空間光通信創新實驗的教學思路探索

何文森，楊華軍，江 萍

（電子科技大學 物理電子學院，四川 成都 610054）

1 大學生創新實踐基地

“空間光通信創新實驗”是電子科技大學物理電子學院電子信息科學與技術類本科專業教育的一門創新實驗課程。

2009年在電子科技大學有關部門的高度重視和大力支持下，建立了大學生創新實踐基地。服務對象主要面向研究生、基科班和各年級的本科生。大學生創新實踐基地通過構建以強化學生動手實踐能力、創新能力和編程設計能力培養為核心的多元化創新實踐教學平臺，成為組織與引導學生開展自主學習、科學研究與設計創新的重要教學場所［1－4］，為教學提供一流的空間光通信創新實踐、計算機仿真及編程設計學習平臺。教學結構主要向以大學生自主學習為主導、以交互式信息系統為媒介、教師與學生互動的全新教學結構轉變［5－9］?！翱臻g光通信創新實驗”作為該基地支持的主要課程之一，為教學深化改革打下了堅實的基礎，對教學模式和教學方法提出了新的要求。

本教學團隊承擔著一批國家級基礎研究項目，同時也承擔重要的應用型科研任務?！把芯啃痛髮W應該遵循研究型教學模式，實行教學與研究相結合，人才培養與學科建設有機結合”［10］。通過近幾年探索與實踐，形成了一套相對完善的開展科技創新活動的機制和方法［11－12］：

（1）建立了一套嚴格的教師與學生共管大學生創新實踐基地的規章制度；

（2）在內容上定期開展前沿講座，介紹科研領域發展的最新動態，拓寬學生視野；

（3）定期進行綜合創新實驗及大學生創新訓練計劃項目講評，實行教師與學生的良性互動，鼓勵學生發表高質量的論文，并實行獎勵制度；

（4）在硬件和軟件建設上實行目標任務制；

（5）開展創新基地活動采用導師制，實行研教、競教結合方式，在開展的各項活動中注重挖掘學生的創新意識、培養學生的自學和動手能力，鼓勵學生在實踐過程中不斷提出問題、挑戰自己；

（6）教師實行年終考核制。

實踐表明，開展對本科生的科研訓練是提高大學本科教育教學質量的重要手段之一，是培養具有創新意識和創造能力研究型人才的有效途徑，是研究型教學模式的主要驅動力。研究型教學在改革本科教育體系、提升本科教學質量方面發揮著重要作用。

2 銜接性、漸進性和可操作性

實驗項目和實驗內容的選擇是設計性、創新性實驗能否順利開展的一個很重要的因素，我們根據自身的教學特點、實驗條件，開設了具有一定特色、操作性強的實驗項目十幾項。例如無線激光大氣通信實驗、光學天線偏軸理論建模仿真實驗、光學天線偏軸與熱膨脹實驗、高精度激光準直光傳輸理論建模與實驗、光學天線與光纖耦合激光傳輸理論建模與實驗、高精度光纖耦合激光傳輸理論建模與實驗、光信號在不同介質中的無線傳輸測試實驗、光電探測器特性實驗、電尋址空間光參數測試實驗、卡塞格倫光學天線光傳輸特性測試實驗等。

為了提高學生運用所掌握的知識和查閱相關文獻的能力，順利地完成實驗，我們在選擇實驗項目時做了綜合考慮：

（1）難易程度要適中，即從基礎性實驗到設計性實驗的過渡；

（2）在規定的教學時間內，大部分學生能獨立完成；

（3）選用常用的光學測試儀器設備及有所了解的光學元器件等；

（4）實驗內容應具有一定的綜合性、創新性。

總之，實驗的可操作性要強，在實驗內容中要注重與教材的銜接性與漸進性，讓學生力所能及。例如光學系統像差測試實驗，作為基礎性實驗，該實驗的目的是讓學生學習掌握各種幾何像差產生的條件及其基本規律，以及觀察各種像差現象的計算機模擬效果圖。幾何像差主要有7種：球差、彗差、像散、場曲、畸變、位置色差及倍率色差。圖1、圖2是實驗測試效果圖與仿真效果圖的對比。

圖1 像散效果圖

圖2 慧差效果圖

本實驗主要目的是讓學生更加深刻地理解各種單色像差的概念及對光學系統的影響。為了使學生熟悉設計性、創新性實驗的基本思路，我們給出了：

問題1：已知圓線圈的半徑為a，通有電流I，求空間任意一點的磁感應強度B。圖3是學生根據題目的要求做出的仿真結果圖。

圖3 感應強度B的場線仿真結果

問題2：在半徑為a的導體球內（或導體球外），距球心r0處放置電量為4πε0q的點電荷，求它形成的靜電場。圖4、圖5是學生根據題目的要求做出的仿真結果圖，球域外有點電荷r1＞a，球域內有點電荷r1＜a。

圖4 球域外點電荷的電場仿真結果

通過該實驗，學生可以研究幾何像差產生的條件及其基本規律，觀察各種像差現象的計算機模擬效果圖，以及觀察圓線圈空間任意一點的磁感應強度B的場線分布及導體球域靜電場分布的計算機模擬效果圖。

通過以上基礎實驗，為學生逐漸進入較難的綜合性、創新性實驗打下良好的基礎。

圖5 球域內點電荷的電場仿真結果

3 兩種類型

在創新性實驗操作形式上，規定了2種類型：

（1）要求學生根據實驗條件提出創新性實驗方案的設計及器材的要求，并在規定時間內完成實驗，實行獎勵制度；

（2）要求學生給出實驗原理，寫出計劃書，提出可行性實驗方案并論證，在規定時間內完成實驗，實行獎勵制度。

第一種類型學生通過實驗會有更多的收獲，第二種類型只規定了實驗任務，對測量手段和測量儀器沒有限制。因此實現的方法很多，這更有利于激發學生的研究興趣和培養大學生創新型的人才。

第一種類型，如激光束在不同介質中的光傳輸綜合測試實驗內容，要求：

（1）對激光束經不同介質后光傳輸特性進行分析；

（2）研究準直、保偏、光纖耦合等技術；

（3）測試激光束經不同介質后光傳輸效率和光纖耦合效率等。

第二類創新性實驗，例如對布拉格光纖的仿真，圖8是學生根據題目的要求做出的仿真結果圖。

圖8 布拉格光纖的仿真結果圖形

4 合理安排及導師的作用

在教學方式上采用啟發式和開放式，重點放在啟迪學生智慧、激發學生的研究興趣，積極引導，實行導師負責制。在此期間，學生不僅要學習教材實驗內容、了解各種光學實驗儀器的使用方法、熟悉各種光學實驗的原理，還要提出合理的設計方案，并與指導教師對方案的設計和論證實行良性互動。在這個實驗過程當中，導師的作用極其重要。另外還要適當、合理地安排教學時間及教學內容。大學生創新實踐基地采用開放式教學。

近幾年，開展的空間光通信創新實驗的教學思路探索正在實施中，目前通過這種培養模式開發了大學生創新實驗及創新訓練計劃40余項，并指導學生發表論文40余篇（其中SCI 5篇），多名優秀大學畢業生被推薦到國外著名大學留學和保研，極大地提高了學生綜合創新設計、英語閱讀和寫作等能力，達到了學生鍛煉自己、培養專業思維訓練及綜合創新能力的目的。

5 實施效果

本教學團隊根據這門課程完成的主要教改項目有：空間光通信實驗平臺專項建設，2項電子科技大學教材建設，1個基于大學生創新實踐基地的空間光通信工程技術研究中心，研發了光通信創新設計實驗“光纖損耗與光纖耦合實驗”、“激光準直與多波長光學天線傳輸實驗”等10余個創新設計實驗，并依托這個創新實踐平臺開展了一系列高水平的科研項目，獲得了國家自然科學基金項目2項、國家自然科學青年基金項目5項以及橫向建設項目等，取得了顯著的教學成果，形成了交叉性學科前沿與創新實踐相結合的人才培養模式。

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［1］顧秉林，王大中，汪勁松，等.創新性實踐教育［J］.清華大學教育研究，2010，31（1）：1－5.

［2］劉海峰，溫剛，崔濤，等.大學生創新基地建設與實踐［J］.實驗室科學，2008（3）：1－2.

［3］陳建中，趙劍曦，黃長滄，等.以科研訓練為主線培養研究型人才［J］.中國大學教學，2005（5）：30－32.

［4］汪勁松，張文雪，汪蕙，等.探索研究型本科教學體系提升教育質量［J］.中國大學教學，2005（11）：10－13.

［5］馮華，丘凱倫，陳康民，等.加強創新基地建設，提高學生創新能力的探索與實踐［J］.實驗技術與管理，2012，29（5）：198－200.

［6］丁紅勝，董軍軍，吳平，等.綜合性設計性實驗的教學思路探討［J］.大學物理，2007，26（5）：44－47.

［7］周鮮成.規范綜合性、設計性實驗教學的探索與研究［J］.實驗技術與管理，2007，24（7）：103－105.

［8］程國生.物理開放實驗與創新能力培養的探索［J］.實驗室研究與探索，2007，26（12）：12－14.

［9］李焱，史美萍，吳濤，等.依托科研實踐提高研究生創新能力的探索［J］.高等教育研究學報，2009，32（3）：47－49.

［10］康明才，黃錦安，馬鑫金，等.強化工程和創新能力培養的探索與實踐［J］.實驗室研究與探索，2005，24（增刊）：75－77.

［11］鄒洪濤，呼漢衛，陳阿梅，等.提高學生實驗課中創新意識和實踐能力的探索：環境化學實驗教學改革嘗試與體會［J］.實驗技術與管理，2011，28（7）：221－222.

［12］夏定元，徐華中，李琦，等.探索實驗室管理模式 提高大學生創新能力［J］.實驗室研究與探索，2010，29（3）：88－90.