“虛實結合”教學方式在《光纖通信》實驗中的應用

鄒亞琪 陶苗苗

南通大學理學院，江蘇 南通 226001

《光纖通信》實驗在光電信息工程、電子信息工程、通信工程等專業的本科教學中有著非常重要的地位。該課程不僅能鞏固學生在光纖通信方面的理論知識，還能將理論結合到實際應用中培養學生的實際動手能力。

近年來，隨著光纖通信技術的不斷發展，光纖通信實驗中逐漸暴露出以下問題：1）已有實驗設備老舊，所開設實驗多為驗證型；2）專業技術更新快，現有設備很難反映最前沿的發展成果，而購置高端專業設備成本太高；3）現有儀器擴展性差，學生難于驗證、實踐自己的構想[1]。

針對以上問題，借助OptiSystem仿真軟件對光纖通信系統進行建模，實現《光纖通信》實驗的課程改革。目前，光纖通信實驗課程開設的綜合性、設計性實驗項目較少，可以充分利用OptiSystem仿真軟件的優勢，借助豐富的器件庫對整個光通信系統進行靈活設計，從而實現對復雜光網絡系統的設計、測試和綜合分析。將原有操作實驗與OptiSystem仿真實驗相結合，有助于學生對相關理論知識的綜合運用，引導學生深入探索復雜的通信系統，對光纖通信課程有更加深刻和全面的認識。

一、“虛實結合”教學方式

“虛實結合”教學方式即動手操作與軟件仿真相結合，仿真實驗不能完全取代動手操作，而是作為操作性實驗的補充和擴展。將動手操作與軟件仿真相結合，不僅能有效提高學生動手能力，取得更好的教學效果，而且有利于培養學生的工程意識，改進學生的思維方式[2]。

“虛實結合”的教學方式可以帶來了以下優勢：

1．提高學生動手能力：動手能力是當代大學生需要具備的基本能力，學生在實驗時往往需要反復練習。軟件仿真可以有效減少環境的限制，提供更多的操作機會，直到達到預想效果為止。

2．有效降低實驗經費：仿真實驗可以重復完成，不需要昂貴的機器設備，其實際產生費用相較于實踐型實驗要低得多。

3．調動學生的學習積極性：學生在設計實驗的過程中，學會如何選用模塊、設置參數及綜合設計。虛擬仿真電路的靈活變化與可擴展性，還能充分調動學生的主動性和創造性。

4．培養學生融會貫通能力。通過仿真實驗，提高學生的實踐能力，讓理論更好地指導實踐。

“虛實結合”教學方式在實驗課程中的實行，不僅能加深學生對理論知識的理解，提高對專業知識的綜合運用，而且能培養其獨立分析能力，為學生走向工作崗位前進行工程素質的培養提供了有效手段。

二、可行性分析

（一）OptiSystem軟件介紹

OptiSystem是加拿大Optiwave公司開發的一套光通訊系統綜合模擬軟件，可以完CATV及WDM/TDM網絡設計、SONET/SDH環形網絡設計、發射器、放大器、接收器設計、色散分析、使用不同接收器估算誤碼率以及對不同接收模式下估算系統性能等。OptiSystem軟件以豐富的元件庫及視窗化的操作界面為特色，其強大的功能完全可以滿足光纖通信實驗的教學需求[3]。在OptiSystem仿真實驗中，通過調整元器件參數，對系統優化設計，實現光網絡系統傳輸層光鏈路的設計、測試和仿真。

（二）實施方案

1．深入了解光電信息專業的教學大綱和培養目標，結合《光纖通信》實驗課程的相關內容，利用OptiSystem仿真軟件，逐步建立“基礎型、綜合型、創新設計型”的多層次實驗教學體系。

2．改革后開設實驗項目包括光纖傳輸特性測量、光纖與光源耦合方法實驗、光無源器件的參數測定、光發送機設計、光放大器優化設計、光接收機設計以及波分復用系統設計，結合理論教學，虛實結合，由淺入深，先完成基礎驗證型實驗，在此基礎上完成綜合設計型實驗，最后撰寫詳細的實驗報告（包括實驗思路、系統設計圖、元器件的選擇和參數設置、實驗現象及仿真結果分析等內容）。

3．將動手操作與虛擬仿真相結合，既能提高學生動手能力，又能鼓勵學生自主設計實驗，激發學生的學習興趣，從而培養學生的探索意識和創造精神。

（三）實例分析

以波分復用原理性實驗為例：利用實驗室現有儀器設備（光源、波分復用器、示波器等），構建兩信道的波分復用系統（如圖1所示），讓學生了解光通信系統的構成，利用示波器直接觀察實驗中的現象。但由于硬件條件限制，一條信道只能相應地配一套觀察設備，很難滿足同時監測多點信號。

實際的通信系統復雜的多，利用OptiSystem仿真軟件，提出仿真實驗的要求、達到的預期結果，讓學生設計四信道甚至更多信道的波分復用系統（如圖2）。

圖2 四信道波分復用實驗仿真圖

圖3為發送端波分復用信號的頻譜圖，由光譜分析儀（Optical Spectrum Analyzer）監測；圖4為接收端波分復用信號的頻譜圖，由光譜分析儀2（Optical Spectrum Analyzer_2）監測。

圖3 發送端波分復用信號的頻譜圖

圖4 接收端波分復用信號的頻譜圖

借助OptiSystem軟件中的光譜分析儀，可以直觀地看出：光信號經過一定距離的傳輸，光功率有一定程度的衰減，而光放大器（Optical Amplifier）能有效抑制損耗帶來的影響。因為光纖中的色散與非線性效應，導致頻譜展寬，且由于四波混頻效應，導致在原頻譜兩側出現了新的頻率信號。

在設計過程中，通過給出實驗要求及預期效果，讓學生在仿真軟件上設計光通信系統，將理論與實踐結合，有利于加強學生對整個光纖通信系統的了解[4]。

（四）實施成效

本校《光纖通信》實驗課程已經試行仿真實驗項目，通過對教學效果分析以及與學生深入交流，得到以下結論：

1．學生在仿真實驗的過程中，元器件選擇、設置參數及整個系統搭建都與理論知識緊密相關，通過實驗進一步加深對理論的認識，促進了理論與實踐的有效結合；

2．與硬件實驗相比，仿真實驗涉及的知識點更多，實驗操作更復雜，實驗結果更生動，教學效果明顯提高；

3．鑒于虛擬仿真電路的靈活變化與可擴展性，合理利用OptiSystem仿真軟件設計電路，能充分調動學生的主動性。

三、總結

“虛實結合”教學方法將仿真軟件融入《光纖通信》實驗課程中。運用OptiSystem仿真軟件彌補原有實驗器材的局限性，豐富實驗內容，提高教學效果；同時，幫助學生加深對理論知識的理解，提高對相關知識的運用能力[5]。綜上所述，將“虛實結合”教學方法應用到《光纖通信》實驗課程，能調動學生對實驗學習的積極性，有效提升實驗課程的教學質量。