光纖通信課程教學(xué)研究

[摘要]光纖通信課程是一門系統(tǒng)介紹光纖通信理論和技術(shù)的課程，在通信工程等專業(yè)的學(xué)習(xí)中占有重要地位。文章結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，針對存在的問題，詳細(xì)分析了出現(xiàn)問題的原因并提出了具體的解決方法和措施，經(jīng)過幾年的教學(xué)實(shí)踐，取得了很好的效果。

[關(guān)鍵詞]光纖通信，教學(xué)，實(shí)踐環(huán)節(jié)，Multisim。

[中圖分類號]TN929.11[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A[文章編號]1005-4634(2008)03-0240-03

0引言

光纖通信是20世紀(jì)70年代問世的新技術(shù)，它以光波作為信息載體，采用光導(dǎo)纖維作為傳輸介質(zhì)，具有巨大的可用帶寬和極低的損耗。近年來，光纖通信技術(shù)得到了飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，目前光纖不但已經(jīng)取代電纜成為有線信道最主要的傳輸方式而且仍在以驚人的速度向更高階段發(fā)展，高水平的光纖通信技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如波分復(fù)用技術(shù)（WDM）、相干光通信（COFC）技術(shù)、光纖放大器和光孤子通信等。可以說，以光纖通信為主的光通信技術(shù)已經(jīng)深刻地改變了人們的生活，成為未來通信技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。

1該課程的內(nèi)容和任務(wù)

光纖通信課程是一門系統(tǒng)介紹光纖通信理論和技術(shù)的課程，內(nèi)容包括光纖傳光基本原理、光纖波導(dǎo)中的模式場分布、光發(fā)射器、光檢測器以及光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成。通過這門課程的學(xué)習(xí)，可以使學(xué)生掌握光纖通信技術(shù)的基本原理、光纖通信系統(tǒng)的基本構(gòu)成以及系統(tǒng)設(shè)計方法，了解光纖通信技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用和最新發(fā)展方向，為從事本專業(yè)研究與應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。光纖通信課程的授課對象為本科通信工程、光電子等專業(yè)，授課學(xué)時為60學(xué)時，另有10學(xué)時實(shí)驗(yàn)和兩周的課程設(shè)計。

光纖通信課程設(shè)計是給學(xué)生提供一個理論聯(lián)系實(shí)際的機(jī)會，引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)的專業(yè)知識來解決實(shí)際問題，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步加深對課堂知識的理解與印證。另外，課程設(shè)計給學(xué)生提供了一個了解本專業(yè)知識實(shí)際應(yīng)用和發(fā)展方向的機(jī)會，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2目前存在的問題

從這幾年光纖通信課程的教學(xué)實(shí)踐來看，學(xué)生普遍反映這門課比較難學(xué)，一些概念知其然不知其所以然。筆者分析，原因有如下幾個方面：

1）學(xué)生的基礎(chǔ)理論知識不夠扎實(shí)。例如研究光纖中的模式場分布通常是在圓柱坐標(biāo)系下用分離變量法解給定邊界條件下的亥姆霍茲方程來完成，這個過程中用到二階常微分方程和貝塞爾方程的求解知識以及不同介質(zhì)中電磁波的傳播理論，要求學(xué)生有較好的數(shù)學(xué)功底和電磁波方面的知識，如果基礎(chǔ)知識不夠扎實(shí)這部分的學(xué)習(xí)就會出現(xiàn)困難；

2）部分學(xué)生空間想象能力缺乏。這門課程的理論比較抽象，學(xué)生難以理解不同模式的光波到底是如何在光纖中分布和傳輸?shù)摹＿@是因?yàn)楣饫w中電磁場分布是一個三維空間結(jié)構(gòu)，必須要有很好的空間想象能力才能將推導(dǎo)出來的數(shù)學(xué)結(jié)論和空間場分布對應(yīng)起來；

3）學(xué)生的實(shí)踐能力比較弱。學(xué)生的實(shí)際動手操作能力較差，不能將所學(xué)理論知識和實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來。雖然學(xué)到了一些理論知識，但是不知道這些知識用在何處、如何運(yùn)用。筆者分析出現(xiàn)這種問題的主要原因存在于實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中：實(shí)踐環(huán)節(jié)的總量不夠；實(shí)踐環(huán)節(jié)的內(nèi)容和實(shí)際技術(shù)應(yīng)用脫節(jié)。

3解決辦法

針對教學(xué)中出現(xiàn)的上述問題，結(jié)合幾年來的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，筆者組織任課教師進(jìn)行了認(rèn)真討論，分析了出現(xiàn)問題的原因，并采取了以下措施。

3.1課堂理論教學(xué)

首先，針對學(xué)生反映比較難懂的理論、有計劃地復(fù)習(xí)和補(bǔ)充一些前導(dǎo)知識。例如場論、高等數(shù)學(xué)、電磁場理論、導(dǎo)波光學(xué)等知識都是在光纖通信課程中要用到的重要理論，筆者采用學(xué)生課前預(yù)習(xí)和教師課堂復(fù)習(xí)的形式來回顧這些知識，這樣應(yīng)用起來學(xué)生就能更容易理解和接受。對于難以理解的概念采用多種不同的分析方法，由淺入深，逐步闡述，先簡單介紹理論的大致脈絡(luò)，然后再用嚴(yán)格的理論推導(dǎo)證明其內(nèi)容。例如，光纖中的模式場分布是光纖通信理論中的一個重要內(nèi)容，通常采用的方法就是用分離變量法解給定邊界條件下的亥姆霍茲方程，這樣的確可以得到光場分布的精確數(shù)學(xué)表達(dá)式，但是其過程繁瑣復(fù)雜，而且學(xué)生難以將推導(dǎo)出的理論結(jié)論和實(shí)際物理意義對應(yīng)起來。所以在這一部分的教學(xué)當(dāng)中采用幾何光學(xué)與導(dǎo)波光學(xué)相結(jié)合的方法，首先闡明不同的傳輸模式實(shí)際上對應(yīng)的是不同的傳播角，而產(chǎn)生不同的離散模式的原因是光波在芯區(qū)和包層分界面上發(fā)生反射時會產(chǎn)生相位移動，這個相位移動恰恰就依賴于傳播角的大小，在理解概念的基礎(chǔ)上再運(yùn)用電磁場理論推導(dǎo)出嚴(yán)格的數(shù)學(xué)結(jié)論。這樣循序漸進(jìn)，使學(xué)生更容易理解和接受概念；

其次，探索教學(xué)手段的改革，充分發(fā)揮多媒體教學(xué)的直觀、生動、信息量大的優(yōu)勢，采用傳統(tǒng)教學(xué)和多媒體教學(xué)相結(jié)合的方式來提高教學(xué)質(zhì)量。根據(jù)教學(xué)大綱的要求，結(jié)合本學(xué)科的實(shí)際情況，筆者以張明德教授編寫的《光纖通信原理與系統(tǒng)》為基礎(chǔ)，制作了適合實(shí)際情況的教學(xué)課件，在闡述基本原理、基本方法的同時強(qiáng)調(diào)理論與工程實(shí)際相結(jié)合，介紹專業(yè)領(lǐng)域的新技術(shù)與新成就。經(jīng)過連續(xù)四年的使用和修改完善，這套課件的教學(xué)效果良好；

另外，為了使抽象的理論教學(xué)變得更直觀，更易于接收，也為了使學(xué)生初步了解一些本專業(yè)科學(xué)研究的方法，筆者引入了Virtual Photonics公司的Photonic Transmission Design Suite（PTDS）和Multisim等仿真軟件。在講授數(shù)字光纖通信部分時，定時提取電路是接收機(jī)中一個重要的組成部分，但是幾乎所有的教材中對于這一部分只是給出了一個組成框圖和簡單的描述，并沒有相應(yīng)的電路，學(xué)生就不容易理解。筆者使用Multisim軟件設(shè)計了一個定時提取電路，仿真的結(jié)果可以清楚地看到信號是如何在電路中得到處理以及各個點(diǎn)上信號的波形，如圖1和圖2所示。通過課件和仿真工具軟件的使用，不但使原先枯燥的課堂教學(xué)變得更加生動，還可以使學(xué)生更容易地理解課本中的概念，初步了解和學(xué)會運(yùn)用本專業(yè)實(shí)際工作中使用的一些工具軟件和分析手段，為將來盡快的適應(yīng)實(shí)際工作需要打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。

3.2實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)

針對實(shí)踐環(huán)節(jié)存在的問題，筆者也做了相應(yīng)的調(diào)整。對于實(shí)踐內(nèi)容總量不足的情況，在新教學(xué)計劃中已經(jīng)進(jìn)行了修改，增加了實(shí)踐環(huán)節(jié)學(xué)時，把從前一周的課程設(shè)計增加為兩周，同時增加了四學(xué)時的實(shí)驗(yàn)。這樣就使學(xué)生有更多的參加實(shí)踐的機(jī)會，也可以使老師有條件制定內(nèi)容更充實(shí)、與實(shí)際結(jié)合更緊密的設(shè)計題目。

針對實(shí)踐環(huán)節(jié)內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)的情況，在總結(jié)前幾屆教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，筆者對舊的課程設(shè)計教學(xué)大綱進(jìn)行了如下三個方面大的調(diào)整：

1）修改了課程設(shè)計內(nèi)容。將原先單一頻率正弦波或方波信號的光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計改為寬帶視頻信號的傳輸系統(tǒng)設(shè)計，增強(qiáng)了設(shè)計內(nèi)容的實(shí)用性和趣味性，提高了學(xué)生參與的積極性和思考的主動性；

2）增加了光路設(shè)計的工作量。根據(jù)當(dāng)前光通信技術(shù)的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用，取消了原有的LED發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計，全部改為LD光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計，整個設(shè)計當(dāng)中既包括光發(fā)送部分又包括光檢測內(nèi)容，可以使學(xué)生從一個設(shè)計當(dāng)中領(lǐng)會到完整的光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成、工作原理以及設(shè)計方法；

3）增加了電路設(shè)計的內(nèi)容。改變原先的直接模擬信號強(qiáng)度調(diào)制為模擬信號脈沖頻率調(diào)制(PFM)，這樣就使得設(shè)計內(nèi)容更貼近實(shí)際應(yīng)用。電路部分還增加了電路Multisim仿真和印刷電路板(PCB)的Protel設(shè)計部分，以彌補(bǔ)光學(xué)專業(yè)學(xué)生電路設(shè)計能力方面的欠缺，提高學(xué)生畢業(yè)之后的社會競爭力。PFM調(diào)制電路及其multisim仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。

新的課程設(shè)計不但增加了設(shè)計的內(nèi)容，加大了設(shè)計的難度，而且增強(qiáng)了設(shè)計的實(shí)用性和趣味性，將書本中的理論知識和專業(yè)實(shí)際應(yīng)用更加緊密地結(jié)合起來，可以提高學(xué)生參與的積極性和主動性，通過設(shè)計實(shí)踐，可以使學(xué)生更好的理解光纖通信系統(tǒng)的理論知識，提高運(yùn)用所學(xué)解決實(shí)際問題的能力，增強(qiáng)專業(yè)綜合能力和社會競爭力。

4結(jié)束語

采用新的教學(xué)方法和實(shí)踐內(nèi)容把復(fù)雜的問題變得容易了，把枯燥的問題變得生動了，真正調(diào)動起了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使學(xué)生由先前的畏懼、排斥這門課到喜歡、愿意學(xué)習(xí)這門課，由被動學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)。筆者在光纖通信課程教學(xué)實(shí)踐方面進(jìn)行的改革，經(jīng)過近三年的運(yùn)行，取得了不錯的效果。

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