光纖通信原理課堂教學(xué)改革探索

棗莊學(xué)院光電工程學(xué)院 王學(xué)勤 鄭艷彬

為了改善光纖通信原理課程的教學(xué)效果，針對課程涉及的學(xué)科領(lǐng)域多、知識點(diǎn)分散、理論性強(qiáng)等特點(diǎn)。從宏觀角度在教學(xué)中始終沿著“提高光纖通信系統(tǒng)傳輸容量”這一目標(biāo)作為主線，并將課程內(nèi)容按學(xué)習(xí)角度的不同劃分為四個(gè)模塊，幫助學(xué)生構(gòu)建課程知識體系。為了幫助學(xué)生理解具體知識點(diǎn)，通過知識點(diǎn)與生活實(shí)例相關(guān)性的挖掘，“以其知之，喻其不知”。引入OptiSystem軟件開展輔助教學(xué)，在仿真實(shí)驗(yàn)中提出問題，講解知識，分析原因，鞏固教學(xué)效果。以上教學(xué)改革方法在教學(xué)實(shí)踐中開展了應(yīng)用，取得了較好的效果。

光纖通信原理是一門講授光纖通信系統(tǒng)組成、各部分工作原理、以及數(shù)字傳輸體制、光波分復(fù)用技術(shù)和數(shù)字光纖通信系統(tǒng)性能評價(jià)方法的課程。該課程是棗莊學(xué)院通信工程專業(yè)、光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的重要專業(yè)課程，是這兩個(gè)專業(yè)學(xué)生構(gòu)建完整的專業(yè)知識體系的重要組成部分。該課程涉及到通信原理、大學(xué)物理、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、光纖光學(xué)、半導(dǎo)體物理等多個(gè)學(xué)科的理論知識，理論性強(qiáng)、知識點(diǎn)多且分散。學(xué)生容易在紛繁復(fù)雜的理論和眾多的知識點(diǎn)面前產(chǎn)生畏難情緒，抓不住知識脈絡(luò)的主線，難以達(dá)到較好的學(xué)習(xí)效果。為了解決這些問題，課程授課教師提出了“一個(gè)目標(biāo)、四個(gè)模塊”的理念，幫助學(xué)生梳理課程體系，使學(xué)生從宏觀角度對課程實(shí)現(xiàn)一個(gè)全面的把握。采用“以其知之，喻其不知”的方法，幫助學(xué)生理解各個(gè)知識點(diǎn)。采用OptiSystem軟件開展輔助教學(xué)，通過仿真演示，提出問題、分析問題、解決問題的方法，在解決問題的過程中學(xué)習(xí)知識和思路，并對對所學(xué)知識進(jìn)行驗(yàn)證鞏固。

1 課程宏觀設(shè)計(jì)理念

1.1 “一個(gè)目標(biāo)”作為課程主線

為了幫助學(xué)生從宏觀上掌握知識體系。提出了光纖通信原理課程學(xué)習(xí)的一個(gè)目標(biāo)—“提高光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量”，即提高信息的傳輸距離和傳輸速率。整個(gè)課程各個(gè)章節(jié)的學(xué)習(xí)都是圍繞著這一目標(biāo)開展的。“光纖與光纜”這一章的教學(xué)中，講授光纖的損耗、色散、非線性等傳輸特性，是為了降低光纖的損耗、色散、非線性對光纖通信系統(tǒng)的傳輸距離和傳輸速率的影響?！肮庠础边@一章中，為什么要從最初的半導(dǎo)體發(fā)光二極管發(fā)展到半導(dǎo)體激光器，半導(dǎo)體激光器從多縱模FP腔激光器發(fā)展到分布反饋布拉格光柵激光器，再到量子阱激光器都是為了降低光源的譜寬，從而降低色散對光纖通信系統(tǒng)容量的影響。同時(shí)，從半導(dǎo)體發(fā)光二極管到量子阱激光器，也提高了發(fā)光效率，增加了光源功率，進(jìn)而提高了光纖通信系統(tǒng)的傳輸距離?！肮鈾z測器”這一章中，提高光檢測器的響應(yīng)度是為了增加傳輸距離，提高光檢測器的響應(yīng)速度是為了提高信號的傳輸速率。“光放大器”的引入也是為了增加光纖通信系統(tǒng)的傳輸距離?！皵?shù)字傳輸體制”這一章中的時(shí)分復(fù)用技術(shù)通過在一個(gè)波長信道上降低每個(gè)比特占用時(shí)間片的長度，提高光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率。波分復(fù)用技術(shù)通過在一根光纖中建立多個(gè)波長信道提高系統(tǒng)的傳輸容量。將“提高光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量”這一個(gè)目標(biāo)在第一節(jié)講授光纖通信發(fā)展歷程時(shí)提出，在以后各章的講授中始終緊扣這一目標(biāo)，使學(xué)生能夠更好地把握課程的主線，幫助學(xué)生把各章學(xué)習(xí)的知識點(diǎn)落實(shí)在這一條主線上，提高學(xué)生從宏觀角度貫穿把握課程內(nèi)容的能力。

1.2 “四個(gè)模塊”劃分明確各部分的主要任務(wù)

為了幫助學(xué)生明確教材各章節(jié)的主要學(xué)習(xí)任務(wù)和學(xué)習(xí)目標(biāo)。將各章節(jié)劃分為四個(gè)模塊，如表1所示，并將四個(gè)模塊的學(xué)習(xí)角度進(jìn)行類比，使學(xué)生更容易理解。把光纖通信系統(tǒng)比喻成一個(gè)人，第一個(gè)模塊“光纖通信導(dǎo)論”好比從一個(gè)小朋友的角度看一個(gè)人，在小朋友眼中，一個(gè)人有一個(gè)腦袋一張嘴，兩條胳膊兩條腿。那么，通過本模塊的學(xué)習(xí)我們需要掌握光纖通信系統(tǒng)的組成及各部分的基本功能，對光纖通信系統(tǒng)有一個(gè)概括的認(rèn)識。第二個(gè)模塊“光纖通信系統(tǒng)各組成部分的原理和特性”，相當(dāng)于從醫(yī)生角度看一個(gè)人，需要了解人體各個(gè)器官的工作原理。那么在這個(gè)模塊我們需要學(xué)習(xí)光發(fā)送機(jī)、光纖線路、光接收機(jī)、光無源器件、光放大器等各部分的工作原理，從更深次的角度熟練掌握光纖通信系統(tǒng)各部分的功能是如何實(shí)現(xiàn)的。第三個(gè)模塊相當(dāng)于從教師的角度看一個(gè)人。從教師角度，我們看一個(gè)首先想到的是如何提升這個(gè)人的綜合素質(zhì)，把這個(gè)人培養(yǎng)稱為一位德才兼?zhèn)涞娜瞬?。那么在該模塊，我們在已經(jīng)掌握光纖通信系統(tǒng)基本組成和各部分的工作原理的基礎(chǔ)上，通過時(shí)分復(fù)用技術(shù)和波分復(fù)用技術(shù)進(jìn)一步提升光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量，提高光纖通信系統(tǒng)的工作能力。通過相干光通信技術(shù)進(jìn)一步提高光纖通信系統(tǒng)靈敏度，通過光孤子技術(shù)進(jìn)一步增加信號的傳輸距離。在這一部分學(xué)習(xí)的是如何提升光纖通信系統(tǒng)性能的技術(shù)方法。把第四個(gè)模塊比喻成從用人單位的角度看一個(gè)人。用人單位看一個(gè)人需要德、能、勤、績多個(gè)角度進(jìn)行評估，是否能夠勝任工作崗位。那么一個(gè)光纖通信系統(tǒng)，我們需要從哪些方面對其進(jìn)行評估呢，如誤碼性能、可用性等，通過這些方面的評估，判斷一個(gè)光纖通信系統(tǒng)能夠勝任系統(tǒng)要求的工作目標(biāo)。通過四個(gè)模塊的劃分和學(xué)習(xí)角度的類比，使學(xué)生明確各章節(jié)學(xué)習(xí)的主要任務(wù)。在完成各章節(jié)的學(xué)習(xí)后，也能夠從學(xué)習(xí)者的角度自我檢驗(yàn)是否達(dá)到了學(xué)習(xí)目標(biāo)。

表1 課程模塊劃分及學(xué)習(xí)角度類比

2 課程微觀實(shí)施理念

2.1 “以其知之，喻其不知”的運(yùn)用

因光纖通信原理這門課程包含了多學(xué)科知識的綜合運(yùn)用，理論性較強(qiáng)，直接的理論推導(dǎo)學(xué)生理解有困難。特別是數(shù)學(xué)基礎(chǔ)稍差的同學(xué)，容易產(chǎn)生畏難情緒。因此，充分挖掘知識點(diǎn)中與已有知識或者是生活中知識的關(guān)聯(lián)和相似性，幫助學(xué)生理解知識點(diǎn)。例如，在半導(dǎo)體發(fā)光的物理基礎(chǔ)部分，學(xué)習(xí)自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收等電子的能級間躍遷過程后，指出受激輻射過程和受激吸收過程都是在光子的激勵(lì)下產(chǎn)生的，那么如果有一個(gè)光子入射到半導(dǎo)體材料中，請同學(xué)們考慮是發(fā)生受激輻射的概率大，還是產(chǎn)生受激吸收的概率大？部分學(xué)生會無法得出正確答案。此處舉例進(jìn)行類比，工科專業(yè)普遍男生多，女生少。老師如果隨意往教室扔一個(gè)籃球，那么籃球扔到男生身上的概率大還是扔到女生身上的概率大？所有人都會知道扔到男生身上的概率大，因?yàn)槟猩唷Ｄ敲?，提示同學(xué)們，電子優(yōu)先占據(jù)能量較低的軌道，所以熱平衡狀態(tài)下低能級的電子數(shù)多，高能級的電子數(shù)少。同學(xué)們就能夠很容易理解，在熱平衡狀態(tài)下，入射光子與低能級電子相互作用，產(chǎn)生受激吸收的概率大。因此，要想在熱平衡狀態(tài)下，通過受激輻射效應(yīng)制作光源，必須通過一些手段實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布后，才能使受激輻射效應(yīng)占優(yōu)，才可能制作出激光光源。通過現(xiàn)實(shí)生活中例子的對比，學(xué)生很容易就理解了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是產(chǎn)生激光的一個(gè)必要條件。

2.2 OptiSystem軟件輔助教學(xué)

OptiSystem軟件可實(shí)現(xiàn)物理層的器件級到系統(tǒng)級的光通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)。將該軟件引入課堂教學(xué)中，一方面加強(qiáng)對所學(xué)知識的理解；另一方面，通過仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果的展示，提出問題，使學(xué)生在問題導(dǎo)向下開展有目的的學(xué)習(xí)，有利于提升學(xué)習(xí)效果。例如，在講解光纖的損耗特性和色散特性之前，首先回顧導(dǎo)論部分介紹的光纖通信系統(tǒng)基本構(gòu)成。采用OptiSystem軟件建立一個(gè)基本光纖通信系統(tǒng)的仿真模型，如圖1所示。通過模型的建立回顧光纖通信系統(tǒng)的基本組成，鞏固知識點(diǎn)。通過光發(fā)送機(jī)輸出端和光纖線路輸出端的兩臺光功率計(jì)測試比較光信號進(jìn)入光纖線路前和經(jīng)過光纖線路后的光功率，向同學(xué)們展示經(jīng)過光纖線路傳輸后光功率的變化，引出光纖傳輸中存在的信號衰減問題。然后請同學(xué)們思考光纖線路中產(chǎn)生信號衰減的原因。因同學(xué)們具有大學(xué)物理的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，能夠想到吸收引起的損耗和散射引起的損耗。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步梳理介紹損耗產(chǎn)生的原因。通過光發(fā)送機(jī)輸出端和光纖線路輸出端的光示波器測量經(jīng)光纖線路傳輸前后光時(shí)域波形的變化情況，請同學(xué)們觀察信號的變化并思考產(chǎn)生原因。以分析光時(shí)域信號的變化為目標(biāo)，帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)光纖色散的概念、產(chǎn)生原因及對光信號及光纖通信系統(tǒng)的影響。OptiSystem的應(yīng)用有效的強(qiáng)化了學(xué)生對知識點(diǎn)的認(rèn)識，有利于促進(jìn)學(xué)生對知識點(diǎn)的理解，并了解各知識點(diǎn)在光纖通信知識體系中的作用。采用誤碼率分析儀測試光纖通信系統(tǒng)眼圖、Q因子和誤碼率。改變光纖通信系統(tǒng)參數(shù)，如光纖的長度，可進(jìn)一步幫助學(xué)生理解光纖的損耗和色散對光纖通信系統(tǒng)性能的理解。

圖1 基本的光纖通信系統(tǒng)

3 教學(xué)效果

通過在教學(xué)中抓住“一條主線”，劃分“四個(gè)模塊”，提高了學(xué)生對課程的宏觀把握能力，增強(qiáng)了各部分教學(xué)內(nèi)容間的內(nèi)在聯(lián)系。通過“以其知之，喻其不知”方法的運(yùn)用，使學(xué)生更好的理解基本概念，也增加了課堂的趣味性。通過OptiSystem軟件的應(yīng)用，可以幫助教師提出要解決的問題，在問題導(dǎo)向下開展教學(xué)，加深學(xué)習(xí)印象，鞏固所學(xué)知識。2020-2021學(xué)年在18級通信工程專業(yè)嘗試上述教學(xué)改革措施，取得了一定的效果。18級通信工程專業(yè)對光纖通信原理課程的教學(xué)評教分?jǐn)?shù)為93.06，相比于17級通信工程91.61的評教分?jǐn)?shù)有了一定的提高。且學(xué)生評論中，有學(xué)生認(rèn)為內(nèi)容充實(shí)、簡單明了，使學(xué)生能夠輕輕松松掌握知識，如圖2所示。說明了教學(xué)改革取得了較好的效果。

圖2 學(xué)生對教學(xué)的評語

通過宏觀上抓住“一條主線”，將各章節(jié)教學(xué)內(nèi)容分成四個(gè)模塊，幫助學(xué)生從宏觀上把我課程內(nèi)容。通過“以其知之，喻其不知”的運(yùn)用，幫助學(xué)生理解知識點(diǎn)。運(yùn)用Opti-System軟件，在仿真演示中提出問題，在問題導(dǎo)向下開展學(xué)習(xí)，有利于加深學(xué)生對知識點(diǎn)的理解，鞏固所學(xué)知識。上述方法在課堂教學(xué)中進(jìn)行了運(yùn)用，獲得了學(xué)生的好評，學(xué)生評教分?jǐn)?shù)也獲得了提高。證明了課程改革措施的有效性。