光纖通信課程教學研究

[摘要]光纖通信課程是一門系統介紹光纖通信理論和技術的課程，在通信工程等專業的學習中占有重要地位。文章結合教學實踐，針對存在的問題，詳細分析了出現問題的原因并提出了具體的解決方法和措施，經過幾年的教學實踐，取得了很好的效果。

[關鍵詞]光纖通信，教學，實踐環節，Multisim。

[中圖分類號]TN929.11[文獻標識碼]A[文章編號]1005-4634(2008)03-0240-03

0引言

光纖通信是20世紀70年代問世的新技術，它以光波作為信息載體，采用光導纖維作為傳輸介質，具有巨大的可用帶寬和極低的損耗。近年來，光纖通信技術得到了飛速發展和廣泛應用，目前光纖不但已經取代電纜成為有線信道最主要的傳輸方式而且仍在以驚人的速度向更高階段發展，高水平的光纖通信技術不斷涌現，如波分復用技術（WDM）、相干光通信（COFC）技術、光纖放大器和光孤子通信等。可以說，以光纖通信為主的光通信技術已經深刻地改變了人們的生活，成為未來通信技術發展的一個重要方向。

1該課程的內容和任務

光纖通信課程是一門系統介紹光纖通信理論和技術的課程，內容包括光纖傳光基本原理、光纖波導中的模式場分布、光發射器、光檢測器以及光纖通信系統的構成。通過這門課程的學習，可以使學生掌握光纖通信技術的基本原理、光纖通信系統的基本構成以及系統設計方法，了解光纖通信技術的實際應用和最新發展方向，為從事本專業研究與應用打下良好的基礎。光纖通信課程的授課對象為本科通信工程、光電子等專業，授課學時為60學時，另有10學時實驗和兩周的課程設計。

光纖通信課程設計是給學生提供一個理論聯系實際的機會，引導學生利用所學的專業知識來解決實際問題，在此基礎上進一步加深對課堂知識的理解與印證。另外，課程設計給學生提供了一個了解本專業知識實際應用和發展方向的機會，可以激發學生的學習興趣。

2目前存在的問題

從這幾年光纖通信課程的教學實踐來看，學生普遍反映這門課比較難學，一些概念知其然不知其所以然。筆者分析，原因有如下幾個方面：

1）學生的基礎理論知識不夠扎實。例如研究光纖中的模式場分布通常是在圓柱坐標系下用分離變量法解給定邊界條件下的亥姆霍茲方程來完成，這個過程中用到二階常微分方程和貝塞爾方程的求解知識以及不同介質中電磁波的傳播理論，要求學生有較好的數學功底和電磁波方面的知識，如果基礎知識不夠扎實這部分的學習就會出現困難；

2）部分學生空間想象能力缺乏。這門課程的理論比較抽象，學生難以理解不同模式的光波到底是如何在光纖中分布和傳輸的。這是因為光纖中電磁場分布是一個三維空間結構，必須要有很好的空間想象能力才能將推導出來的數學結論和空間場分布對應起來；

3）學生的實踐能力比較弱。學生的實際動手操作能力較差，不能將所學理論知識和實際應用結合起來。雖然學到了一些理論知識，但是不知道這些知識用在何處、如何運用。筆者分析出現這種問題的主要原因存在于實踐教學環節中：實踐環節的總量不夠；實踐環節的內容和實際技術應用脫節。

3解決辦法

針對教學中出現的上述問題，結合幾年來的教學經驗，筆者組織任課教師進行了認真討論，分析了出現問題的原因，并采取了以下措施。

3.1課堂理論教學

首先，針對學生反映比較難懂的理論、有計劃地復習和補充一些前導知識。例如場論、高等數學、電磁場理論、導波光學等知識都是在光纖通信課程中要用到的重要理論，筆者采用學生課前預習和教師課堂復習的形式來回顧這些知識，這樣應用起來學生就能更容易理解和接受。對于難以理解的概念采用多種不同的分析方法，由淺入深，逐步闡述，先簡單介紹理論的大致脈絡，然后再用嚴格的理論推導證明其內容。例如，光纖中的模式場分布是光纖通信理論中的一個重要內容，通常采用的方法就是用分離變量法解給定邊界條件下的亥姆霍茲方程，這樣的確可以得到光場分布的精確數學表達式，但是其過程繁瑣復雜，而且學生難以將推導出的理論結論和實際物理意義對應起來。所以在這一部分的教學當中采用幾何光學與導波光學相結合的方法，首先闡明不同的傳輸模式實際上對應的是不同的傳播角，而產生不同的離散模式的原因是光波在芯區和包層分界面上發生反射時會產生相位移動，這個相位移動恰恰就依賴于傳播角的大小，在理解概念的基礎上再運用電磁場理論推導出嚴格的數學結論。這樣循序漸進，使學生更容易理解和接受概念；

其次，探索教學手段的改革，充分發揮多媒體教學的直觀、生動、信息量大的優勢，采用傳統教學和多媒體教學相結合的方式來提高教學質量。根據教學大綱的要求，結合本學科的實際情況，筆者以張明德教授編寫的《光纖通信原理與系統》為基礎，制作了適合實際情況的教學課件，在闡述基本原理、基本方法的同時強調理論與工程實際相結合，介紹專業領域的新技術與新成就。經過連續四年的使用和修改完善，這套課件的教學效果良好；

另外，為了使抽象的理論教學變得更直觀，更易于接收，也為了使學生初步了解一些本專業科學研究的方法，筆者引入了Virtual Photonics公司的Photonic Transmission Design Suite（PTDS）和Multisim等仿真軟件。在講授數字光纖通信部分時，定時提取電路是接收機中一個重要的組成部分，但是幾乎所有的教材中對于這一部分只是給出了一個組成框圖和簡單的描述，并沒有相應的電路，學生就不容易理解。筆者使用Multisim軟件設計了一個定時提取電路，仿真的結果可以清楚地看到信號是如何在電路中得到處理以及各個點上信號的波形，如圖1和圖2所示。通過課件和仿真工具軟件的使用，不但使原先枯燥的課堂教學變得更加生動，還可以使學生更容易地理解課本中的概念，初步了解和學會運用本專業實際工作中使用的一些工具軟件和分析手段，為將來盡快的適應實際工作需要打下堅實的基礎。

3.2實踐教學環節

針對實踐環節存在的問題，筆者也做了相應的調整。對于實踐內容總量不足的情況，在新教學計劃中已經進行了修改，增加了實踐環節學時，把從前一周的課程設計增加為兩周，同時增加了四學時的實驗。這樣就使學生有更多的參加實踐的機會，也可以使老師有條件制定內容更充實、與實際結合更緊密的設計題目。

針對實踐環節內容與實際應用脫節的情況，在總結前幾屆教學經驗的基礎上，筆者對舊的課程設計教學大綱進行了如下三個方面大的調整：

1）修改了課程設計內容。將原先單一頻率正弦波或方波信號的光纖傳輸系統設計改為寬帶視頻信號的傳輸系統設計，增強了設計內容的實用性和趣味性，提高了學生參與的積極性和思考的主動性；

2）增加了光路設計的工作量。根據當前光通信技術的發展和實際應用，取消了原有的LED發射系統設計，全部改為LD光纖傳輸系統設計，整個設計當中既包括光發送部分又包括光檢測內容，可以使學生從一個設計當中領會到完整的光纖通信系統的構成、工作原理以及設計方法；

3）增加了電路設計的內容。改變原先的直接模擬信號強度調制為模擬信號脈沖頻率調制(PFM)，這樣就使得設計內容更貼近實際應用。電路部分還增加了電路Multisim仿真和印刷電路板(PCB)的Protel設計部分，以彌補光學專業學生電路設計能力方面的欠缺，提高學生畢業之后的社會競爭力。PFM調制電路及其multisim仿真結果如圖3、圖4所示。

新的課程設計不但增加了設計的內容，加大了設計的難度，而且增強了設計的實用性和趣味性，將書本中的理論知識和專業實際應用更加緊密地結合起來，可以提高學生參與的積極性和主動性，通過設計實踐，可以使學生更好的理解光纖通信系統的理論知識，提高運用所學解決實際問題的能力，增強專業綜合能力和社會競爭力。

4結束語

采用新的教學方法和實踐內容把復雜的問題變得容易了，把枯燥的問題變得生動了，真正調動起了學生的學習積極性，使學生由先前的畏懼、排斥這門課到喜歡、愿意學習這門課，由被動學習變為主動學習。筆者在光纖通信課程教學實踐方面進行的改革，經過近三年的運行，取得了不錯的效果。

參考文獻

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