《通信原理》一流課堂理實一體化教學探索

李星沛，譚 祥

（重慶移通學院，重慶 401520）

通信原理是通信工程專業必修的專業基礎課，該課程具有理實一體化的特點。開展通信原理一流課堂的理實一體化教學改革方法概括為：“學、做、訓三融合”，在實際教學中實現了跟著微課同步實訓，重難點對應，要領突出的操作要點。通過理實一體化教學詮釋一個知識點的重難點，例如具體用到：案例剖析、任務驅動、分步導演、精煉六步、思路導圖、技巧總結這六種方式。

1 理實一體化教學微課的開發思路

微課教學結構合理比例為：課程導入、訓前準備占15%；示范操作占75%；課程總結占10%。微課知識點的教學設計與分解過程的流程是第一步提出問題，明確實訓目標，第二步通過案例分析提出該實訓項目的難點，第三步教師分布示范講解，重點剖析操作技巧，最后成果仿真展示歸納總結本次實訓的步驟及要求。“優化分解制作步驟、流程再造分步解析”法解決實訓難點。教師演示環節傳統教學采用的是教師課堂實景示范，學生圍繞在老師周圍看或者通過錄播系統觀看，班級學生人數多了，部分同學占不到有利位置看不到或者不能全方位多角度看到老師的全部操作細節，學生在實踐過程中找不到訣竅，實訓結果失敗率高，這是專業實訓教學中常見的問題。利用微課視頻教學之后，就解決了這些問題，提高了教學質量和效率。

微課視頻多視角拍攝全方位展示+文字要點提示，在后續的實訓中學生可以反復觀看，提高了學習主動性和積極性。實訓室工作室“雙室聯動”的雙創模式獲得學以致用有快樂的成就感。

2 基于微課的教學案例

教師在每次通信原理實驗課之前，為了讓學生先了解實驗內容，教師把該實驗的原理簡單講解的內容上傳到微信平臺上，學生看了實驗原理講解之后，根據原理在Opti-System軟件元件庫中去尋找完成本次實驗所需要元器件，了解這些器件的功能。教師同時制作本次實驗操作的視頻，把視頻嵌入到PPT中，在實驗課時，通過PPT播放展示該視頻，學生有了一次直觀印象。接著，在教師實操環節，再把實驗重做一遍，學生再一次加深直觀印象，并掌握了操作步驟和技巧。隨后，讓學生親自動手搭建該實驗的器件實現框圖，并向教師展示實驗仿真結果，教師根據結果現場評分。實驗結束之后，教師把本次實驗課的相關內容制作成短視頻，上傳到微信平臺上，供學生復習鞏固。學生花費較短的時間，隨時通過手機微信預習和復習該實驗課程，教師也可以對學生提出的問題及時進行解答，這樣一個流程下來，學生就能夠完成本次課的理實一體化的知識目標。通過微信平臺微視頻這種新模式，可以更好地調動學生學習的積極性，同時也增加了老師和學生之間的交流[1]。

下面以光通信色散補償（Dispersion Compensation）設計為案例來進行闡述，首先讓學生了解色散的基本原理，然后通過OptiSystem軟件平臺來完成色散的補償的原理圖設計，并進行仿真實驗來驗證結論。

2.1 光通信系統色散的簡介

光纖色散的主要原因就是時延失真，而時延失真形成是因為在發端不同模式的發送調制信號光譜速度不同造成的，所以這些光信號到達收端就會形成時延，而且隨著傳輸距離的增加，會造成信號幅度的不斷衰減，其波形隨著傳輸距離的增加也會有更大的失真，這樣的失真造成傳輸信號的脈沖展寬，就會對光纖的最高傳輸速度形成制約，通常，光纖色散包括以下四種：

模間色散：這種色散發生在多模光纖中，作為激勵信號的各個導模之間其速度差異非常明顯，它們到達收端的時間因為速度差異而不同，造成了模間色散。

波導色散：由于光纖結構的波導效應導致某個在不同波長導模的傳輸速率不同引起的結構色散。

材料色散：由于光纖材料的折射率差異會造成光頻率呈非線性變化，于是不同的波長會造成不同的傳輸速率。

偏振模色散：單模光纖兩個相互正交的模式存在少量的不對稱性，這兩個正交偏振模會形成完全不同的群時延，就會導致所謂的偏振模色散。

在這四項色散中，光源的光譜寬度和信號的調制帶寬又會影響波導色散和材料色散的色散程度和大小，所以這兩種色散又稱為波長色散。波導色散和材料色散主要存在與單模光纖中，單模光纖不存在模間色散的，它們的相對大小又與工作波長有關。而模間色散和材料色散存在與多模光纖中，其波導色散可忽略不計。

2.2 使用理想色散補償元件的色散補償分析

在本設計案例中，通過色散補償能夠改善整個系統的性能。由于色散效應會導致脈沖的寬度展寬，這樣會造成相鄰鄰信號間的相互重疊干擾。我們知道脈沖寬度的展寬是距離和色散系數的函數，又是波長的函數，假設為D，它的單位是ps/nm/km。一般標準單模光纖波長為1550nm，通常D的大小為17ps/nm/km。

2.3 色散補償模型設計布局圖

利用OptiSystem光通信系統軟件設計光色散補償模型進行仿真，如圖1所示。該模型圖設計初始的脈沖波形經過10km非線性色散光纖，然后經過FBG色散補償器改善系統中的色散補償性能，最后對生成的脈沖波形進行檢測和分析。

圖1 理想色散補償元件的色散補償圖

2.4 實驗結果

FBG色散補償器設置參數如圖2所示，待各元件的參數設置好以后，就可以仿真了，然后可得到一系列實驗結果。本次實驗傳輸速率為40Gb/s碼率，由Optical高斯脈沖形成器產生的信號的脈沖寬度大約為 35ps，如圖 3（P152）所示。這里使用了一個FBG色散補償元件來對脈沖波形進行復原，其中色散補償值，這里設置為-160ps/nm。經過仿真以后，補償后所形成的脈沖波形可以在光時域觀察儀中看到其形狀，如圖4所示，可以看到經過補償后的脈沖寬度恢復了初始狀態。可見，仿真輸出的結果和計算預期的結果相當一致，這也驗證了色散補償元件的性能能夠對光通信系統產生補償作用。

圖2 FBG色散補償器的屬性設定

圖3 入纖前光脈沖的波形圖

圖4 經過色散補償器的光脈沖波形

3 結束語

本文主要通過一個通信原理的教學實例來說明，通過微信平臺，微課在基于OptiSystem的通信原理理實一體化教學中的作用。學生進行課前預習，課后復習鞏固借助于微信平臺觀看微課視頻，可以更好地幫助學生理解和掌握實驗原理，這樣不僅節約了實驗的教學時間，而且有利于學生更好獨立地完成實驗[2]。因此，通過微信平臺，學生掌握OptiSystem仿真軟件的使用，還將整個通信原理的教學過程制作成微課視頻，上傳到手機微信上，這樣可以極大地調動了學生的積極性和主動性，比傳統的實驗效果提升了不少。與此同時，教師也能夠隨時和學生進行線上的教學互動，即達到了學生知識技能的培養，又提高了教師的教學能力和教學水平。