì)，使學(xué)生更多參與課堂教學(xué)，形成師生良好互動(dòng)的教學(xué)氛圍，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和發(fā)散思維能力；最后，教師教學(xué)理念的轉(zhuǎn)變也是自身發(fā)展的內(nèi)在需求，我們需要清楚地認(rèn)識(shí)到作為新時(shí)代大學(xué)課堂上的教師，自身確是傳統(tǒng)教育理念和模式培養(yǎng)出來的人才，深受傳統(tǒng)教育思維和理念的影響，因此為了培養(yǎng)新式的人才，教師本身需要學(xué)習(xí)、需要變革傳統(tǒng)的不適應(yīng)時(shí)代發(fā)展要求的教育理念。特別指出的是在“新冠”疫情席卷全球的背景下，教師掌握“雨課堂、騰訊課堂/會(huì)議、QQ課堂”等線上教學(xué)方式/方法也是必須具備的新技能之一。

2 發(fā)揮課堂的主渠道作用

課堂教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的主渠道和主陣地，具有平臺(tái)效應(yīng)和載體作用。在未來課堂教學(xué)實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力應(yīng)著重關(guān)注以下幾個(gè)方面：

2.1 樹立以“提高學(xué)習(xí)興趣”為核心的教學(xué)指導(dǎo)思想

孔子云：“知之者不如好之者，好之者不如樂之者”。遠(yuǎn)古先師認(rèn)為興趣是最好的老師，是學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)中最具創(chuàng)造性和最有活力的部分，也是促進(jìn)學(xué)習(xí)最根本的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)因素[3]。因而，學(xué)習(xí)興趣的激發(fā)也是培養(yǎng)創(chuàng)造創(chuàng)新能力的內(nèi)在重要因素。在“光纖通信系統(tǒng)”這門課中對學(xué)生興趣的激發(fā)主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：第一，這門科非常重要和實(shí)用，信息化、智能化時(shí)代的深入發(fā)展必然以光纖為基礎(chǔ)的大容量、高速率通信為基礎(chǔ)，這就允許教師通過生動(dòng)的例子來講授這門課，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；第二，這門課安排了軟件模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，可以讓學(xué)生掌握初步的光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力，做到書本所學(xué)知識(shí)與實(shí)踐能力相結(jié)合；第三，“光纖通信”代表了通信未來數(shù)十年的發(fā)展方向，學(xué)生通過學(xué)習(xí)可以掌握實(shí)用的知識(shí)，明確未來職業(yè)規(guī)劃，找到一份不錯(cuò)的工作。

2.2 引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、鼓勵(lì)學(xué)生提出問題

在課堂教學(xué)中對學(xué)生創(chuàng)新思維和能力的培養(yǎng)實(shí)際上就是以“發(fā)現(xiàn)問題-提出問題-解決問題”為主線的科研思維的訓(xùn)練。創(chuàng)新性思維往往具有獨(dú)創(chuàng)性、發(fā)散性和流暢性等特點(diǎn)[4]。因而在課堂上引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問題就是培養(yǎng)創(chuàng)新思維和能力的開始。例如光纖的損耗對于光波傳輸距離的限制，對于光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)成本控制非常重要。在討論光源的入纖功率(Pin)，出纖功率(Pout)，光波傳輸距離(L)和光纖損耗(α)的問題上通常有兩種方法：

方法一：利用光功率隨傳輸距離的指數(shù)衰減關(guān)系入手，如：

Pout(W)=Pin(W)exp[-α(l/km)×L(km)]

(1)

所以

(2)

方法二：通信中常用的方法如下：

Pout(dBm)=Pin(dBm)-α(dB/km)×L(km)

(3)

所以

L(km)=[Pout(dBm)-Pin(dBm)]/α(dB/km)

(4)

其中，方法(一)中功率的單位為瓦特(W)，功率的指數(shù)衰減關(guān)系對于同學(xué)們也非常熟悉。方法(二)中功率的單位為分貝每毫瓦(dBm)，這一單位對于非通信專業(yè)的學(xué)生則非常陌生，但是Pout,Pin,L和α幾個(gè)參量之間僅僅是簡單的加減乘除關(guān)系，則非常簡單。對于一根光纖，方法(一)和方法(二)的求解都非常方便，方法(一)僅僅在計(jì)算上進(jìn)行指數(shù)(式1)和對數(shù)運(yùn)算(式2)，稍顯復(fù)雜。

此時(shí)就要引導(dǎo)學(xué)生，一個(gè)光纖通信系統(tǒng)不僅僅包含光纖，還包括一些連接器等部件，這些部件也存在損耗，其單位通常為分貝(dB)，并且僅僅與部件的個(gè)數(shù)有關(guān)，與傳輸距離無關(guān)，通過引導(dǎo)學(xué)生就會(huì)發(fā)現(xiàn)方法(一)在求解整個(gè)光纖通信系統(tǒng)的功率損耗和傳輸距離時(shí)就顯得極其復(fù)雜，因而如何求解整個(gè)光纖通信系統(tǒng)的Pout,Pin,L和α之間的關(guān)系就是一個(gè)非常好的問題。對于學(xué)生發(fā)現(xiàn)了問題要及時(shí)給予表揚(yáng)，激發(fā)學(xué)生分析分析和解決問題的興趣和動(dòng)力。

2.3 教給學(xué)生正確分析問題的方法

引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題并鼓勵(lì)他們提出問題之后，教給學(xué)生正確分析問題的能力和方法則是培養(yǎng)創(chuàng)造創(chuàng)新能力的關(guān)鍵。首先可以通過學(xué)生之間的討論讓學(xué)生明白為什么方法(一)在求解整個(gè)光纖通信系統(tǒng)的功率損耗和傳輸距離問題時(shí)會(huì)非常復(fù)雜，參量之間的轉(zhuǎn)換也非常多，其癥結(jié)在于功率項(xiàng)的單位瓦特(W)和損耗的單位為分貝(dB)之間不一致，導(dǎo)致參量之間的轉(zhuǎn)換非常復(fù)雜，此時(shí)公式(1)即方法(一)的意義也不再直觀，引導(dǎo)學(xué)生找到問題的癥結(jié)，培養(yǎng)學(xué)生正確分析問題的能力和方法對于找到解決這一問題的方法就非常關(guān)鍵。

2.4 培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力

引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)發(fā)現(xiàn)/提出問題是培養(yǎng)創(chuàng)新思維和能力的開始，教給學(xué)生正確分析問題的方法，找到問題的癥結(jié)則是訓(xùn)練創(chuàng)新思維和能力的關(guān)鍵，而培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力則是培養(yǎng)創(chuàng)新思維和能力的最終目標(biāo)。正確分析了提出的問題之后，將功率項(xiàng)和損耗項(xiàng)的單位轉(zhuǎn)為一致就是解決問題的最佳辦法，將入纖功率(Pin)和出纖功率(Pout)轉(zhuǎn)化為以分貝為單位已有確定的公式，如何將衰減系數(shù)(α)也轉(zhuǎn)化為分貝的單位就是解決問題的關(guān)鍵，要求學(xué)生獨(dú)立推導(dǎo)。損耗系數(shù)α以dB/km和1/km的關(guān)系為：

α(dB/km)=4.343α(l/km)

(5)

由式(5)可以進(jìn)一步推導(dǎo)出以dBm為單位的功率，衰減系數(shù)之間的關(guān)系，如方法(二)所示，方法(二)中的公式(3)和式(4)中的物理量僅僅為簡單的加減乘除關(guān)系，此時(shí)不僅計(jì)算非常方便、公式的意義也非常清晰。即便光纖通信系統(tǒng)中有更多的損耗項(xiàng)，只是需要在損耗項(xiàng)中減去即可，計(jì)算非常簡便，這種方法就非常適合計(jì)算光纖通信系統(tǒng)中的功率損耗及傳輸距離等重要問題。通過不同解體方法的轉(zhuǎn)變，就可以引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，培養(yǎng)他們正確分析和解決問題的能力，也可以讓學(xué)生明白分貝(dB)這個(gè)單位在通信中具有非常重要的意義，掌握最重要的物理概念。相比較于機(jī)械的學(xué)習(xí)知識(shí)，學(xué)生在這部分參與較多，能夠真正牢固掌握這部分知識(shí)，以便靈活運(yùn)用于光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。

需要指出的是培養(yǎng)創(chuàng)新性人才并不僅僅是研究生教育的任務(wù)，在大學(xué)課堂，利用教師多年養(yǎng)成的科研素養(yǎng)并且有意識(shí)地利用一些知識(shí)點(diǎn)引導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生“發(fā)現(xiàn)/提出問題—分析問題—解決問題”的能力，形成嚴(yán)密的科研邏輯思維，同樣能夠很好地激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新思維和達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的目的，為學(xué)生的職業(yè)發(fā)展或者未來的研究生教育打下良好的基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

總之，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的高端人才是現(xiàn)代教育的核心目標(biāo)，也是國家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略的迫切需求。但是其過程應(yīng)該循序漸進(jìn)，需要國家加大投入，建設(shè)實(shí)踐教育基地，為學(xué)生提供良好的實(shí)踐機(jī)會(huì)；需要教師和學(xué)生形成良好的互動(dòng)，共同努力；需要廣大一線教師廣泛地、徹底地轉(zhuǎn)變教育理念，充分利用課堂教學(xué)來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，利用課堂知識(shí)點(diǎn)有針對性培養(yǎng)學(xué)生“發(fā)現(xiàn)/提出問題-分析問題-解決問題”為主線的嚴(yán)密科研邏輯思維，最終培養(yǎng)具有創(chuàng)新性思維和能力的高素質(zhì)人才，為國家的發(fā)展戰(zhàn)略服務(wù)，為社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)服務(wù)。