輔助教學(xué)平臺在“光纖通信”課程中的應(yīng)用

李 茜

（唐山學(xué)院 信息工程系，河北 唐山063000）

通信包括無線通信、移動通信、衛(wèi)星通信、光纖通信等，光纖通信是一門很前沿的學(xué)科。“光纖通信”作為通信專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是組成通信技術(shù)體系的一個重要分支。該課程涉及的知識面廣，包括電磁場與電磁波、高等數(shù)學(xué)等相關(guān)知識，通用教材理論性強(qiáng)，公式推導(dǎo)非常繁瑣，傳統(tǒng)教學(xué)枯燥刻板，學(xué)生很難理解抽象的概念。這使得本科學(xué)生在學(xué)習(xí)該門課程時感覺難度較大。針對這些問題，建立一個基于光纖相關(guān)特性的輔助教學(xué)仿真平臺，并把仿真平臺應(yīng)用于教學(xué)中［1，2］，既豐富課堂內(nèi)容，又提高學(xué)生興趣。通過仿真平臺可以將光纖的特性進(jìn)行可視化表達(dá)，并將工程實踐與科研活動得到的數(shù)據(jù)中所包含的信號特征、狀態(tài)變化以及客觀規(guī)律直觀、充分地展現(xiàn)出來。

一、仿真平臺在課程中的具體應(yīng)用

課程中有的理論性太強(qiáng)，學(xué)生很難理解一些光纖的相關(guān)特性。比如光接收機(jī)靈敏度問題，從理論的角度，根據(jù)公式算出靈敏度的值后，學(xué)生很難理解靈敏度的數(shù)值大小與靈敏度高低之間的關(guān)系，以及靈敏度與輸入光功率、消光比的關(guān)系。這些問題可通過點擊用戶界面，讓學(xué)生直觀地看見光纖相關(guān)特性的演示以及一些特性參數(shù)的測量。

圖形用戶界面（GUI）又稱人機(jī)交互界面，是一種人機(jī)交互的工具和方法。GUI包含很多種圖形對象，如靜態(tài)文本、文本框、坐標(biāo)系、窗口、圖標(biāo)、面板、按鈕組等，使用者可以使用鍵盤、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備和計算機(jī)進(jìn)行信息交換，從而使得計算機(jī)產(chǎn)生某種動作或變換［3－4］。在 MATLAB中，主要用到兩種方式來建立人機(jī)交互界面。一種是通過程序代碼編寫的方法產(chǎn)生對象，該方法的優(yōu)點是建立的GUI菜單比較齊全，而且程序代碼的通用性能也很高；另一種是通過MATLAB提供的GUIDE界面來建立GUI。

仿真平臺的界面上有3個按鈕，test表示參數(shù)測量，picture表示光纖器件展示，plot表示特性曲線的繪制。參數(shù)測量過程中學(xué)生可以根據(jù)參數(shù)選擇，來測量光纖的損耗、色散等；器件展示可以讓學(xué)生看到書上提到的相關(guān)光器件；特性曲線的繪制可以讓學(xué)生看到特性之間的關(guān)系及其影響。

二、仿真平臺相關(guān)特性的展示

（一）光纖通信相關(guān)特性參數(shù)的測量

光纖的特性參數(shù)有很多，大體上可以分為三大類：光學(xué)特性、幾何特性和傳輸特性。在光纖通信系統(tǒng)中，當(dāng)使用的條件發(fā)生變化時，幾何特性和大部分光學(xué)特性是穩(wěn)定的，而損耗、截止波長等均不同程度地受使用條件的影響。根據(jù)教學(xué)大綱，要求學(xué)生掌握測量的參數(shù)不多，所以仿真平臺只設(shè)計了一些受使用條件影響的特性參數(shù)，以損耗、色散、截止波長、中繼距離為例。學(xué)生在界面中輸入?yún)?shù)值，便可以計算出光纖的損耗、色散、截止波長等參數(shù)。老師在授課的時候通過改變相關(guān)參數(shù)，快速地讓學(xué)生看到改變某一參數(shù)對結(jié)果造成的影響，還可以直觀地看到某些參數(shù)的選擇有一定的范圍限制，過大或過小都會造成負(fù)面的影響，所以通過改變這些參數(shù)可以起到優(yōu)化參數(shù)設(shè)置的作用。

（二）光纖相關(guān)特性曲線的繪制

為了便于學(xué)生理解光纖的相關(guān)特性，在課堂中利用仿真平臺的可視化對光纖相關(guān)特性進(jìn)行演示，讓學(xué)生能夠更好地分析光纖特性，以自聚焦效應(yīng)、損耗、色散［5］、誤碼率為例，點擊plot按鈕即彈出特性展示的界面。學(xué)生可以直觀看出特性隨著某些參數(shù)的改變而變化的趨勢。比如：自聚焦效應(yīng)最終會聚在一點上，學(xué)生很難理解光線的傳播路徑，通過仿真軟件，教師在授課時改變?nèi)肷浣嵌犬嫵鎏匦詧D，學(xué)生就能很好理解光線的傳播線路以及如何聚焦的原理。仿真軟件還可以演示更多相關(guān)特性。

（三）光纖通信器件的展示

學(xué)生在學(xué)習(xí)光器件的時候，由于看不見實物，很難想象出器件的結(jié)構(gòu)及其外貌，利用仿真平臺，點擊picture，學(xué)生能夠直觀地看見實物圖，并且有詳細(xì)的器件使用功能介紹。光纖器件可分為有源器件和無源器件兩大類。光發(fā)射采用發(fā)光器件，如半導(dǎo)體激光器、發(fā)光二極管等，光接收采用光檢測器件，如PIN，APD等，還有光放大器，如摻鉺光纖放大器、拉曼光纖放大器、半導(dǎo)體光放大器等，這些均屬于有源器件。光纖連接器、耦合器、光開關(guān)、波分復(fù)用器、光衰減器、光隔離器、光環(huán)行器等屬于無源器件。教師可以根據(jù)教材要求掌握的內(nèi)容在器件分類中選擇光器件，讓學(xué)生直觀看見器件實物圖片，在圖片下面有完整的器件使用功能。當(dāng)然，圖片在教學(xué)課件PPT中也能展示，但是將它集成在教學(xué)軟件上，有動態(tài)點擊的效果，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并且結(jié)合相關(guān)特性講解起來更為直接。

三、結(jié)論

通過以上輔助教學(xué)仿真平臺的使用，學(xué)生可以很直觀地學(xué)習(xí)和分析“光纖通信”課程中相關(guān)的特性。由于基于MATLAB的仿真軟件設(shè)計的靈活性，可以開發(fā)學(xué)生動手動腦的能力，讓學(xué)生自行進(jìn)行有關(guān)“光纖通信”課程中相關(guān)的特性、器件的界面交互設(shè)計。軟件的開發(fā)設(shè)計已經(jīng)成功地運用到課堂教學(xué)、實驗教學(xué)、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計中，很好地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了教學(xué)質(zhì)量。輔助教學(xué)平臺的使用在“光纖通信”教學(xué)改革和實踐中取得了良好的效果。

［1］汪徐德，姜恩華，周正，等.MATLAB仿真輔助光纖通信課程教學(xué)研究［J］.高師理科學(xué)刊，2012，32（5）：80－99.

［2］張振榮，岳岫峪，唐秋玲，等.仿真在光纖通信教學(xué)中的應(yīng)用［J］.廣西大學(xué)學(xué)報，2009，31（3）：54－55.

［3］王巧花，葉平，黃民.基于 MATLAB的圖形用戶界面（GUI）設(shè)計［J］.煤礦機(jī)械，2005（3）：60－63.

［4］王默玉，宗偉，劉春磊，等.基于 MATLAB的圖形用戶界面的構(gòu)造方式與應(yīng)用［J］.現(xiàn)代電力，2002，19（1）：76－82..

［5］宋揚，王麗.光纖色散效應(yīng)對脈沖展寬的影響［J］.激光技術(shù)，2008，32（6）：568－572.