光纖通信課程教學中的思政元素及運用

摘? 要：課堂思政是高校工科課程教學的重要組成部分，但容易出現(xiàn)挖掘不深、設計不精以及方式單一的問題，導致德育效果不佳。該文梳理總結光纖通信課程在家國情懷、科學精神、職業(yè)素養(yǎng)、哲學思維、國防與法律意識等方面的思政元素，將其與專業(yè)知識和教學過程有機融合，既滿足立德樹人要求，還使教學內容和形式更加豐富，形成德育和智育正反饋，取得較好的教學效果。

關鍵詞：課堂思政；光纖通信；思政元素；教學效果；教學內容

中圖分類號：G642? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）17-0189-04

Abstract： "Curriculum ideological and political education" is an important part of engineering course teaching in colleges and universities， whereas the teaching effect is likely not good due to the problems of poor mining， poor design and single method. The elements of ideological and political education in Optical Communications course are sorted and summarized in terms of national feelings， scientific spirit， professional quality， philosophical thinking， national defense and legal awareness. These elements are integrated with professional knowledge and teaching process， which not only meets the requirements of moral education， but also enriches the teaching content and form， resulting positive feedback with intellectual education and achieving good teaching effectiveness.

Keywords： curriculum ideological and political education; Optical Communications; elements of ideological and political education; teaching effectiveness; teaching content

黨的二十大報告明確提出，要“落實立德樹人根本任務，培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的社會主義建設者和接班人”。高等教育落實立德樹人，除了思想政治課堂發(fā)揮主渠道作用，專業(yè)課的課堂思政也是重要環(huán)節(jié)。光纖通信是通信工程專業(yè)一門必修課，如何發(fā)掘該課程蘊含的思政元素，并將專業(yè)知識與思想教育有機融合值得深入研究[1-4]。本文結合現(xiàn)有研究成果和教學實踐，將光纖通信課程思政元素分為家國情懷、科學精神、職業(yè)素養(yǎng)和哲學思維四大類，并分別予以闡釋。

一? 家國情懷

家國情懷主要包括激發(fā)愛國主義精神和樹立社會主義核心價值觀，這是學生對祖國的一種最深厚的感情，與為國奉獻、對國盡責緊緊地聯(lián)系在一起。光纖通信課程中激勵家國情懷的思政點比較多，主要是從國家在相關領域取得成就和部分前沿科技暫時被國外打壓的角度進行融合，提高民族自豪感，增強學生的道路、理論、制度和文化自信心，激發(fā)實現(xiàn)中華民族偉大復興中國夢的責任感和使命感。

在講授光纖通信應用、光纖發(fā)展趨勢等知識點時，介紹我國光纖產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷史和現(xiàn)狀。1998年我國建成“八縱八橫”格狀光纜骨干網(wǎng)，覆蓋全國省會以上城市和70%地市，全國長途光纜達到20萬公里，形成以光纜為主的長途骨干通信網(wǎng)絡。截至2022年底，我國光纜線路總長度達5 958萬公里，其中長途光纜線路、本地網(wǎng)中繼光纜線路和接入網(wǎng)光纜線路長度分別達109.5萬、2 146萬和3 702萬公里。我國光纖通信較國外起步晚，但是國內的一些領軍企業(yè)，例如華為、中興、中國信科等奮起直追，已經(jīng)躋身于光纖通信領域前列，部分產(chǎn)品的市場競爭力和占有率也在不斷提高[5]。

在介紹學習相干光通信技術時，引入我國的實際應用和研究現(xiàn)狀。目前，基于密集波分復用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）技術，我國的相干光通信系統(tǒng)在商業(yè)領域中的應用處于世界領先水平，中國電信集團有限公司和華為技術有限公司已經(jīng)實現(xiàn)偏振復用16QAM信號50 GHz間隔、200 Gbit/s單路傳輸速率的1 142 km傳輸，單纖傳輸總容量達到16 Tbit/s，華為還利用C+L波段的摻鉺光纖放大器（Erbium Doped Fiber Application Amplifier，EDFA）實現(xiàn)了124 Tbit/s信號600 km傳輸[5]，2019年我國完成了1.06 Pbit/s超大容量波分復用及空分復用的光傳輸系統(tǒng)實驗，可以同時傳輸近300億人的通話信息。

在學習光量子通信系統(tǒng)時，突出我國在世界量子通信領域的領先地位。量子通信具有絕對保密性的獨特優(yōu)勢，以潘建偉、郭光燦、龍桂魯?shù)葹榇淼闹袊茖W家在量子通信領域取得偉大成就，使中國成為世界量子通信產(chǎn)業(yè)的領跑者。我國已經(jīng)建成“合肥量子通信網(wǎng)”“濟南量子通信試驗網(wǎng)”“京滬干線”等地面量子通信網(wǎng)，成功發(fā)射世界首顆量子通信科學實驗衛(wèi)星“墨子號”，并于2021年構建了世界上首個集成700多條地面光纖量子密鑰分發(fā)鏈路和兩個星地自由空間高速量子密鑰分發(fā)鏈路的天地一體化量子通信網(wǎng)?！蹲匀弧冯s志也曾評價“在量子通信領域，中國用了不到十年時間，由一個不起眼的國家發(fā)展成為現(xiàn)在的世界勁旅”。

除了上述巨大成就，我國在光纖通信領域仍然存在短板與弱項，最典型的就是高端光芯片，這也能從另一個角度增強學生的危機感，將愛國熱情轉化為使命責任。眾所周知，我國在電子芯片領域正在遭受美國等西方國家的出口限制，在光芯片領域我們的形式也不容樂觀。目前，中國低速光通信芯片市場（10 G及以下）已呈現(xiàn)高度競爭的格局，現(xiàn)階段中國已有30多家企業(yè)實現(xiàn)10 G及以下光通信芯片的銷售，低速芯片市場趨近飽和。但我國的高端光模塊上游光芯片仍然受限于海外領先企業(yè)，以100 Gbit/s@10/40 km光模塊核心光芯片53 G Baud為例，我國大部分頭部企業(yè)仍在研發(fā)階段，而以SEDI等為代表的際領先廠家已經(jīng)基本度過樣品階段實現(xiàn)了規(guī)模化量產(chǎn)。回想20世紀60年代世界紅寶石激光器誕生不到一年時間，我們老一輩科學家就制作出了相同水平的國產(chǎn)激光器，我們更應該承擔起自己的歷史責任，砥礪前行，為科技強國做出自己的貢獻。

二? 科學精神

科學精神包含刻苦鉆研、勇于創(chuàng)新、嚴謹求實、堅忍不拔、精益求精、自強不息和大膽質疑等諸多品質，培養(yǎng)學生的科學精神對其現(xiàn)在學習和將來工作都大有裨益。光纖通信課程的思政元素可從著名科學家的相關事例入手，也可從培養(yǎng)科學思維和解決問題能力切入，還可將科學與人文知識融為一體，使學生體會科學之美。菲爾茲獎得主丘成桐在多個公開演講中說道，科學和人文有很多相同點，文學藝術和感情培養(yǎng)在科學創(chuàng)造中起到了重要作用[6]。

在講授光纖通信概述時，教師一般都會介紹“世界光纖之父”高錕和“中國光纖之父”趙梓森院士的事跡[5，7-8]。1966年，高錕發(fā)表了一篇題為《光頻率介質纖維表面波導》的論文，開創(chuàng)性地提出光纖在通信上應用的基本原理，但當時并沒有獲得社會的廣泛認同，直到1981年第一代光纖通信系統(tǒng)問世。無獨有偶，20世紀70年代初趙梓森剛開始進行光纖通信研究時，也受到了許多權威專家的質疑，認為光信號經(jīng)光纖傳輸后衰減太大，影響中繼距離，但他卻堅信自己的判斷，認為光纖玻璃的損耗是由過渡金屬離子產(chǎn)生，如果降低含量并且改進工藝就可以大大減少損耗。趙梓森在一無技術、二無設備、三無人員的情況下開始了中國的光纖攻關：在單位廁所旁邊改造出一間實驗室，找來幾位年輕同事做幫手，采用最簡易的實驗設備、最簡單的工藝和最基礎的原料，經(jīng)過一年多時間數(shù)千次的試驗制造出了一臺光纖拉絲機，并最終于1976年制成了我國第一根實用型、短波長和階躍型石英光纖。此事例可以鼓勵學生學習趙梓森院士艱苦奮斗、勇于創(chuàng)新以及不盲從權威的科學精神。

光纖傳輸原理中的射線理論分析是課程教學重點和難點，通過先不斷分析問題、再提出問題到最終解決問題的過程可以啟發(fā)學生創(chuàng)新思維意識，使學生勇于面對問題并解決問題[9]。我們的基本思路是從光纖全反射原理出發(fā)提出問題“是否進入光纖的所有光線都能被遠距離傳輸”引出“最大入射角和數(shù)值孔徑”的概念，從“數(shù)值孔徑越大進入光纖的光越多，傳輸距離就越遠”的結論引出問題“是否數(shù)值孔徑越大越好”；再從光纖多徑傳輸?shù)慕嵌榷ㄐ苑治鰝鞑r延會帶來碼間串擾問題，定量的推導不產(chǎn)生碼間串擾的最低條件，即“帶寬距離積”，發(fā)現(xiàn)它與數(shù)值孔徑的要求正好相反，數(shù)值孔徑（其中的相對折射率差）越小，理論傳輸帶寬和距離越遠。由此出現(xiàn)了工程中經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象：某個（些）關鍵參數(shù)能夠影響系統(tǒng)的不同方面，需要進行平衡或采取其他措施。

光纖通信對現(xiàn)代社會的影響是巨大的，這一點從與其相關的諾貝爾獎就可見一斑。傳統(tǒng)的課堂思政一般只提到“光纖之父”高錕于2009年獲得了諾貝爾獎，但實際上相關成果遠不止于此，將這些融入教學可以使學生體驗科學發(fā)展過程，拓展視野，陶冶情操，還能加深重要知識點的理解。1905年愛因斯坦提出光電效應理論并在此基礎上于1917年提出了光與物質的三種作用：受激輻射、自發(fā)輻射和受激吸收，1922年因光電效應理論獲得諾貝爾物理學獎（補發(fā)1921年空缺），這三種效應也是激光器、發(fā)光二極管、光放大器和光檢測器的物理基礎。產(chǎn)生激光的前提條件是物質中存在“粒子數(shù)反轉分布”，布洛赫（F. Bloch）在水樣品中進行的核磁共振實驗有可能是首次人為粒子數(shù)反轉，珀塞爾（E. M. Purcell）在實驗中意外地觀察到了頻率為50 kHz的受激輻射，1952年二人獲得了諾貝爾物理學獎。1954年，湯斯（C. Townes）、普羅霍洛夫（A. Prokhorov）和巴索夫（N. Basov）分別發(fā)明了工作于微波波段的氨分子微波激射放大器（Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation），三人獲得了1964年諾貝爾物理學獎。湯斯與其學生肖洛（A. L. Schawlow）于1958年發(fā)表了重要文章《紅外與光學激射器》（Infrared and Optical Masers），突破了激光器的關鍵技術，肖洛也獲得了1981年物理學獎。值得一提的是著名美劇《生活大爆炸》中主角Leonard的人物原型就是肖洛。1963年，阿爾費羅夫（Z. Alferov）率先提出半導體雙異質結構并在1970年與同事們研制成功了世界上第一只可室溫連續(xù)運轉的半導體激光器，2000年獲得諾貝爾物理學獎。2022年，諾貝爾物理學獎授予了阿斯佩（A. Aspect）、克勞澤（J. Clauser）和蔡林格（A. Zeilinger），以表彰他們利用糾纏光子實驗檢驗貝爾不等式以及在開拓量子信息科學方面做出的卓越貢獻。

三? 職業(yè)素養(yǎng)

職業(yè)素養(yǎng)涵蓋了職業(yè)態(tài)度、職業(yè)規(guī)劃、職業(yè)道德、專業(yè)技能、敬業(yè)精神和團結協(xié)作等方面。通過思政元素的融入，提升學生對本專業(yè)的認同感和榮譽感，激勵學生學習的積極性和主動性，將來能夠熱愛崗位，把本職工作當成自己的事業(yè)去經(jīng)營，以飽滿的工作熱情，嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度，全身心地投入到工作中去，實現(xiàn)自己的人身價值。此類元素可從重要知識點、著名人物事跡、課程實驗、課題研究中發(fā)掘。

光在光纖中傳輸時需要將光能集中才能延長通信距離，特別是單模光纖中的光線均是沿著光軸傳播，這就好比我們的工作，需要專心致志干好本職，心無旁騖謀作為，以此激發(fā)干一行、愛一行、鉆一行的精神，追求卓越，默默奉獻，培育不甘落后，開拓創(chuàng)新的精神[10-11]。葉培大院士是中國通信科技界泰斗、著名微波通信與光纖通信專家和杰出的教育家，在光通信領域中作出了重大的開拓性貢獻，同時培養(yǎng)和鍛煉了一大批優(yōu)秀的高科技人才。葉先生是教書育人的楷模，畢生從事高等教育教學工作，年近九旬之時仍堅持給研究生上課，一生的教案都堅持親自撰寫并逐年更新，始終堅持親自授課、堅持站著授課、堅持課前試講，體現(xiàn)了“尊重科學、尊重學生”的教育理念。通過融入類似思政元素，在自身受到教育的同時，引導學生樹立正確的人生導向，培養(yǎng)持之以恒、鍥而不舍的職業(yè)態(tài)度，鼓勵學生勇于創(chuàng)新，堅持不懈，做新時代追夢人[11]。

光纖通信具有容量大和距離遠的優(yōu)點，已經(jīng)成為有線通信主用介質，這是因為光纖材質本身具有損耗低、帶寬大的優(yōu)勢，可以引導學生提升自身專業(yè)水平和技能，在競爭激烈的時代浪潮中做有“芯”人[11]。光纖通信網(wǎng)的主流體制經(jīng)歷了準同步數(shù)字體系（Plesiochronous Digital Hierarchy，PDH）、同步數(shù)字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）、波分復用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）和光傳送網(wǎng)（Optical Transport Network，OTN）的發(fā)展，這里面既有技術進步的動力，也有業(yè)務和市場推動的原因，目前OTN網(wǎng)絡結合大顆粒調度、SDH、WDM和自動交換光網(wǎng)絡（Automatically Switched Optical Network，ASON）的優(yōu)點，成為具有遠大前景的光傳輸系統(tǒng)。通過講解這些體制特點既能幫助學生厘清技術發(fā)展脈絡，又能教導學生樹立人生階段目標，分析各階段可能具有的認知與發(fā)展情況，不斷積累，前一階段為后一階段打好基礎，構建持續(xù)發(fā)展的人生藍圖。

課程實驗是光纖通信教學重要環(huán)節(jié)，可以在實驗前進行職業(yè)道德、行為規(guī)范、組織性和紀律性教育；學生需要熟悉實驗操作步驟和實驗原理，實驗嚴格按照規(guī)程操作，注意人身和儀器安全，培養(yǎng)嚴謹求實作風；在數(shù)據(jù)分析與處理中，理論與實驗數(shù)據(jù)可能有一定的差異，引導學生尊重客觀規(guī)律，探索實驗過程中的誤差，認真完成實驗報告的撰寫，不抄襲，不篡改數(shù)據(jù)，形成實事求是、誠實治學的科學態(tài)度[12]。光纖通信系統(tǒng)設計是課程知識點匯集的重要內容，也是課程教學難點，教師給出基本設計要求，引導學生分成小組，自主查閱資料，完成方案設計并進行交流討論，以此鍛煉培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際、主動學習和團結協(xié)作精神。

四? 哲學思維

哲學和自然科學是普遍和特殊的辯證關系，它們之間既有區(qū)別又有聯(lián)系，二者互相促進。自然科學充滿著哲學道理和哲學德義，哲學也離不開自然科學的支持。光纖通信屬于自然科學，可提煉相關元素培養(yǎng)和鍛煉學生的哲學思維、判斷與邏輯，反過來又能促進專業(yè)知識理解和能力提升。

在講授光纖通信概述時，可以引入事物之間普遍聯(lián)系的哲學原理。光纖通信系統(tǒng)由光纖光纜、光發(fā)射機、光放大器、光接收機和各類光器件組成，這些模塊與要素之間相互影響、相互制約，處在普遍的相互聯(lián)系中，共同影響系統(tǒng)性能[13]。在光纖通信系統(tǒng)設計中，教師首先要介紹總體需求以及衰減和色散中繼距離計算方法，然后要求學生根據(jù)帶寬和距離要求對系統(tǒng)各個組成模塊進行選取和設計，包括光源類型（如FP激光器、DFB激光器或發(fā)光二極管）、發(fā)光功率和譜寬、光纖（常見類型G.651-G.655）、工作波長（常見低損耗窗口）、光檢測器類型（PIN或APD）和靈敏度等，通過查閱產(chǎn)品手冊并考慮各類連接器的衰減進行合理化系統(tǒng)設計，這個過程一般不會一次就成功，需要根據(jù)結果反復迭代優(yōu)化，最終得到滿足要求且經(jīng)濟性好的系統(tǒng)方案。這個設計過程將馬克思主義基本原理，如量變質變規(guī)律，唯物主義辯證法，實踐是檢驗真理的唯一標準等融入專業(yè)知識[14]。

在講授光纖的模式理論時，可以用唯物辯證法來說明歸一化頻率[13]：光纖材料、損耗等內部因素是模式能否形成和傳播的依據(jù)，而光纖的結構參數(shù)等外部因素對模式截止有重大作用，決定光纖模式的歸一化頻率由內外因素共同決定。對抗光纖色散的方法中，模式色散可以通過采用單模光纖的方法進行“規(guī)避”，色度色散可以采用低/零色散光纖“抑制”、色散補償光纖/光柵“補償”，而偏振模色散則采用“加大”色散的保偏光纖解決問題，以此培養(yǎng)學生的“逆向思維”。PDH和SDH網(wǎng)絡均是采用時分復用方式提升容量，但由于技術瓶頸和色散因素的限制，傳輸時隙難以縮短，容量也難以繼續(xù)提升，需要從時間維度向波長（頻率）維度拓展，即波分復用的OTN網(wǎng)絡，以此培養(yǎng)學生的“發(fā)散思維”。

除了上述四個領域，光纖通信課程還能在提升國防和法律意識等其他方面提取思政元素。例如，在介紹光纖容易被折斷的缺點或者學習光纖熔接機使用時，可通過具體案例增強學生保護國防通信設施的意識。2022年4月，湖北省十堰市境內的國家一級骨干通信光纜被挖斷，造成西安至武漢國防光纜通信阻斷155分鐘，經(jīng)中國電信股份有限公司十堰分公司統(tǒng)計，光纜被挖斷造成的損失為人民幣1 618 353.8元，其中通信阻斷損失983 660.14元；線路搶修費78 245.3元；線路改遷費556 448.36元，最后責任人也受到了法律制裁。SDH網(wǎng)絡一般采用環(huán)形網(wǎng)形式，具有自愈功能，在無需人為干預的情況下，能在極短時間（ITU-T建議小于50 ms）從失效狀態(tài)自動恢復所攜帶的業(yè)務，使用戶感覺不到網(wǎng)絡已經(jīng)出現(xiàn)了故障，SDH網(wǎng)絡保護有1+1保護方式和1∶1或1∶n保護方式，前者是指發(fā)端在主備兩個信道上發(fā)同樣的信息（并發(fā)），即雙發(fā)雙收，后者指在正常時發(fā)端在主用信道上發(fā)主用業(yè)務，在備用信道上發(fā)額外業(yè)務（低級別業(yè)務）[15]。自愈環(huán)可引申到工作生活中遇到觸及道德和法律的事情，能夠通過自身調整及時改正，而不是任憑錯誤發(fā)展等待外界懲罰。

五? 結束語

本文梳理總結了光纖通信課程在家國情懷、科學精神、職業(yè)素養(yǎng)、哲學思維、國防與法律意識等方面的思政元素，將其與專業(yè)知識和教學過程相融合，潤物細無聲地實現(xiàn)對學生的思想政治教育。視角寬廣、形式多樣的思政元素設計不僅能夠滿足全過程、全方位育人的教育體系要求，還使得教學內容更加豐富、方式更為生動，學生學習興趣更濃，與專業(yè)知識學習形成了正反饋，極大提高了教學質量。另外，需要說明的是，某個思政元素不是只能從一個角度解讀，而是能夠涵蓋多個方面，教師可根據(jù)教學內容有的放矢，靈活運用。

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基金項目：國家自然科學基金項目“基于LDPC碼和噴泉碼的衛(wèi)星動中通鏈路擁塞控制研究”（61501469）；火箭軍工程大學教育教學研究項目“基于LVC聯(lián)合仿真的‘光纖通信系統(tǒng)課程教學模式探索”（HJJKTB2022015）

作者簡介：戴精科（1984-），男，漢族，湖南常德人，博士，副教授。研究方向為通信工程。