面向國防教育的光纖傳感課程的教學設計

劉學靜　武旭東

[摘 要] 光纖傳感課程是光學工程科學研究領域的入門課程。在線教育在疫情下凸顯了其無可替代的重要性，可以作為本課程的輔助教學組成部分。利用豐富的網絡資源和更多的受眾群體反饋來彌補傳統課堂教學理論教學的不足，可以有效激發學生的學生興趣，也能讓學生更好的掌握所學知識。針對面向國防領域的應用，從教學內容與教學方法兩方面進行了詳細的教學內容設計，使光纖傳感課程的學習更加合理。此外，針對國防教育的特點，課程設計中也加入了相關課程思政內容，讓學生們更直觀地理解所學內容，激發學生們的愛國熱情，能夠在投入社會以后更加踏實工作，報效祖國。

[關鍵詞] 光纖傳感;國防教育;教學設計

[作者簡介] 劉學靜（1988—），女，河北秦皇島人，博士，上海理工大學光電信息與計算機工程學院講師，主要從事光電子學、光纖器件及傳感等方向的教育研究。

[中圖分類號] G643.0? ?[文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）12-0153-04? ?[收稿日期] 2020-10-25

光纖傳感技術是量子科學研究的重要內容[1]，主要研究光纖傳感的原理與技術，屬于光學工程的內容。光纖傳感技術是利用外界因素改變光在光纖中傳播的波長、光強、偏振或者相位從而實現對外界因素的測量與傳感。光纖傳感器具有體積小、重量輕、電絕緣性好等特點，能夠有效彌補傳統傳感器的不足，尤其是在一些危險和不適宜人工操作的環境中具有不可替代的優勢。因此，光纖傳感技術早在20世紀70年代就得到了迅速發展。我國在看到了光纖傳感在國際領域的迅速發展，后奮起直追，受到了相當的重視。國家在“六五”期間，首次將“光纖電流傳感器原理樣機”列入攻關目標。隨后，在“七五”計劃中，又加入了12個光纖傳感器的子課題，其中就包括在國防應用中舉足輕重的光纖陀螺儀。目前，我國光纖傳感技術仍然在飛速發展中，然而仍有許多技術尚未突破，需通過光纖傳感課程的教學，讓更多的高校學生認識這一前沿領域，培養學生興趣，使他們在工作中更好地投身于光纖傳感的研究，為中國光纖傳感事業做出貢獻。

由于光纖傳感器具有測量精度高、體積小、裝配靈活等特點，國內外在國防應用中的研究具有重要地位，例如用于慣性導航的光纖陀螺儀，用于精確導航定位的光纖水聽器，用于監測環境的光纖分布式傳感器等。光纖傳感課程應緊密結合國防應用背景，使學生明確課堂知識的意義所在。

新冠肺炎疫情的暴發使得在線教學方式迅速引起關注，隨著網絡技術的不斷發展，光纖傳感課程的在線教育方式也逐漸豐富和多元化[2]。光纖傳感器的實驗通常比較昂貴，在傳統課堂上，學生們也只能多人共用一套實驗系統，這使得學習效率低，實驗效果并不理想。采用在線教學的方式，可以整合線上各地的教師和實驗資源，讓學生們能夠通過在線視頻的方式，與更多科研一線的專家和學者們溝通，能夠有更多的機會參與動手操作，甚至可以遠程進行實驗操作。

面向國防應用的光纖課程在線教學設計，將前沿專業課程與國防結合，加強學生的思想建設，幫助學生們樹立正確的世界觀、價值觀和人生觀，將課堂講授與在線互動學習相結合，最大限度的實現理論與實踐的融合。

一、教學內容

（一）發展現狀與國防需求

光纖傳感器主要是利用外界因素對光纖中導光的波長、相位和光強等特征參數進行調制從而實現信息的測量與提取[3]。國防應用中，光纖傳感器在定位導航、長時高性能導航、水下探潛等多個領域具有重要意義。

1.慣性導航領域中的重要意義。陀螺儀是慣性測量系統的核心與關鍵器件，在國防系統中的海、陸、空、天等領域中都具有不可替代的重要作用[4]。其中，光纖陀螺是用于測量陀螺所承載載體相對于慣性空間得相對旋轉運動的器件。與傳統的機械式陀螺相比，光纖陀螺具有全固態、無轉動和磨損部件且結構相對簡單的優勢，特別適用于衛星、艦船等需要長期連續通電工作的領域，如在衛星慣性測量應用領域中，光纖陀螺可以保持10萬小時以上平均無故障的連續通電工作時間。此外，光纖陀螺結構設計靈活，精度可以覆蓋各種應用需求，應用領域十分廣泛。更重要的是，光纖陀螺通啟動時間可縮短到1秒以內，特別適用戰術導彈等武器系統對快速發射、快速響應的特別需求。

2.水下探潛領域中的重要意義。海洋偵察監視系統和水下偵察系統是國防系統的重要組成部分[5]。水下環境能見度極低，環境變化迅速且難以預計，水體嚴重干擾無線電信號的傳輸，因此現代戰爭中越來越重視潛艇、無人潛航器等裝備的應用。光纖水聽器相比于傳統的光學、無線電等偵察手段具有獨特優勢，逐漸成為核心的探潛器件，發揮著重要作用。光纖水聽器是一種建立在光纖、光電子技術基礎上的水下聲信號傳感器，它通過高靈敏度的光纖相干檢測，將水聲信號轉換成光信號，并通過光纖傳至信號處理系統提取聲信號信息。光纖水聽器具有靈敏度高、頻響特性好等特點。由于采用光纖作信息載體，適宜遠距離大范圍監測，特別是聲吶系統中具有獨特優勢。它僅僅利用一根光纖即可傳輸大量單元的信息，并且傳感單元結構靈活，具有大規模接收陣列顯示的能力。

3.水下激光偵查領域中的重要意義。水下激光偵查是基于海水對不同波段的光波衰減能力的不同實現的[6]。470μm～580μm波段內的藍綠激光在海水中傳輸的損耗比其他波段小得多，這是一個理想的透光窗口。美國、蘇聯、澳大利亞等國均投入了大量的人力和物力，在水下激光測距、成像等領域進了廣泛的研究，并在一些重點方向上取得了突破進展。我國作為陸海兼備的大國，近海水下地貌極其復雜，加之我軍的水下偵察技術和發達國家相比仍存在很大的差距，敵方高技術水下武器裝備很容易突破我方的水下防線，給我方艦船和島礁特別是南海島礁造成了極大的安全威脅，同時近年來美海軍水下探測系統的不斷完善和發展對我海軍潛艇的作戰行動造成了很大威脅。因此我們要增大對海洋偵察技術領域的投入，增大水下激光偵查的研究投入，緊跟世界海洋先進偵察技術的發展，堅持軍民融合的發展道路，必要時引進國外先進的海洋探測技術。同時我們也要重視反潛戰術、戰法的研究，為我海軍走向大洋打下堅實的基礎。

（二）光纖傳感器類別

從原理上講，光纖陀螺分為干涉型光纖陀螺、諧振式光纖陀螺、布里淵光纖陀螺、鎖模光纖陀螺及法布里—珀羅光纖陀螺等[7];從檢測手段的不同分為開環光纖陀螺和閉環光纖陀螺兩類;從解調方式分為相位差偏置式光纖陀螺、光外差式光纖陀螺及延時調制式光纖陀螺。

干涉型光纖陀螺在結構上就是光纖Sagnac干涉儀。當陀螺載體發生角速度Ω的旋轉變化時，光纖陀螺中傳輸的兩束光會產生相位差，且與角速度成正比，再通過相位解調技術，把光相位的直接測量轉化為光強度測量，這樣就能較方便地測量出Sagnac相位變化。目前，干涉型光纖陀螺已廣泛應用于航空、航天、航海等領域。

諧振式光纖陀螺是利用光學諧振腔的共振頻率與角速率的變化關系實現測量的。在光纖諧振腔中存在傳播方向相反的兩束謝振光。諧振器靜止時，這兩束光的諧振頻率相等;但若諧振器以角速度旋轉時，其諧振頻率不再相等，通過測量兩諧振光束的諧振頻率差即可確定旋轉角速度。由于對光源的要求苛刻，所以目前諧振式光纖陀螺仍處于實驗室研究階段;但與干涉式光纖陀螺相比，其具有光源穩定度高、所用光纖短、受環境影響小、成本低的優勢，因此各國均投入大量人力對其進行研究，在慣性導航與制導等領域具有重要的應用價值。

光纖水聽器分為強度型、干涉型和光柵型三大類[8]。其中，研究最為成熟的是強度型光纖水聽器，其次是干涉型光纖水聽器，具有精度高、動態響應好等優點。光柵型光纖水聽器直到2000年才被踢出，目前仍處于研究階段，由于其高精度、寬動態范圍、體積小、易實現波分復用、便于拖拽作業等優點，受到國內外越來越多的關注，逐步成為當前研究的熱點。

水下激光探測分為直接探測和光外差探測兩種形式[9]。直接探測法是利用激光回波光場的強度變化，并由光電轉換系統最終形成相應的電壓活電流信號，從而實現探測的。光外差探測利用的是回波信號與本地光波的混頻信號，利用了激光回波光場的頻率和相位變化兩個物理量實現信號的測量。這種模式的優勢是在惡劣環境下信噪比較大，但對激光器要求較高;因此直接探測是一種更簡單、實用的探測模方式，在水下激光探測中被廣泛采用。

二、教學方法

本課程所使用的教學方法為在線教學與面對面教學結合，理論講授與動手實驗相結合的教學方法。

傳統面對面教學具有實時與學生互動、教學效果反饋及時的特點，然而面對面教學存在教學方式單一、信息量不足、學生互動不積極等問題?；ヂ摼W具有豐富的教學資源，可以有效避免傳統的教學方式信息量不足的缺點。授課教師不再單一的采用板書的形式進行授課，可以獲得更多的信息資源，豐富授課知識。然而，在線教學仍然存在授課效果受限于網絡硬件等設備的缺陷，無法直接觀察學生們的理解程度等問題。為了解決這一問題，采用階段式在線布置預習大綱與討論總結之前所學知識，課堂上以面對面授課的方式將兩種形式的優勢相互補充，充分發揮二者的優點，彌補各自的不足，使學生們能夠更全面和快速的掌握課程內容。

理論與實驗相結合。在目前的本科課程的教學中，我們發現大多數的課程一般均采用理論教學的授課方式，存在學生無法形象地理解知識原理，更由于不知道所學知識的應用價值而無法激發學習興趣的問題。光纖傳感作為一門具有強烈的工程應用價值的專業課，非常適合采用理論傳授與動手實驗相結合的教學方法。光纖傳感器件種類繁多，光纖陀螺和光纖水聽器在一些實驗條件較好的學?？梢詾閷W生們提供實驗條件，而即使不存在這個條件，也可以進行很多光纖傳感相關的課程實驗，如光纖熔接、光纖干涉技術等。通過這些實驗與理論相結合的教學方式，能夠讓學生更加深刻的理解所學知識，對光纖傳感這個行業有一定的了解，在自己的個人規劃上起到一定的啟發作用。

制定科學的課程學習大綱。由于疫情等原因，老師無法實時與學生們面對面的交流時，如何保證學生們的學習質量十分關鍵。因此，本課程通過制定以學生為中心的課程學習大綱，來幫助學生們了解并掌握自己的學習進度和學習效果。課程大綱包括課程的基本結構、知識脈絡，并明確規定重要知識點。將課程大綱在課前發放給學生，學生們可以合理的安排自己的學習時間和學習進度，檢測自己的學習效果，高效的完成學習任務。

三、基于光纖傳感課程的具體實施方法

首先，光纖傳感課程是針對光學工程專業本科生的專業課，在學習這門課程之前應具備一定的基礎專業課，包括大學物理學、光學、儀器儀表課程。針對光學工程學生的需求與興趣點，有側重地準備課程內容。整合相關的網絡資源，構建在線教學內容框架，針對國防應用背景調研每一個知識點相關的應用實例和關鍵人物事跡，以充實課程思政內容。

其次，將整個光纖傳感課程根據不同傳感原理進行分類，針對每一個分類確定各自的學習目標、脈絡、教學方法、在線資源及授課方式、板書設計等。

再次，豐富光纖傳感課程每一部分的課程內容，確定每一個知識點的理論推導，大量調研相關的國防應用實例，穿插在每一個理論知識推導之后，豐富思政教學內容建設，同時深化學生們對知識點的理解。在關鍵知識點設置對應的實驗視頻，協調實驗操作場地和人員等。然后，檢查每個教學實施點的設備穩定性，尤其是針對在線教學所需的教學平臺，網絡流暢，互動工具的穩定性。對光纖傳感課程教學實施過程中的關鍵環節進行實時監測，在教學過程中記錄學生們的反饋和所遇到的問題，為課程的改進做準備。

最后，進行學生們的反饋調查，分別對在線教學和面對面教學的內容進行評估，總結各自的不足與改進的措施，優化課程設計。

四、結論

本文對光纖傳感器這門具有鮮明國防特色的專業課程進行詳細的教學設計，使學生們能夠更加形象和生動地了解光纖傳感這門課程的專業知識，培養學生們對光纖傳感這門課程的學習興趣，激發他們的學習熱情。在教學內容方面，從光纖傳感技術的起源與發展，光纖傳感器件的基本分類和光纖傳感技術的基礎理論知識和關鍵技術等內容進行了教學設計。利用在線教學與面對面教學相結合的教學方法，全面構建了教學大綱與教學內容。利用光纖傳感器件在國防領域的典型應用，強化國防教育的課程思政內容，培養學生們的愛國意識，通過對比國內外光纖傳感技術的發展差距，激發學生們的學習動力，為中華民族的崛起和復興而努力學習與工作。

參考文獻

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[2]袁耀鋒，林凌，王建，等.疫情防控期間線上教學的初步探索[J].大學化學，2020，35（5）：275-278.

[3]王惠文.光纖傳感技術與應用[M].北京：國防工業出版社，2001.

[4]王巍.干涉型光纖陀螺儀技術[M].北京：中國宇航出版社，2010.

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[8]張仁和，倪明.光纖水聽器的原理與應用[J].物理，2004，33（7）：503-507.

[9]付偉.國外激光水下偵察設備發展綜述[J].艦船電子對抗，2001（6）：21-23.

Abstract： Optical Fiber Sensing course is an introductory course in the field of optical engineering scientific research. The online education method has highlighted its irreplaceable importance under the outbreak of the pandemic situation， and can be used as an auxiliary teaching component of this course. The use of rich network resources and more audience feedback to make up for the deficiencies of traditional classroom theoretical teaching can effectively stimulate students interest and enable students to better master the knowledge. Aiming at the application in the field of national defense， this paper designs the teaching content in detail from the aspects of teaching content and teaching method， so as to make the learning of Optical Fiber Sensing course more reasonable. In addition， according to the characteristics of national defense education， the ideological and political contents of relevant courses are also added into the course design， so that students can more intuitively understand the importance of what they learn for the prosperity and development of the motherland， build up their patriotic enthusiasm， and be able to work more earnestly to serve the motherland.

Key words： Optical Fiber Sensing; national defense education; teaching design