大學“光纖通信系統”課堂教學的學生創新能力培養研究

谷 平，諶 靜，李培麗

(南京郵電大學 電子與光學工程學院、微電子學院，江蘇 南京 210023)

0 引言

信息化時代的大發展深刻變革了人類的生產生活方式，隨著以“人工智能”為代表的智能化時代浪潮的襲來，一個國家對核心技術的掌控，所集聚的創新“勢能”將決定一個民族的未來命運和發展進程[1]。當今世界，我國所面臨的國際環境極其復雜，國家間的利益之爭也日趨激烈，為了應對復雜的國際環境，保證國家持續發展的“動能”，黨的十八大明確將科技創新置于國家發展全局的核心位置，提出“堅持走中國特色自主創新道路、實施創新驅動發展戰略”。實施創新驅動發展戰略的根本保證在于自主創新人才的培養，而高校作為為國家培養和輸送人才的主陣地，必須把培養青年學生的創新能力作為主要目標之一。目前眾多高校制定了多種方案和計劃來培養學生的自主創新能力，例如通過開設實踐課程來培養學生的實踐創新能力、鼓勵學生參加國際級和省級的創新創業大賽等均取得了很好的效果[2]，但是我們也注意到目前學生創新能力培養的力度和廣度還仍然不夠，大學課堂作為學生獲得知識和技能的主要渠道，同樣理應成為培養其創新能力的主陣地。本文以“光纖通信系統”這門課為例探討知識傳授和創新能力培養一體化的教學方法。

1 轉變教師的教學觀念

大學課堂是學生獲取知識、掌握技術和培養創新能力的主陣地，而教師卻是這塊主陣地的設計者和引導者。教師扮演的角色既是導演和編導，又是表演者，因此教師的教學理念、水平的高低、教學方式與方法等的采用直接影響到學生的學習興趣和能力培養。在眾多因素之中，教師的教學理念轉變又是最關鍵和首要的因素：首先，信息化和智能化時代的到來對人才培養提出了新的要求，尤其是其創新能力的培養，這就要求教師轉變固有的機械傳授書本知識的傳統做法，通過介紹最新的研究成果，做到教學與科研相結合，從而培養學生的興趣和啟發學生的創新意識；其次，現在的學生是伴隨著信息化時代成長起來，學生具有很強的獲取信息的能力，因此傳統的教師主講、學生主聽的教學理念和模式需要變革，這也要求教師變革教學理念，通過教學設計，使學生更多參與課堂教學，形成師生良好互動的教學氛圍，進而培養學生的學習主動性和發散思維能力；最后，教師教學理念的轉變也是自身發展的內在需求，我們需要清楚地認識到作為新時代大學課堂上的教師，自身確是傳統教育理念和模式培養出來的人才，深受傳統教育思維和理念的影響，因此為了培養新式的人才，教師本身需要學習、需要變革傳統的不適應時代發展要求的教育理念。特別指出的是在“新冠”疫情席卷全球的背景下，教師掌握“雨課堂、騰訊課堂/會議、QQ課堂”等線上教學方式/方法也是必須具備的新技能之一。

2 發揮課堂的主渠道作用

課堂教學是培養學生創新能力的主渠道和主陣地，具有平臺效應和載體作用。在未來課堂教學實踐中培養學生的創新能力應著重關注以下幾個方面：

2.1 樹立以“提高學習興趣”為核心的教學指導思想

孔子云：“知之者不如好之者，好之者不如樂之者”。遠古先師認為興趣是最好的老師，是學習動機中最具創造性和最有活力的部分，也是促進學習最根本的內在驅動因素[3]。因而，學習興趣的激發也是培養創造創新能力的內在重要因素。在“光纖通信系統”這門課中對學生興趣的激發主要體現在以下3個方面：第一，這門科非常重要和實用，信息化、智能化時代的深入發展必然以光纖為基礎的大容量、高速率通信為基礎，這就允許教師通過生動的例子來講授這門課，激發學生的學習興趣；第二，這門課安排了軟件模擬實驗環節，可以讓學生掌握初步的光纖通信系統的設計能力，做到書本所學知識與實踐能力相結合；第三，“光纖通信”代表了通信未來數十年的發展方向，學生通過學習可以掌握實用的知識，明確未來職業規劃，找到一份不錯的工作。

2.2 引導學生發現問題、鼓勵學生提出問題

在課堂教學中對學生創新思維和能力的培養實際上就是以“發現問題-提出問題-解決問題”為主線的科研思維的訓練。創新性思維往往具有獨創性、發散性和流暢性等特點[4]。因而在課堂上引導學生自主發現問題就是培養創新思維和能力的開始。例如光纖的損耗對于光波傳輸距離的限制，對于光纖通信系統的設計和系統成本控制非常重要。在討論光源的入纖功率(Pin)，出纖功率(Pout)，光波傳輸距離(L)和光纖損耗(α)的問題上通常有兩種方法：

方法一：利用光功率隨傳輸距離的指數衰減關系入手，如：

Pout(W)=Pin(W)exp[-α(l/km)×L(km)]

(1)

所以

(2)

方法二：通信中常用的方法如下：

Pout(dBm)=Pin(dBm)-α(dB/km)×L(km)

(3)

所以

L(km)=[Pout(dBm)-Pin(dBm)]/α(dB/km)

(4)

其中，方法(一)中功率的單位為瓦特(W)，功率的指數衰減關系對于同學們也非常熟悉。方法(二)中功率的單位為分貝每毫瓦(dBm)，這一單位對于非通信專業的學生則非常陌生，但是Pout,Pin,L和α幾個參量之間僅僅是簡單的加減乘除關系，則非常簡單。對于一根光纖，方法(一)和方法(二)的求解都非常方便，方法(一)僅僅在計算上進行指數(式1)和對數運算(式2)，稍顯復雜。

此時就要引導學生，一個光纖通信系統不僅僅包含光纖，還包括一些連接器等部件，這些部件也存在損耗，其單位通常為分貝(dB)，并且僅僅與部件的個數有關，與傳輸距離無關，通過引導學生就會發現方法(一)在求解整個光纖通信系統的功率損耗和傳輸距離時就顯得極其復雜，因而如何求解整個光纖通信系統的Pout,Pin,L和α之間的關系就是一個非常好的問題。對于學生發現了問題要及時給予表揚，激發學生分析分析和解決問題的興趣和動力。

2.3 教給學生正確分析問題的方法

引導學生發現問題并鼓勵他們提出問題之后，教給學生正確分析問題的能力和方法則是培養創造創新能力的關鍵。首先可以通過學生之間的討論讓學生明白為什么方法(一)在求解整個光纖通信系統的功率損耗和傳輸距離問題時會非常復雜，參量之間的轉換也非常多，其癥結在于功率項的單位瓦特(W)和損耗的單位為分貝(dB)之間不一致，導致參量之間的轉換非常復雜，此時公式(1)即方法(一)的意義也不再直觀，引導學生找到問題的癥結，培養學生正確分析問題的能力和方法對于找到解決這一問題的方法就非常關鍵。

2.4 培養學生解決問題的能力

引導學生主動發現/提出問題是培養創新思維和能力的開始，教給學生正確分析問題的方法，找到問題的癥結則是訓練創新思維和能力的關鍵，而培養學生解決問題的能力則是培養創新思維和能力的最終目標。正確分析了提出的問題之后，將功率項和損耗項的單位轉為一致就是解決問題的最佳辦法，將入纖功率(Pin)和出纖功率(Pout)轉化為以分貝為單位已有確定的公式，如何將衰減系數(α)也轉化為分貝的單位就是解決問題的關鍵，要求學生獨立推導。損耗系數α以dB/km和1/km的關系為：

α(dB/km)=4.343α(l/km)

(5)

由式(5)可以進一步推導出以dBm為單位的功率，衰減系數之間的關系，如方法(二)所示，方法(二)中的公式(3)和式(4)中的物理量僅僅為簡單的加減乘除關系，此時不僅計算非常方便、公式的意義也非常清晰。即便光纖通信系統中有更多的損耗項，只是需要在損耗項中減去即可，計算非常簡便，這種方法就非常適合計算光纖通信系統中的功率損耗及傳輸距離等重要問題。通過不同解體方法的轉變，就可以引導學生發現問題、提出問題，培養他們正確分析和解決問題的能力，也可以讓學生明白分貝(dB)這個單位在通信中具有非常重要的意義，掌握最重要的物理概念。相比較于機械的學習知識，學生在這部分參與較多，能夠真正牢固掌握這部分知識，以便靈活運用于光纖通信系統的設計中。

需要指出的是培養創新性人才并不僅僅是研究生教育的任務，在大學課堂，利用教師多年養成的科研素養并且有意識地利用一些知識點引導和培養學生“發現/提出問題—分析問題—解決問題”的能力，形成嚴密的科研邏輯思維，同樣能夠很好地激發學生的創新意識、訓練學生的創新思維和達到培養學生創新能力的目的，為學生的職業發展或者未來的研究生教育打下良好的基礎。

3 結語

總之，培養具有創新能力的高端人才是現代教育的核心目標，也是國家創新驅動發展戰略的迫切需求。但是其過程應該循序漸進，需要國家加大投入，建設實踐教育基地，為學生提供良好的實踐機會；需要教師和學生形成良好的互動，共同努力；需要廣大一線教師廣泛地、徹底地轉變教育理念，充分利用課堂教學來激發學生的學習興趣，利用課堂知識點有針對性培養學生“發現/提出問題-分析問題-解決問題”為主線的嚴密科研邏輯思維，最終培養具有創新性思維和能力的高素質人才，為國家的發展戰略服務，為社會主義現代化建設服務。