面向課程群建設(shè)的“光纖通信”教學(xué)方法探索

楊彥甫

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳) 電子信息與工程學(xué)院， 深圳 518055)

為應(yīng)對(duì)未來(lái)新工科培養(yǎng)體系的打造與完善，國(guó)家教育部門(mén)提出開(kāi)展課程群建設(shè)指引，旨在消除核心課程間的內(nèi)容銜接問(wèn)題，完善學(xué)生的知識(shí)與能力培養(yǎng)體系，從而支持后續(xù)的實(shí)踐創(chuàng)新培養(yǎng)目標(biāo)。目前各高校也正遵循課程群建設(shè)思路，開(kāi)展以重構(gòu)課程群、打造知識(shí)鏈的教學(xué)內(nèi)容與方法改革[1]。這一教學(xué)改革舉措，將有望解決傳統(tǒng)教學(xué)下正在呈現(xiàn)的部分問(wèn)題，例如核心課程各自建設(shè)的格局，容易導(dǎo)致“知識(shí)點(diǎn)散亂、缺乏有效銜接”的體系效果，不利于構(gòu)建“核心概念→關(guān)鍵方法→實(shí)際應(yīng)用”的知識(shí)鏈條；從教學(xué)效果角度看，學(xué)生在理解抽象關(guān)鍵概念時(shí)缺乏有效應(yīng)用場(chǎng)景描述，而在面向?qū)嶋H問(wèn)題時(shí)缺乏應(yīng)用所需基礎(chǔ)理論知識(shí)的引導(dǎo)，這都將降低學(xué)生學(xué)習(xí)興趣并阻礙實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此，急需開(kāi)展課程群教學(xué)建設(shè)工作，通過(guò)打造有機(jī)融合、有效銜接的知識(shí)鏈條，進(jìn)而構(gòu)建完備的知識(shí)體系，營(yíng)造“學(xué)知其用，能用所學(xué)”的創(chuàng)新型工科人才培養(yǎng)宗旨[2-3]。

“光纖通信”作為電子信息類(lèi)本科培養(yǎng)方案中的核心課程，正面臨著教學(xué)內(nèi)容亟待更新、學(xué)科交叉融合的新挑戰(zhàn)。過(guò)去幾年光纖通信技術(shù)從直接檢測(cè)邁入相干檢測(cè)的時(shí)代，光纖傳輸?shù)念l譜效率與傳輸距離得到長(zhǎng)足的發(fā)展。在這一產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展驅(qū)動(dòng)之下，現(xiàn)代的光纖通信技術(shù)正在吸收應(yīng)用著無(wú)線通信領(lǐng)域的各種先進(jìn)調(diào)制、編碼、網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)[4]。因此“光纖通信”課程建設(shè)中，一方面需要更新教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)還需特別注重與其他關(guān)聯(lián)課程的內(nèi)容整合、知識(shí)點(diǎn)銜接。這一客觀需求與課程群建設(shè)宗旨正好契合，因此，以課程群建設(shè)為抓手，從“光纖通信”課程的視角出發(fā)，探索構(gòu)建脈絡(luò)清晰的知識(shí)鏈條的教學(xué)方法，將有利于建設(shè)完備電子通信知識(shí)體系，進(jìn)而支撐學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

主要介紹以課程群建設(shè)目標(biāo)的“光纖通信”課程教學(xué)方法探索，主要思路是梳理“光纖通信”與關(guān)聯(lián)課程(“信號(hào)與系統(tǒng)”“通信原理”“隨機(jī)信號(hào)分析”)的知識(shí)銜接關(guān)系，在教學(xué)過(guò)程中通過(guò)概念辨析、技術(shù)比較、方法應(yīng)用等多個(gè)教學(xué)手段，將“光纖通信”場(chǎng)景下的教學(xué)知識(shí)與已先修課程理論概念、方法結(jié)合。經(jīng)過(guò)實(shí)際教學(xué)檢驗(yàn)，這一方法特別有利于強(qiáng)化學(xué)生在理論概念方面的理解深度，可搭建理論知識(shí)點(diǎn)與應(yīng)用之間的有機(jī)聯(lián)系，有效形成“從應(yīng)用角度理解理論，從應(yīng)用需求使用知識(shí)”的目標(biāo)導(dǎo)向型教學(xué)體系，可有力夯實(shí)創(chuàng)新實(shí)踐工科人才的培養(yǎng)基礎(chǔ)。

1 教學(xué)實(shí)例

下面介紹在面向課程群建設(shè)的知識(shí)點(diǎn)講授方法的探索工作，包括了基于辨析、類(lèi)比、應(yīng)用的三個(gè)教學(xué)實(shí)例：

1.1 學(xué)實(shí)例一(辨析)：光信噪比

光信噪比是光通信技術(shù)領(lǐng)域一個(gè)重要參數(shù)，定義為光功率與某個(gè)特定帶寬內(nèi)的光噪聲功率的比率。學(xué)生初次接觸這一參數(shù)時(shí)，容易與“通信原理”課程的信噪比定義相混淆，并產(chǎn)生諸多疑問(wèn)，如光信噪比與信噪比的區(qū)別和聯(lián)系，光通信領(lǐng)域定義這一參數(shù)的主要目的等。因此這就需要教師從課程群建設(shè)目標(biāo)出發(fā)，以概念辨析手段進(jìn)行講解。具體來(lái)說(shuō)，首先指出這兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合不同，信噪比是在分析通信系統(tǒng)理論性能時(shí)所提出的關(guān)鍵參數(shù)，而光信噪比參數(shù)，主要面向表征光纖通信系統(tǒng)中光信號(hào)受噪聲損傷程度的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，可借助光譜儀進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，基于該實(shí)驗(yàn)參數(shù)，還可便利地去實(shí)驗(yàn)表征接收機(jī)靈敏度與其他的信號(hào)畸變代價(jià)。接著，進(jìn)一步推導(dǎo)兩個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系表達(dá)式，指出兩個(gè)重要參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)，最后闡述這一關(guān)系式在實(shí)際工作中的應(yīng)用，利用“通信原理”課程中算的信噪比靈敏度，可得到光纖通信系統(tǒng)下的理想的光信噪比靈敏度，將其與實(shí)測(cè)的光信噪比靈敏度相比較，差值即為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)代價(jià)。通過(guò)上述循序漸進(jìn)的講解，學(xué)生可有效辨析兩門(mén)課相近參數(shù)之間的區(qū)別，建立關(guān)聯(lián)課程內(nèi)容之間的有效銜接，生動(dòng)地掌握在實(shí)際場(chǎng)景下如何應(yīng)用關(guān)聯(lián)知識(shí)。

1.2 教學(xué)實(shí)例二(對(duì)比)：功率預(yù)算與光信噪比預(yù)算

系統(tǒng)預(yù)算是通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是確保獲得預(yù)期通信性能的必要手段。在“通信原理”課程中，主要考慮功率受限的場(chǎng)景條件，噪聲主因是放大器或者接收機(jī)中的熱噪聲，而“光纖通信”課程，既包括功率受限的光接入場(chǎng)景，也有光信噪比受限的長(zhǎng)距離傳輸場(chǎng)景，前者的噪聲主因來(lái)自熱噪聲或者光電探測(cè)器噪聲，而后者的主導(dǎo)噪聲來(lái)自光放大器的自發(fā)輻射噪聲。因此，有必要將兩門(mén)課內(nèi)容以對(duì)比手段進(jìn)行講解，首先理清各自場(chǎng)景條件的差別，以及在接收方案以及噪聲主因的差異，然后比較分析各自的功率預(yù)算和光信噪比預(yù)算方法的共同點(diǎn)與差異，最后引申強(qiáng)調(diào)在系統(tǒng)預(yù)算背后，各自系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以及可能提升系統(tǒng)性能的手段。通過(guò)上述對(duì)比講解，學(xué)生將深入掌握不同應(yīng)用場(chǎng)景下的系統(tǒng)預(yù)算方法，清晰了解功率預(yù)算與光信噪比預(yù)算的差異之處，將更為扎實(shí)掌握系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法。

圖1 光信噪比與信噪比的辨析講解幻燈片

1.3 教學(xué)實(shí)例三(應(yīng)用)：拍頻噪聲分析

在普通電路中，拍頻指的是兩個(gè)正弦信號(hào)源疊加后，使得信號(hào)幅度出現(xiàn)高低震蕩，完整的震蕩過(guò)程稱(chēng)為一拍，而震蕩的頻率則稱(chēng)為拍頻。在光通信系統(tǒng)接收機(jī)，信號(hào)光與自發(fā)輻射噪聲共同進(jìn)入光電探測(cè)器后，根據(jù)平方率探測(cè)原理，在探測(cè)電流成分中存在信號(hào)與自發(fā)輻射，以及自發(fā)輻射與自發(fā)輻射之間的電場(chǎng)復(fù)共軛相乘項(xiàng)，也稱(chēng)為拍頻噪聲項(xiàng)，這與電路系統(tǒng)中信號(hào)加性疊加有所不同。開(kāi)展光接收機(jī)中的拍頻噪聲分析，是進(jìn)行光接收性能優(yōu)化與設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟，旨在算出噪聲時(shí)域方差，進(jìn)而為后續(xù)計(jì)算系統(tǒng)Q值和誤碼率做準(zhǔn)備。這一應(yīng)用場(chǎng)景下的噪聲分析，可直接借鑒“隨機(jī)信號(hào)過(guò)程”課程中的分析計(jì)算方法。在講授中，可引導(dǎo)學(xué)生回憶已學(xué)的分析方法，先求得頻域內(nèi)的各個(gè)頻譜分量的表達(dá)式，然后進(jìn)行頻域積分算出時(shí)域噪聲功率或者方差值。當(dāng)然，從課程群建設(shè)角度出發(fā)，這一場(chǎng)景的噪聲分析前置放入“隨機(jī)信號(hào)過(guò)程”的講授內(nèi)容，這將更有利于學(xué)生面對(duì)實(shí)際場(chǎng)景進(jìn)行分析方法的掌握，也為后續(xù)學(xué)習(xí)“光纖通信”課程打下了良好的基礎(chǔ)。

圖2 拍頻噪聲講解幻燈片

上述給出的三個(gè)典型的教學(xué)案例，分別展示了辨析、對(duì)比以及應(yīng)用三種教學(xué)方法在“光纖通信”課程的探索。通過(guò)課堂實(shí)踐與學(xué)生反饋發(fā)現(xiàn)，主要取得多方面的教學(xué)成果：①在課堂采取提問(wèn)方式，引導(dǎo)學(xué)生回答本課程與已修課程中類(lèi)似概念、原理之間的差異與相通之處，明顯提升了課堂討論氣氛，極大調(diào)動(dòng)了學(xué)習(xí)主動(dòng)性；②在知識(shí)掌握方面，通過(guò)隨堂測(cè)試證實(shí)學(xué)生在概念辨析、原理分析以及基本方法理解方面，取得較好的教學(xué)評(píng)估效果；③在知識(shí)應(yīng)用方面，上述教學(xué)方法的實(shí)踐與探索，有效幫助學(xué)生在光與電、光纖通信與通信理論之間建立有效知識(shí)鏈接與關(guān)聯(lián)，提升了學(xué)生在后續(xù)仿真實(shí)踐課程中的建模、仿真與分析能力。因此，提出的教學(xué)方法探索，可有效構(gòu)建課程群建設(shè)背景下全景知識(shí)圖譜，提升學(xué)生概念比析、原理分析、知識(shí)應(yīng)用方面的能力與素養(yǎng)。最后簡(jiǎn)單列出在“光纖通信”課程其他重要知識(shí)點(diǎn)的講解方法供同行在課程群建設(shè)中參考，包括光MZ干涉儀的講解，可借助信號(hào)與系統(tǒng)的時(shí)頻變換方法相結(jié)合；光纖色散的數(shù)值仿真，可與快速傅里葉變換的應(yīng)用相結(jié)合；偏振模效應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析，可與門(mén)特卡羅仿真方法相結(jié)合；“通信原理”課程的熱噪聲受限的接收機(jī)靈敏度，可與基于散粒噪聲的光接收機(jī)進(jìn)行對(duì)比分析；傳統(tǒng)無(wú)線通信的非線性畸變，可與光纖非線性效應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析等等。

2 結(jié)論

圍繞目前電子信息類(lèi)本科培養(yǎng)的課程群建設(shè)目標(biāo)，從“光纖通信”課程教學(xué)視角出發(fā)，提出了辨析、對(duì)比與應(yīng)用三種可行有效的教學(xué)方法，通過(guò)光信噪比、系統(tǒng)預(yù)算以及拍頻噪聲分析三個(gè)具體的知識(shí)點(diǎn)教授過(guò)程實(shí)例，充分展示了在課程群建設(shè)路線下，利用知識(shí)點(diǎn)融合方法，有效強(qiáng)化“光纖通信”課程與相關(guān)課程之間的內(nèi)容銜接與聯(lián)系，建立在覆蓋各個(gè)課程的知識(shí)鏈條與關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)過(guò)近兩年的教學(xué)實(shí)踐，通過(guò)分析教學(xué)效果與學(xué)生反饋，提出的面向課程群建設(shè)的知識(shí)點(diǎn)教學(xué)探索，有利于學(xué)生深度掌握電子信息大類(lèi)的知識(shí)概念，能夠有效構(gòu)建電子信息大類(lèi)培養(yǎng)下的完備知識(shí)體系結(jié)構(gòu)，將有力、全方位地夯實(shí)學(xué)生的知識(shí)應(yīng)用與創(chuàng)新實(shí)踐能力。