光纖通信原理課堂教學改革探索

棗莊學院光電工程學院 王學勤 鄭艷彬

為了改善光纖通信原理課程的教學效果，針對課程涉及的學科領域多、知識點分散、理論性強等特點。從宏觀角度在教學中始終沿著“提高光纖通信系統傳輸容量”這一目標作為主線，并將課程內容按學習角度的不同劃分為四個模塊，幫助學生構建課程知識體系。為了幫助學生理解具體知識點，通過知識點與生活實例相關性的挖掘，“以其知之，喻其不知”。引入OptiSystem軟件開展輔助教學，在仿真實驗中提出問題，講解知識，分析原因，鞏固教學效果。以上教學改革方法在教學實踐中開展了應用，取得了較好的效果。

光纖通信原理是一門講授光纖通信系統組成、各部分工作原理、以及數字傳輸體制、光波分復用技術和數字光纖通信系統性能評價方法的課程。該課程是棗莊學院通信工程專業、光電信息科學與工程專業的重要專業課程，是這兩個專業學生構建完整的專業知識體系的重要組成部分。該課程涉及到通信原理、大學物理、模擬電子技術、數字電子技術、光纖光學、半導體物理等多個學科的理論知識，理論性強、知識點多且分散。學生容易在紛繁復雜的理論和眾多的知識點面前產生畏難情緒，抓不住知識脈絡的主線，難以達到較好的學習效果。為了解決這些問題，課程授課教師提出了“一個目標、四個模塊”的理念，幫助學生梳理課程體系，使學生從宏觀角度對課程實現一個全面的把握。采用“以其知之，喻其不知”的方法，幫助學生理解各個知識點。采用OptiSystem軟件開展輔助教學，通過仿真演示，提出問題、分析問題、解決問題的方法，在解決問題的過程中學習知識和思路，并對對所學知識進行驗證鞏固。

1 課程宏觀設計理念

1.1 “一個目標”作為課程主線

為了幫助學生從宏觀上掌握知識體系。提出了光纖通信原理課程學習的一個目標—“提高光纖通信系統的傳輸容量”，即提高信息的傳輸距離和傳輸速率。整個課程各個章節的學習都是圍繞著這一目標開展的。“光纖與光纜”這一章的教學中，講授光纖的損耗、色散、非線性等傳輸特性，是為了降低光纖的損耗、色散、非線性對光纖通信系統的傳輸距離和傳輸速率的影響。“光源”這一章中，為什么要從最初的半導體發光二極管發展到半導體激光器，半導體激光器從多縱模FP腔激光器發展到分布反饋布拉格光柵激光器，再到量子阱激光器都是為了降低光源的譜寬，從而降低色散對光纖通信系統容量的影響。同時，從半導體發光二極管到量子阱激光器，也提高了發光效率，增加了光源功率，進而提高了光纖通信系統的傳輸距離。“光檢測器”這一章中，提高光檢測器的響應度是為了增加傳輸距離，提高光檢測器的響應速度是為了提高信號的傳輸速率。“光放大器”的引入也是為了增加光纖通信系統的傳輸距離。“數字傳輸體制”這一章中的時分復用技術通過在一個波長信道上降低每個比特占用時間片的長度，提高光纖通信系統的傳輸速率。波分復用技術通過在一根光纖中建立多個波長信道提高系統的傳輸容量。將“提高光纖通信系統的傳輸容量”這一個目標在第一節講授光纖通信發展歷程時提出，在以后各章的講授中始終緊扣這一目標，使學生能夠更好地把握課程的主線，幫助學生把各章學習的知識點落實在這一條主線上，提高學生從宏觀角度貫穿把握課程內容的能力。

1.2 “四個模塊”劃分明確各部分的主要任務

為了幫助學生明確教材各章節的主要學習任務和學習目標。將各章節劃分為四個模塊，如表1所示，并將四個模塊的學習角度進行類比，使學生更容易理解。把光纖通信系統比喻成一個人，第一個模塊“光纖通信導論”好比從一個小朋友的角度看一個人，在小朋友眼中，一個人有一個腦袋一張嘴，兩條胳膊兩條腿。那么，通過本模塊的學習我們需要掌握光纖通信系統的組成及各部分的基本功能，對光纖通信系統有一個概括的認識。第二個模塊“光纖通信系統各組成部分的原理和特性”，相當于從醫生角度看一個人，需要了解人體各個器官的工作原理。那么在這個模塊我們需要學習光發送機、光纖線路、光接收機、光無源器件、光放大器等各部分的工作原理，從更深次的角度熟練掌握光纖通信系統各部分的功能是如何實現的。第三個模塊相當于從教師的角度看一個人。從教師角度，我們看一個首先想到的是如何提升這個人的綜合素質，把這個人培養稱為一位德才兼備的人才。那么在該模塊，我們在已經掌握光纖通信系統基本組成和各部分的工作原理的基礎上，通過時分復用技術和波分復用技術進一步提升光纖通信系統的傳輸容量，提高光纖通信系統的工作能力。通過相干光通信技術進一步提高光纖通信系統靈敏度，通過光孤子技術進一步增加信號的傳輸距離。在這一部分學習的是如何提升光纖通信系統性能的技術方法。把第四個模塊比喻成從用人單位的角度看一個人。用人單位看一個人需要德、能、勤、績多個角度進行評估，是否能夠勝任工作崗位。那么一個光纖通信系統，我們需要從哪些方面對其進行評估呢，如誤碼性能、可用性等，通過這些方面的評估，判斷一個光纖通信系統能夠勝任系統要求的工作目標。通過四個模塊的劃分和學習角度的類比，使學生明確各章節學習的主要任務。在完成各章節的學習后，也能夠從學習者的角度自我檢驗是否達到了學習目標。

表1 課程模塊劃分及學習角度類比

2 課程微觀實施理念

2.1 “以其知之，喻其不知”的運用

因光纖通信原理這門課程包含了多學科知識的綜合運用，理論性較強，直接的理論推導學生理解有困難。特別是數學基礎稍差的同學，容易產生畏難情緒。因此，充分挖掘知識點中與已有知識或者是生活中知識的關聯和相似性，幫助學生理解知識點。例如，在半導體發光的物理基礎部分，學習自發輻射、受激輻射、受激吸收等電子的能級間躍遷過程后，指出受激輻射過程和受激吸收過程都是在光子的激勵下產生的，那么如果有一個光子入射到半導體材料中，請同學們考慮是發生受激輻射的概率大，還是產生受激吸收的概率大？部分學生會無法得出正確答案。此處舉例進行類比，工科專業普遍男生多，女生少。老師如果隨意往教室扔一個籃球，那么籃球扔到男生身上的概率大還是扔到女生身上的概率大？所有人都會知道扔到男生身上的概率大，因為男生多。那么，提示同學們，電子優先占據能量較低的軌道，所以熱平衡狀態下低能級的電子數多，高能級的電子數少。同學們就能夠很容易理解，在熱平衡狀態下，入射光子與低能級電子相互作用，產生受激吸收的概率大。因此，要想在熱平衡狀態下，通過受激輻射效應制作光源，必須通過一些手段實現粒子數反轉分布后，才能使受激輻射效應占優，才可能制作出激光光源。通過現實生活中例子的對比，學生很容易就理解了粒子數反轉分布是產生激光的一個必要條件。

2.2 OptiSystem軟件輔助教學

OptiSystem軟件可實現物理層的器件級到系統級的光通訊系統設計。將該軟件引入課堂教學中，一方面加強對所學知識的理解；另一方面，通過仿真實驗結果的展示，提出問題，使學生在問題導向下開展有目的的學習，有利于提升學習效果。例如，在講解光纖的損耗特性和色散特性之前，首先回顧導論部分介紹的光纖通信系統基本構成。采用OptiSystem軟件建立一個基本光纖通信系統的仿真模型，如圖1所示。通過模型的建立回顧光纖通信系統的基本組成，鞏固知識點。通過光發送機輸出端和光纖線路輸出端的兩臺光功率計測試比較光信號進入光纖線路前和經過光纖線路后的光功率，向同學們展示經過光纖線路傳輸后光功率的變化，引出光纖傳輸中存在的信號衰減問題。然后請同學們思考光纖線路中產生信號衰減的原因。因同學們具有大學物理的學習基礎，能夠想到吸收引起的損耗和散射引起的損耗。在此基礎上，進一步梳理介紹損耗產生的原因。通過光發送機輸出端和光纖線路輸出端的光示波器測量經光纖線路傳輸前后光時域波形的變化情況，請同學們觀察信號的變化并思考產生原因。以分析光時域信號的變化為目標，帶領學生學習光纖色散的概念、產生原因及對光信號及光纖通信系統的影響。OptiSystem的應用有效的強化了學生對知識點的認識，有利于促進學生對知識點的理解，并了解各知識點在光纖通信知識體系中的作用。采用誤碼率分析儀測試光纖通信系統眼圖、Q因子和誤碼率。改變光纖通信系統參數，如光纖的長度，可進一步幫助學生理解光纖的損耗和色散對光纖通信系統性能的理解。

圖1 基本的光纖通信系統

3 教學效果

通過在教學中抓住“一條主線”，劃分“四個模塊”，提高了學生對課程的宏觀把握能力，增強了各部分教學內容間的內在聯系。通過“以其知之，喻其不知”方法的運用，使學生更好的理解基本概念，也增加了課堂的趣味性。通過OptiSystem軟件的應用，可以幫助教師提出要解決的問題，在問題導向下開展教學，加深學習印象，鞏固所學知識。2020-2021學年在18級通信工程專業嘗試上述教學改革措施，取得了一定的效果。18級通信工程專業對光纖通信原理課程的教學評教分數為93.06，相比于17級通信工程91.61的評教分數有了一定的提高。且學生評論中，有學生認為內容充實、簡單明了，使學生能夠輕輕松松掌握知識，如圖2所示。說明了教學改革取得了較好的效果。

圖2 學生對教學的評語

通過宏觀上抓住“一條主線”，將各章節教學內容分成四個模塊，幫助學生從宏觀上把我課程內容。通過“以其知之，喻其不知”的運用，幫助學生理解知識點。運用Opti-System軟件，在仿真演示中提出問題，在問題導向下開展學習，有利于加深學生對知識點的理解，鞏固所學知識。上述方法在課堂教學中進行了運用，獲得了學生的好評，學生評教分數也獲得了提高。證明了課程改革措施的有效性。