融入思政元素的音頻光傳輸實驗系統(tǒng)仿真與實現(xiàn)

王現(xiàn)彬，高彥彥，趙翠儉

（石家莊學(xué)院a.機電學(xué)院；b.“工+匠”機電專業(yè)群課程思政中心，河北 石家莊 050035）

0 引言

光纖通信借助其超高速、超大帶寬、高保密性、低成本等優(yōu)勢，成為5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)落地應(yīng)用的關(guān)鍵助力因素，開設(shè)光纖通信課程為通信電子類行業(yè)培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新性人才成為高校共識[1-5].近年來國家逐步加大對高等教育投入力度，實驗實訓(xùn)室升級改造在各高校如火如荼地展開.但光纖通信技術(shù)升級換代快、設(shè)備價格高，而高校實訓(xùn)室設(shè)備更新難以緊跟技術(shù)前沿，且大多是一些箱式實驗環(huán)境，只能在試驗箱上進行一些插拔式驗證性實驗，無法全面培養(yǎng)并拓寬學(xué)生實踐創(chuàng)新能力.與此同時，部分專業(yè)教師在教授光纖通信知識時重理論、輕實踐，造成學(xué)生所學(xué)與工程所用相差較遠，不但打擊了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、降低了學(xué)生的就業(yè)競爭力，也致使企業(yè)培養(yǎng)及使用人才的成本升高[6-10].而限于專業(yè)特點，特別是在工科實驗教學(xué)中，課程思政在實施過程中思政內(nèi)涵與專業(yè)教學(xué)脫節(jié)嚴(yán)重.如何深化工科實驗教學(xué)改革，深度融入課程思政元素，將學(xué)生培養(yǎng)成有理想信念和實踐創(chuàng)新能力的應(yīng)用型專業(yè)技術(shù)人才成為亟待解決的問題[11-16].

為進一步培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生創(chuàng)新能力，拓寬地方高校通信電子類人才培養(yǎng)模式，在“以虛促實、以實引虛、虛實兼顧、深度融合”的實驗實訓(xùn)模式基礎(chǔ)上，融入課程思政元素，利用光纖通信仿真結(jié)合硬件實現(xiàn)，全面提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和光纖通信實驗實訓(xùn)效果，以較低的實驗實訓(xùn)成本賦能學(xué)生創(chuàng)新能力提升，為地方高校應(yīng)用型轉(zhuǎn)型和培養(yǎng)有理想信念的創(chuàng)新型專業(yè)人才探索有效路徑.

1 思政元素在光纖通信實驗教學(xué)中的體現(xiàn)

課程思政是指在專業(yè)課教學(xué)過程中融入德育元素，以立德樹人為根本，助力學(xué)生全面發(fā)展.而為落實教育部印發(fā)的《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》、河北省教育廳印發(fā)的《全面推進高等學(xué)校課程思政建設(shè)工作方案》及石家莊學(xué)院印發(fā)的《石家莊學(xué)院課程思政建設(shè)工作方案》，進行課程思政探索勢在必行.機電類專業(yè)課程內(nèi)容工程性強，特別是實驗實踐類課程，更是以應(yīng)用為導(dǎo)向，強調(diào)學(xué)生實踐動手能力的提升，故在該類課程中進行德育元素提煉和思政內(nèi)容融入極具緊迫性.

光纖通信課程是石家莊學(xué)院立項的應(yīng)用型建設(shè)課程和一流建設(shè)課程，在光纖通信實驗教學(xué)中，教學(xué)團隊逐步構(gòu)建并完善了“以虛促實、以實引虛、虛實兼顧、深度融合”的實訓(xùn)模式，在該實訓(xùn)模式中將光纖通信仿真與硬件實現(xiàn)相結(jié)合，設(shè)計并引入以下幾種實驗實訓(xùn)內(nèi)容：自動溫度控制（ATC）仿真與實現(xiàn)、自動功率控制（APC）仿真與實現(xiàn)、音頻光傳輸系統(tǒng)仿真與實現(xiàn)、視頻光傳輸系統(tǒng)仿真與實現(xiàn)、復(fù)雜環(huán)境下環(huán)境參數(shù)光傳輸系統(tǒng)仿真與實現(xiàn)等.構(gòu)建實驗項目過程中教學(xué)團隊深挖德育元素、整合思政要點，將思政內(nèi)涵與專業(yè)教學(xué)深度融合，以潤物無聲的形式構(gòu)筑全過程、全方位、全員育人格局.現(xiàn)以“自構(gòu)建音頻光傳輸實驗系統(tǒng)的仿真與實現(xiàn)”為例進行說明，其思政元素與實驗的結(jié)合過程如圖1 所示.

圖1 思政元素融入實驗教學(xué)

在本項目體系中將實驗教學(xué)分為實驗內(nèi)容引入、實驗內(nèi)容實施和實驗結(jié)果分析3 個階段.在實驗內(nèi)容引入時通過介紹我國目前光纖通信的發(fā)展概況及對大數(shù)據(jù)、云計算、虛擬現(xiàn)實、物聯(lián)網(wǎng)、智能制造、5G 等新興創(chuàng)新性業(yè)務(wù)的助力作用，使學(xué)生全面了解我國在新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展態(tài)勢及通信的關(guān)鍵作用體現(xiàn)，以此激發(fā)學(xué)生的專業(yè)自豪感及愛國熱情和家國情懷，體會到大國智造及工匠精神，進而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)通信專業(yè)的熱情.而對于實驗內(nèi)容實施和實驗結(jié)果分析中的思政元素融入通過后續(xù)章節(jié)進行論述.

2 音頻光通信系統(tǒng)仿真設(shè)計及思政元素融入

2.1 實驗設(shè)計說明

利用仿真方法可以在降低成本的基礎(chǔ)上對實際系統(tǒng)進行前期驗證，以優(yōu)化和完善硬件實現(xiàn)，降低試錯成本.在“自構(gòu)建音頻光傳輸實驗系統(tǒng)的仿真與實現(xiàn)”項目實施過程中，首先借助光纖通信仿真軟件Optisystem進行系統(tǒng)物理層仿真，以驗證系統(tǒng)可實現(xiàn)性及有效性.Optisystem 將系統(tǒng)進行模塊化設(shè)計，通過模塊間連線實現(xiàn)系統(tǒng)互通.但Optisystem 只有“偽隨機信號發(fā)生器”模塊所產(chǎn)生的二進制信號來代表待傳數(shù)據(jù)，無法將真實的音頻信號引入到Optisystem 中進行仿真?zhèn)鬏?為此引入通信中常用的數(shù)據(jù)處理與仿真軟件MATLAB，以進行MATLAB 和Optisystem 的聯(lián)合仿真.通過MATLAB 將真實有效的音頻數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Optisystem中，再利用Optisystem 進行光纖級系統(tǒng)傳輸.

基于上述思想將仿真實驗分成環(huán)境熟悉、系統(tǒng)搭建、結(jié)果分析3 個過程，即首先熟悉MATLAB 和Optisystem 仿真環(huán)境及聯(lián)合仿真方法，與此同時借助Optisystem 搭建光纖傳輸系統(tǒng)，再利用MATLAB 引入待傳輸語音信號，最終實現(xiàn)MATLAB 與Optisystem 的聯(lián)合仿真，在此基礎(chǔ)上分析仿真結(jié)果.詳細過程如圖2 所示.

圖2 仿真實驗流程

上述設(shè)計方式不但讓學(xué)生熟悉了MATLAB 和Optisystem 等通信中常用的工具軟件，也有效提升了學(xué)生的參與度與學(xué)習(xí)興趣，為進一步培養(yǎng)學(xué)生實踐創(chuàng)新能力奠定了基礎(chǔ).

2.2 實驗內(nèi)容分析

利用MATLAB 和Optisystem 所設(shè)計的音頻光傳輸實驗系統(tǒng)如圖3 所示.在圖3 中“MATLAB 組件”負責(zé)將MATLAB 中的音頻數(shù)據(jù)載入到Optisystem 中.

圖3 仿真系統(tǒng)框圖

仿真時圖3 中各模塊參數(shù)設(shè)置如表1所示.表1 中所述各參數(shù)值與真實光纖系統(tǒng)較為接近，通過這種方式可以使學(xué)生接觸并熟悉工程實際中遇到的模塊參數(shù)問題，以達到所學(xué)即所用的效果.

圖4 給出了圖3 中A 和D 點的電波形及對應(yīng)的頻譜，所傳輸?shù)恼Z音信號為“你好”.其中圖4（a）和（b）為傳輸前的電波形及對應(yīng)的頻譜，圖4（c）和（d）為經(jīng)10 km 傳輸后的電波形及對應(yīng)的頻譜.對比可以看出經(jīng)過10 km 傳輸后，光纖信道內(nèi)噪聲及衰減對電信號影響較大，且經(jīng)PIN 光電轉(zhuǎn)換后PIN 內(nèi)的噪聲也會進一步影響到電信號，最終使得時域波形峰值功率降低、波形失真增大，與此同時，頻譜也有相應(yīng)的失真.圖5 給出了B 和C 點的光波形及對應(yīng)的光譜圖，其中圖5（a）和（b）為傳輸前的光波形及對應(yīng)的頻譜，圖5（c）和（d）為經(jīng)10 km 傳輸后的光波形及對應(yīng)的頻譜，分析結(jié)果與圖4 類似.而在這里面也體現(xiàn)了量變所引起的質(zhì)變，即隨著傳輸距離的增大，噪聲、衰減等積累逐漸增多（量變增多），系統(tǒng)性能也會逐漸變差（引起質(zhì)變），進而將哲理性的內(nèi)容自然地傳授給學(xué)生.在實驗時對學(xué)生進行了分組，這樣就要求學(xué)生要默契配合、分工協(xié)作，從而在一定程度上培養(yǎng)了學(xué)生的團隊協(xié)作意識和創(chuàng)新精神，為以后參加工作并能更好地融入團隊和環(huán)境提供了鍛煉機會.在實驗內(nèi)容實施階段，也都需要學(xué)生認真設(shè)計、積極調(diào)測、反復(fù)排查、精心分析，否則難以實現(xiàn)最終結(jié)果，通過這種方式，培養(yǎng)了學(xué)生的敬業(yè)精神和科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那髮W(xué)及科研態(tài)度，也進一步樹立了學(xué)生的工程倫理和職業(yè)素養(yǎng).

圖4 傳輸前的（a）電波形和（b）電頻譜；傳輸10 km 后的（c）電波形和（d）電頻譜

圖5 傳輸前的（a）光波形和（b）光頻譜；傳輸10 km 后的（c）光波形和（d）光頻譜

為進一步提升學(xué)生分析問題解決問題能力，在本項目中為學(xué)生預(yù)留了若干個思考問題，如分析系統(tǒng)信噪比與傳輸距離對應(yīng)關(guān)系、分析系統(tǒng)眼圖等，通過問題驅(qū)動的方式使學(xué)生學(xué)習(xí)更加深入、分析更為透徹，強化了學(xué)生對相關(guān)參數(shù)的認識并提升了學(xué)生分析解決問題的能力.在這一過程中學(xué)生也能將所學(xué)專業(yè)知識融會貫通，使理論學(xué)習(xí)與仿真分析高度融合.

3 音頻光通信系統(tǒng)硬件實現(xiàn)及思政元素融入

通過前期仿真實驗，學(xué)生對音頻信號在光纖系統(tǒng)中的傳輸有了清晰的認識，并對光纖通信系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)及傳輸性能分析有了全面理解.但該過程仍處于理論階段，學(xué)生尚缺少對真實系統(tǒng)的感知，無法全面提升學(xué)生實踐動手能力及工程意識，與學(xué)校應(yīng)用型人才培養(yǎng)的定位存有差距.為向所學(xué)即所用這一目標(biāo)靠攏，增加了硬件實現(xiàn)環(huán)節(jié).考慮到實驗成本，將學(xué)生每兩人分一組，通過原理圖設(shè)計、電路系統(tǒng)焊接、光纖系統(tǒng)互聯(lián)、光電系統(tǒng)調(diào)試等步驟，使每組最終能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的音頻信號光纖系統(tǒng)傳輸.該環(huán)節(jié)可以進一步提升學(xué)生實踐動手能力，真正將理論應(yīng)用于工程實際.

發(fā)射機部分電路原理如圖6 所示，將音頻信號從用戶端傳出并加載到發(fā)射電路，通過耦合電容C1 的隔直作用，電信號被傳輸?shù)皆贜PN 三極管基極上，在經(jīng)NPN 三極管放大后，通過LED 發(fā)光二極管進行調(diào)制，以實現(xiàn)電光變換.

圖6 發(fā)射機部分電路原理圖

接收機部分電路原理如圖7 所示，主要由電源、PIN 光電二極管及LM386 芯片等幾部分組成，其中LM386 芯片的主要作用是進行電信號放大.由發(fā)射端LED 輸出的光信號經(jīng)過光纖信道傳輸后到達接收端，再由接收端的PIN 光電二極管轉(zhuǎn)換為電信號，隨后經(jīng)過電容C1 隔直后送入到LM386 進行放大，最后被輸出到speaker 端進行聲音播放，最終完成了語音信號的光纖系統(tǒng)傳輸.

圖7 接收機部分電路原理圖

相關(guān)元器件選取可以留給學(xué)生自行完成，要求學(xué)生結(jié)合模擬電路等前期專業(yè)課相關(guān)知識進行電路完善與優(yōu)化.通過這種方式，可有效提升學(xué)生參與度與學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力.通過實驗仿真與硬件實現(xiàn)相結(jié)合，使學(xué)生所學(xué)的理論知識與工程實際相關(guān)聯(lián)，在一定程度上培養(yǎng)了學(xué)生的工程意識.

在本環(huán)節(jié)中，需要學(xué)生進行多次調(diào)試，一般不會一次性成功，從而自然地告知學(xué)生發(fā)現(xiàn)真理的過程一般也都是曲折的.仿真時環(huán)境較為理想，但硬件實現(xiàn)會遇到許多不可預(yù)知的問題，實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)這一哲學(xué)思想也可以通過本項目傳達給學(xué)生.硬件調(diào)試更要實事求是，來不得半點虛假，學(xué)生在硬件搭建過程忘我的投入也進一步培養(yǎng)了科學(xué)研究能力.

通過前述分析可以看出，在該項目中融入思政元素并沒有使得教學(xué)更為臃腫，而是與專業(yè)知識教學(xué)自然地融為了一體，大道至簡，思政內(nèi)容凸顯了專業(yè)知識，潤物無聲，專業(yè)知識又蘊含了思政內(nèi)容.在實驗教學(xué)中一定程度實現(xiàn)了知識傳授與價值引導(dǎo)的統(tǒng)一，進一步回答了“培養(yǎng)什么人、怎樣培養(yǎng)人、為誰培養(yǎng)人”這一問題.而思政元素融入音頻光傳輸實驗這一有效探索，也為通信電子類專業(yè)相關(guān)實驗課開展課程思政融入研究提供了一定思路.

4 結(jié)論

在光纖通信實驗教學(xué)中，引入“以虛促實、以實引虛、虛實兼顧、深度融合”的教學(xué)模式，在融入思政元素的基礎(chǔ)上結(jié)合“自構(gòu)建音頻光傳輸實驗系統(tǒng)的仿真與實現(xiàn)”實驗項目內(nèi)容進行了說明.該模式將仿真技術(shù)與硬件實現(xiàn)相結(jié)合，使學(xué)生掌握理論基礎(chǔ)的同時實踐創(chuàng)新能力也得到進一步提升.首先通過MATLAB 和Opem 完成實驗仿真，令學(xué)生全面理解理論內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上通過原理圖設(shè)計、電路系統(tǒng)焊接、光纖系統(tǒng)互聯(lián)、光電系統(tǒng)調(diào)試等步驟進行硬件實現(xiàn)，全面提升學(xué)生實踐創(chuàng)新能力.同時將思政內(nèi)容融入到實驗教學(xué)各環(huán)節(jié)中，以大道至簡、潤物無聲的方式構(gòu)筑全過程、全方位、全員育人格局，培養(yǎng)具有愛國熱情、職業(yè)素養(yǎng)、敬業(yè)團結(jié)、創(chuàng)新奮進的社會主義建設(shè)者和接班人.