創(chuàng)新能力培養(yǎng)引導(dǎo)的光纖通信課程教學(xué)改革探討

畢美華， 周雪芳， 李齊良， 楊國偉， 盧 旸， 曾 然

（1．杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，杭州310018；2．上海交通大學(xué)光纖區(qū)域網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室，上海200240）

0 引 言

近年來，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、人工智能以及高速率的5G甚至B5G／6G移動技術(shù)的不斷發(fā)展和更新，大容量、高速率的光纖傳輸技術(shù)發(fā)揮著越來越重要的作用，并且該技術(shù)已儼然成為當(dāng)前研究的熱點方向［1-3］。為此，將光纖通信作為通信電子類本科教學(xué)中的一門專業(yè)基礎(chǔ)課來教學(xué)就顯得尤其重要。與此同時，隨著各種新型技術(shù)不斷涌入以及當(dāng)前“互聯(lián)網(wǎng)＋”“中國制造2025”等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的不斷興起［4］，工科體系下的理工科教育尤其是專業(yè)基礎(chǔ)教學(xué)工作受到了科學(xué)技術(shù)水平的高速發(fā)展和不斷推陳出新的技術(shù)革命的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)［5-6］。此外，當(dāng)前高速發(fā)展的社會主義市場經(jīng)濟，需要高校能夠培養(yǎng)出全面的、能夠適應(yīng)和滿足當(dāng)前社會發(fā)展需求的高等人才［7-8］。與此同時，從國家教育發(fā)展的戰(zhàn)略［9］可知，當(dāng)前一些高校仍存在教育教學(xué)理念相對滯后、機制不夠完善、內(nèi)容方法陳舊單一、實踐教學(xué)比較薄弱等問題。為了有效解決這些問題，教育部發(fā)布了相關(guān)文件［10］，要求：① 高等教育要貫徹落實《國務(wù)院辦公廳關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》，堅持把深入推進創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革作為中央高校教育教學(xué)改革的突破口和重中之重；②牢固樹立科學(xué)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育理念，把創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育作為全面提高高等教育質(zhì)量的內(nèi)在要求和應(yīng)有之義，將創(chuàng)新精神、創(chuàng)業(yè)意識和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力作為評價人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要指標(biāo)；③改革教學(xué)方式方法。

1 傳統(tǒng)光纖通信課程教學(xué)分析

光纖通信課程作為通信電子類本科生的一門重要專業(yè)課程，主要介紹光纖通信的基本知識和基本原理、光纖通信系統(tǒng)的組成、數(shù)字光纖通信系統(tǒng)設(shè)計、光纖通信的新技術(shù)等相關(guān)知識。在課程體系上，該課程起到承上啟下的作用，在了解光纖通信之前需要知道通信原理、數(shù)字信號處理、信號系統(tǒng)等基礎(chǔ)課程知識，這樣才能更好地理解光纖收發(fā)端的調(diào)制和解調(diào)，學(xué)生才能更好地在此基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新性的思考，設(shè)計新型的適合未來通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)展需要的新型技術(shù)。然而，該課程當(dāng)前的教學(xué)方式依然是老師講授學(xué)生被動接收為主，沒有充分地調(diào)動起學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。此外，該課程的目標(biāo)依然是培養(yǎng)和提高學(xué)生的工程應(yīng)用和工程問題處理能力，為本科畢業(yè)后的工作或繼續(xù)深造奠定堅實的專業(yè)基礎(chǔ)，而如何培養(yǎng)學(xué)生積極的創(chuàng)新能力卻沒有涉及。與此同時，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，需要了解一些光學(xué)器件以及光學(xué)知識，但是在面對眾多的光學(xué)器件和光傳輸概念時，往往會讓學(xué)生無所適從［11］。為了有效處理上述問題，部分教師提出在課堂上適當(dāng)引入案例分析或者進行案例分組討論的教學(xué)改革方案［12］。這些方法雖然一定程度上提升了部分學(xué)生參與學(xué)習(xí)的積極性，但是并沒有差異化對待不同學(xué)習(xí)層次的學(xué)生，比如沒有充分考慮考研與就業(yè)同學(xué)的不同要求，而且簡單的分組討論易出現(xiàn)僅有少部分同學(xué)真正參與討論，而另一些同學(xué)則樂于充當(dāng)觀眾與聽眾的情況。

綜上所述，在當(dāng)前光纖通信課程的教學(xué)過程中存在的問題主要有：①不能較好地調(diào)動學(xué)生的積極主動性，簡單的分組形式易使部分同學(xué)產(chǎn)生惰性心理，從而達(dá)不到原本教改的目的；②教學(xué)過程中沒有差異化對待不同需求層次的學(xué)生，從而不能較好地適應(yīng)畢業(yè)要求的差異性（工作，繼續(xù)深造和自主創(chuàng)業(yè)等）；③ 教師授課模式被固化，不能夠被靈活地調(diào)動等缺點。正是由于這些問題的存在，現(xiàn)行課程的教學(xué)不能較好地適應(yīng)當(dāng)下國家層面、技術(shù)發(fā)展層面對大學(xué)生創(chuàng)新能力教育的要求。

為了有效解決當(dāng)前光纖通信課程存在的問題，以差異化地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力為出發(fā)點，積極響應(yīng)當(dāng)前創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的要求，與時代同行，在習(xí)總書記關(guān)于創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略這一重要講話精神的理論指導(dǎo)下，以光纖通信課程教學(xué)改革為著力點，將學(xué)生作為主體，從如何設(shè)計適合不同層次要求的課程內(nèi)容為切入點，設(shè)計新型的教學(xué)方式和方法。對于積極就業(yè)的同學(xué)，首先分析其就業(yè)去向和職業(yè)崗位特點，適當(dāng)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容并設(shè)計相應(yīng)的以培養(yǎng)動手能力為主的小課題；對于計劃繼續(xù)深造考研的同學(xué)，設(shè)計相應(yīng)科研為導(dǎo)向的小課題；另外，為了便于學(xué)生積極、隨時隨地地參與課程學(xué)習(xí)，對光纖通信課程進行信息化網(wǎng)絡(luò)體系建設(shè)，并定時追蹤最新的技術(shù)導(dǎo)向，不斷地更新和更改課件。通過前期的探索和部分方法實施，近兩年來，通過該課程參與到老師光纖通信方面相關(guān)科研項目的學(xué)生達(dá)到20名，并且都取得豐碩的成果，比如，申請并順利完成浙江省大學(xué)生“新苗計劃”，在SCI、一級期刊、核心期刊，EI收錄的國際會議以第一作者發(fā)表學(xué)術(shù)論文；參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目和挑戰(zhàn)杯項目等。這些結(jié)果表明，當(dāng)前針對光纖通信課程制定的層次化對待方案是可行的。在此基礎(chǔ)上，進而制定并建成一個全新的符合培養(yǎng)通信工程專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)要求的完整“光通信”課堂教學(xué)體系，通過這一教學(xué)體系，使通信工程專業(yè)的學(xué)生具有自主創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，實現(xiàn)自我發(fā)展，達(dá)到社會對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的需求。

2 創(chuàng)新能力為導(dǎo)向的教改方案

2.1 學(xué)生就業(yè)去向和職業(yè)崗位群分析

由表1可知，我校通信工程專業(yè)的畢業(yè)生去向主要分為兩類：就業(yè)類和繼續(xù)深造類。對于就業(yè)類同學(xué)來說，大部分同學(xué)選擇了通信相關(guān)的企業(yè)。通過對這些企業(yè)以及相應(yīng)的就業(yè)崗位進一步調(diào)研可知，大部分同學(xué)主要就職的崗位為軟硬件技術(shù)支持類、設(shè)計開發(fā)類。鑒于此狀況，核心專業(yè)的內(nèi)容和教學(xué)方案的設(shè)計就要盡可能地與企業(yè)的需求接軌，要求學(xué)生能夠一定程度上具備較好的動手能力、認(rèn)知能力和設(shè)計能力。而光纖通信課程作為一門重要的通信類專業(yè)課，其培養(yǎng)方向應(yīng)當(dāng)滿足能夠從事光纖網(wǎng)絡(luò)工程的規(guī)劃建設(shè)、同步數(shù)字體系［13］（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）系統(tǒng)的調(diào)測維護、電信核心網(wǎng)絡(luò)和接入網(wǎng)絡(luò)的工程維護等工作的應(yīng)用型人才的需求。因此，在設(shè)計教學(xué)內(nèi)容時，應(yīng)該理論實踐相結(jié)合，并引入一些當(dāng)前技術(shù)發(fā)展相關(guān)內(nèi)容。比如，老師在課堂上展示一些實物光纖轉(zhuǎn)接頭、法蘭盤、光纖跳線等，通過講授各個器件不同的標(biāo)準(zhǔn)，讓同學(xué)對于以后工作上的光器件有一個直觀的認(rèn)識；還可以增加一些新穎的實際工程上比較重要的光通信技術(shù)，例如智能光網(wǎng)絡(luò)（Automatically Switched Optical Network，ASON）［14］、光纖到戶（Fiber To The Home，F(xiàn)TTH）［15］、彈性分組網(wǎng)（Resilient Packet Ring，RPR）［16］等，從而使有志于繼續(xù)從事科研的同學(xué)對光纖通信方向有一定的認(rèn)識。

表1 2016-2018年杭州電子科技大學(xué)通信專業(yè)學(xué)生的畢業(yè)去向分析表

此外，適當(dāng)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，通過設(shè)計相應(yīng)的小課題讓學(xué)生分組完成，以此提升學(xué)生在光通信領(lǐng)域的專業(yè)性。例如在光通信網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)常使用的光分插復(fù)用器（Optical Add-Drop Multiplexer，OADM），它是一種能夠在光域上實現(xiàn)支路信號分插和復(fù)用的設(shè)備，在骨干網(wǎng)節(jié)點及本地接入中有著重要作用，并且OADM可以應(yīng)用到波分復(fù)用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）、光纖碼分多址（Optical Code-Division Multiple Access，OCDMA）、光時分復(fù)用（Optical Time Division Multiplexing，OTDM）全光網(wǎng)絡(luò)中。所以可以設(shè)計一個利用OADM搭建的光波分復(fù)用系統(tǒng)的課題，讓學(xué)生利用實驗室的器材親手搭建并且測試性能，這樣不僅提升了學(xué)生的動手能力，而且為以后學(xué)生工作和學(xué)習(xí)奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。此外，還可以發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，讓學(xué)生自行設(shè)計一個新型的OADM，這樣學(xué)生就需要去查詢了解相關(guān)的最新技術(shù)才能很好地完成課題，其創(chuàng)新能力就能得到很好的鍛煉，從而為以后的科研和工作打下堅實的基礎(chǔ)。

2.2 教學(xué)案例設(shè)計分析

教學(xué)案例設(shè)計分析的結(jié)構(gòu)如圖1所示，分為實驗教學(xué)和科研教學(xué)兩部分。其中在給學(xué)生講授課程實驗時，更要注重其對所理解知識的拓展，要激發(fā)學(xué)生對于實驗的興趣，把學(xué)生被動參與實驗變?yōu)橹鲃訁⑴c實驗。比如，在開展光纖色散補償實驗時，可以先介紹光纖色散的定義、產(chǎn)生的原因以及造成的影響等，這樣不僅可以引導(dǎo)學(xué)生加深對于色散的理解，還可以進一步幫助實現(xiàn)知識拓展，例如色散所造成的碼間干擾。之后引入目前解決光纖色散的主要技術(shù)：電域色散補償和光域色散補償，電域色散補償是通過某些算法對信號進行離線處理，光域色散補償是通過色散補償光纖直接對光信號進行補償處理。

為了更好地使輔助光纖色散補償實驗展開，可引入光仿真軟件Optisystem來進行光纖通信系統(tǒng)的搭建，見圖2。通過該仿真軟件，利用光域色散補償技術(shù)，學(xué)生可靈活地修改光纖色散補償參數(shù)以及色散補償光纖長度來對色散補償，之后可直接調(diào)用仿真軟件上的眼圖分析儀來觀察眼圖的好壞以此判斷色散補償能力，見圖3。分別為10 Gb／s的信號經(jīng)過80 km長度光纖后有無色散補償?shù)难蹐D，通過兩個眼圖的清晰度對比，可以直觀地顯示出色散補償能力，避免了一味枯燥的數(shù)據(jù)處理，進一步提升了學(xué)生實驗樂趣。

圖2 基于光學(xué)仿真軟件（Optisystem）的光傳輸系統(tǒng)搭建

圖3 有無色散補償?shù)慕邮斩搜蹐D比較

電域色散補償技術(shù)，則是在接收端通過Matlab對信號進行離線處理來完成色散補償，由于色散造成的直接影響是碼間干擾，所以離線處理主要是解決碼間干擾的問題。這樣就可以讓學(xué)生嘗試用信道均衡方法來解決色散所帶來的碼間干擾問題，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，實現(xiàn)知識點到實際應(yīng)用的轉(zhuǎn)換，讓學(xué)生感受到利用知識解決問題的樂趣，提高學(xué)習(xí)的積極性。而且基于Optisystem的教學(xué)不僅可以提高學(xué)生對于知識點的聯(lián)系和整體知識框架的把握，并且在教學(xué)過程中利用Optisystem仿真軟件進行仿真演示，輔助課堂教學(xué)，可將抽象的內(nèi)容予以直觀展示，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此外，在面對繼續(xù)深造且有志于投身科學(xué)研究的學(xué)生，可以引導(dǎo)學(xué)生參加老師的科研，一定程度上實現(xiàn)科研反哺教學(xué)。例如目前光接入網(wǎng)中使用的正交頻分復(fù)用-無源光網(wǎng)絡(luò)（Orthogonal Frequency Division Multiplexing-Passive Optical Network，OFDMPON）系統(tǒng)，由于PON網(wǎng)絡(luò)的巨大帶寬，目前已經(jīng)是光接入網(wǎng)的主流技術(shù)。但是OFDM采用的是多載波正交調(diào)制技術(shù)，在具有較高頻譜效率的同時也很容易產(chǎn)生高峰均功率比，導(dǎo)致信號非線性失真，因此高峰均功率比是目前制約OFDM-PON系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用的一個主要因素，也是目前研究的熱點。所以可以通過目前的研究熱點吸引學(xué)生參與科研，在參與科研的過程中，學(xué)生可通過線下查找資料、與老師討論等提出可行的方案，這些過程在讓學(xué)生了解目前最新技術(shù)的同時也提升了自我思考能力，為以后的科研奠定了堅實基礎(chǔ)。此外，PON帶來巨大網(wǎng)絡(luò)帶寬的同時也帶來了安全問題。由于PON采用的是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用戶信息極易被入侵者竊聽，所以在OFDM-PON系統(tǒng)中的安全問題也是一個目前研究的熱點。這樣在參與過上一個科研項目的學(xué)生就能很容易在下一個項目上實現(xiàn)無縫連接，在學(xué)生對于OFDM-PON系統(tǒng)有清晰認(rèn)識的前提下，可以很好地發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新性來提出相應(yīng)的物理層加密方法實現(xiàn)用戶信息的加密。所以吸引學(xué)生參與老師的科研項目，不僅可以幫助學(xué)生拓寬知識面，還加深了學(xué)生對于知識的理解和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，很好地彌補了課堂上時間短，學(xué)生對于知識點理解不透徹的問題。

2.3 課程信息化網(wǎng)絡(luò)體系設(shè)計

創(chuàng)新教育模式下要求廣泛開展啟發(fā)式、討論式、參與式教學(xué)，這就要求教師隊伍加強本課程的信息化建設(shè)，便于學(xué)生充分利用網(wǎng)絡(luò)資源進行線下學(xué)習(xí)與線上學(xué)習(xí)互補，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。近年來，MOOC等新型授課方式在世界范圍內(nèi)迅速興起，正在促使教學(xué)內(nèi)容、方法、模式和教學(xué)管理體制發(fā)生變革，給高等教育教學(xué)改革發(fā)展帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。所以在保證教學(xué)質(zhì)量的前提下，可以適當(dāng)推進在線開放課程學(xué)習(xí)視頻和相應(yīng)的線上學(xué)習(xí)考核制度。

在面對課堂教學(xué)時間不足以及學(xué)生對于知識點的理解程度欠缺等情況下，教師團隊可以通過網(wǎng)絡(luò)上傳詳細(xì)教學(xué)視頻以及課堂PPT文件以便于學(xué)生課下對知識進行回顧總結(jié)；同時，老師還可以上傳一些目前與光通信相關(guān)的最新前沿技術(shù)視頻，讓學(xué)生感受到信息技術(shù)快速發(fā)展的魅力，從而引導(dǎo)學(xué)生對于知識、學(xué)習(xí)、探索產(chǎn)生興趣；此外，老師可以制作一些具體問題的案例分析上傳到網(wǎng)上，讓學(xué)生利用書上的知識點來分析設(shè)計整個系統(tǒng)案例，以助學(xué)生對于知識點的融會貫通。最后為了保障學(xué)生線上學(xué)習(xí)的施行，線上的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)可以采取分組形式，要求在一定時間內(nèi)2人1組共同完成1個小課題，以保證學(xué)生可以真正地理解和掌握知識，避免了部分學(xué)生完不成任務(wù)，在組內(nèi)濫竽充數(shù)的情況。

建立光纖通信線上學(xué)習(xí)資料和考核制度，不僅可以幫助學(xué)生在課下對課程進行預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)，還在一定程度上督促了學(xué)生的學(xué)習(xí)。因為教材的章節(jié)看似零散，不便于記憶，其實各知識點是串接在一起的，如若能夠?qū)⒅R條理化，將知識編織成網(wǎng)，那么對于學(xué)生的記憶和理解是有很大幫助的。但課堂上的時間是有限的，對于知識點的講解和梳理并不能很詳細(xì)，所以可將課堂上詳細(xì)教學(xué)的視頻放到網(wǎng)上供學(xué)生學(xué)習(xí)，全面提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，有利于創(chuàng)新教育的實施。

2.4 教學(xué)改革的效果分析

目前，在創(chuàng)新能力培養(yǎng)下的部分學(xué)生已參加學(xué)院的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目以及浙江省大學(xué)生“新苗計劃”等若干項科研項目，并且都取得了豐碩成果。在這些項目的支撐下已發(fā)表專利、一級期刊以及SCI論文多篇，見表2。其中，在參與老師科研項目OFDM-PON系統(tǒng)的物理層加密中，陳同學(xué)利用混沌映射和恒包絡(luò)零自相關(guān)（Constant Amplitude Zero Auto Correlation，CAZAC）序列實現(xiàn)了OFDM-PON系統(tǒng)數(shù)據(jù)加密與高峰均功率比的降低，并通過拉格朗日插值法對系統(tǒng)的密鑰進行加密，進一步提升了系統(tǒng)的安全性；并巧妙地利用混沌映射對導(dǎo)頻的間隔和排列順序進行加密，在沒有任何冗余邊帶信息的條件下完成了對傳輸系統(tǒng)的加密；趙同學(xué)利用混沌映射所具有的隨機特性來充分置亂OFDM信號時頻域位置信息，在加密傳輸系統(tǒng)的同時獲得了較大的密鑰空間等。這些參與科研項目的同學(xué)，大部分人進入了國內(nèi)985學(xué)校讀研繼續(xù)從事科學(xué)研究工作。目前，教學(xué)團隊通過在課堂和實驗上對學(xué)生的學(xué)術(shù)興趣進行引導(dǎo)，并輔以學(xué)校的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力，再通過課下輔導(dǎo)和學(xué)習(xí)討論提高學(xué)生自主解決問題和可持續(xù)發(fā)展的能力，從而為今后學(xué)習(xí)深造奠定了一定基礎(chǔ)。

表2 教學(xué)設(shè)計案例下的部分學(xué)生成果

3 結(jié) 語

基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)改革是深化我國高校教育改革的必然趨勢。本文以光纖通信課程為主體，從具體的教學(xué)實踐出發(fā)，提出差異化培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的觀點。對于積極就業(yè)的學(xué)生，設(shè)計教學(xué)內(nèi)容時將理論與實踐相結(jié)合，將當(dāng)前的工程技術(shù)發(fā)展內(nèi)容引入課堂上并通過在課堂上展示一些光器件實物，激發(fā)起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時設(shè)計相應(yīng)的以培養(yǎng)動手能力為主的小課題或者實驗，可以充分發(fā)揮學(xué)生主觀能動性和創(chuàng)新性。對于繼續(xù)深造的學(xué)生，以興趣為導(dǎo)向，設(shè)計相應(yīng)的以科研為主的課題，以此培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維，同時可以吸引學(xué)生參加老師的科研項目，實現(xiàn)科研反哺教學(xué)，加強學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力科研素養(yǎng)。此外，進行光纖通信的信息化網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，便于學(xué)生充分運用課外的時間鞏固知識點。實踐表明，該教學(xué)方法可以很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，避免了傳統(tǒng)枯燥的授課模式，且在完成教學(xué)要求的條件下，還進一步促進了學(xué)生創(chuàng)新性思維的培養(yǎng)。