面向國防教育的光纖傳感課程的教學(xué)設(shè)計(jì)

劉學(xué)靜　武旭東

[摘 要] 光纖傳感課程是光學(xué)工程科學(xué)研究領(lǐng)域的入門課程。在線教育在疫情下凸顯了其無可替代的重要性，可以作為本課程的輔助教學(xué)組成部分。利用豐富的網(wǎng)絡(luò)資源和更多的受眾群體反饋來彌補(bǔ)傳統(tǒng)課堂教學(xué)理論教學(xué)的不足，可以有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)生興趣，也能讓學(xué)生更好的掌握所學(xué)知識(shí)。針對面向國防領(lǐng)域的應(yīng)用，從教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法兩方面進(jìn)行了詳細(xì)的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)，使光纖傳感課程的學(xué)習(xí)更加合理。此外，針對國防教育的特點(diǎn)，課程設(shè)計(jì)中也加入了相關(guān)課程思政內(nèi)容，讓學(xué)生們更直觀地理解所學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生們的愛國熱情，能夠在投入社會(huì)以后更加踏實(shí)工作，報(bào)效祖國。

[關(guān)鍵詞] 光纖傳感;國防教育;教學(xué)設(shè)計(jì)

[作者簡介] 劉學(xué)靜（1988—），女，河北秦皇島人，博士，上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院講師，主要從事光電子學(xué)、光纖器件及傳感等方向的教育研究。

[中圖分類號] G643.0? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）12-0153-04? ?[收稿日期] 2020-10-25

光纖傳感技術(shù)是量子科學(xué)研究的重要內(nèi)容[1]，主要研究光纖傳感的原理與技術(shù)，屬于光學(xué)工程的內(nèi)容。光纖傳感技術(shù)是利用外界因素改變光在光纖中傳播的波長、光強(qiáng)、偏振或者相位從而實(shí)現(xiàn)對外界因素的測量與傳感。光纖傳感器具有體積小、重量輕、電絕緣性好等特點(diǎn)，能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)傳感器的不足，尤其是在一些危險(xiǎn)和不適宜人工操作的環(huán)境中具有不可替代的優(yōu)勢。因此，光纖傳感技術(shù)早在20世紀(jì)70年代就得到了迅速發(fā)展。我國在看到了光纖傳感在國際領(lǐng)域的迅速發(fā)展，后奮起直追，受到了相當(dāng)?shù)闹匾暋以凇傲濉逼陂g，首次將“光纖電流傳感器原理樣機(jī)”列入攻關(guān)目標(biāo)。隨后，在“七五”計(jì)劃中，又加入了12個(gè)光纖傳感器的子課題，其中就包括在國防應(yīng)用中舉足輕重的光纖陀螺儀。目前，我國光纖傳感技術(shù)仍然在飛速發(fā)展中，然而仍有許多技術(shù)尚未突破，需通過光纖傳感課程的教學(xué)，讓更多的高校學(xué)生認(rèn)識(shí)這一前沿領(lǐng)域，培養(yǎng)學(xué)生興趣，使他們在工作中更好地投身于光纖傳感的研究，為中國光纖傳感事業(yè)做出貢獻(xiàn)。

由于光纖傳感器具有測量精度高、體積小、裝配靈活等特點(diǎn)，國內(nèi)外在國防應(yīng)用中的研究具有重要地位，例如用于慣性導(dǎo)航的光纖陀螺儀，用于精確導(dǎo)航定位的光纖水聽器，用于監(jiān)測環(huán)境的光纖分布式傳感器等。光纖傳感課程應(yīng)緊密結(jié)合國防應(yīng)用背景，使學(xué)生明確課堂知識(shí)的意義所在。

新冠肺炎疫情的暴發(fā)使得在線教學(xué)方式迅速引起關(guān)注，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，光纖傳感課程的在線教育方式也逐漸豐富和多元化[2]。光纖傳感器的實(shí)驗(yàn)通常比較昂貴，在傳統(tǒng)課堂上，學(xué)生們也只能多人共用一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，這使得學(xué)習(xí)效率低，實(shí)驗(yàn)效果并不理想。采用在線教學(xué)的方式，可以整合線上各地的教師和實(shí)驗(yàn)資源，讓學(xué)生們能夠通過在線視頻的方式，與更多科研一線的專家和學(xué)者們溝通，能夠有更多的機(jī)會(huì)參與動(dòng)手操作，甚至可以遠(yuǎn)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。

面向國防應(yīng)用的光纖課程在線教學(xué)設(shè)計(jì)，將前沿專業(yè)課程與國防結(jié)合，加強(qiáng)學(xué)生的思想建設(shè)，幫助學(xué)生們樹立正確的世界觀、價(jià)值觀和人生觀，將課堂講授與在線互動(dòng)學(xué)習(xí)相結(jié)合，最大限度的實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的融合。

一、教學(xué)內(nèi)容

（一）發(fā)展現(xiàn)狀與國防需求

光纖傳感器主要是利用外界因素對光纖中導(dǎo)光的波長、相位和光強(qiáng)等特征參數(shù)進(jìn)行調(diào)制從而實(shí)現(xiàn)信息的測量與提取[3]。國防應(yīng)用中，光纖傳感器在定位導(dǎo)航、長時(shí)高性能導(dǎo)航、水下探潛等多個(gè)領(lǐng)域具有重要意義。

1.慣性導(dǎo)航領(lǐng)域中的重要意義。陀螺儀是慣性測量系統(tǒng)的核心與關(guān)鍵器件，在國防系統(tǒng)中的海、陸、空、天等領(lǐng)域中都具有不可替代的重要作用[4]。其中，光纖陀螺是用于測量陀螺所承載載體相對于慣性空間得相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的器件。與傳統(tǒng)的機(jī)械式陀螺相比，光纖陀螺具有全固態(tài)、無轉(zhuǎn)動(dòng)和磨損部件且結(jié)構(gòu)相對簡單的優(yōu)勢，特別適用于衛(wèi)星、艦船等需要長期連續(xù)通電工作的領(lǐng)域，如在衛(wèi)星慣性測量應(yīng)用領(lǐng)域中，光纖陀螺可以保持10萬小時(shí)以上平均無故障的連續(xù)通電工作時(shí)間。此外，光纖陀螺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活，精度可以覆蓋各種應(yīng)用需求，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。更重要的是，光纖陀螺通啟動(dòng)時(shí)間可縮短到1秒以內(nèi)，特別適用戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈等武器系統(tǒng)對快速發(fā)射、快速響應(yīng)的特別需求。

2.水下探潛領(lǐng)域中的重要意義。海洋偵察監(jiān)視系統(tǒng)和水下偵察系統(tǒng)是國防系統(tǒng)的重要組成部分[5]。水下環(huán)境能見度極低，環(huán)境變化迅速且難以預(yù)計(jì)，水體嚴(yán)重干擾無線電信號的傳輸，因此現(xiàn)代戰(zhàn)爭中越來越重視潛艇、無人潛航器等裝備的應(yīng)用。光纖水聽器相比于傳統(tǒng)的光學(xué)、無線電等偵察手段具有獨(dú)特優(yōu)勢，逐漸成為核心的探潛器件，發(fā)揮著重要作用。光纖水聽器是一種建立在光纖、光電子技術(shù)基礎(chǔ)上的水下聲信號傳感器，它通過高靈敏度的光纖相干檢測，將水聲信號轉(zhuǎn)換成光信號，并通過光纖傳至信號處理系統(tǒng)提取聲信號信息。光纖水聽器具有靈敏度高、頻響特性好等特點(diǎn)。由于采用光纖作信息載體，適宜遠(yuǎn)距離大范圍監(jiān)測，特別是聲吶系統(tǒng)中具有獨(dú)特優(yōu)勢。它僅僅利用一根光纖即可傳輸大量單元的信息，并且傳感單元結(jié)構(gòu)靈活，具有大規(guī)模接收陣列顯示的能力。

3.水下激光偵查領(lǐng)域中的重要意義。水下激光偵查是基于海水對不同波段的光波衰減能力的不同實(shí)現(xiàn)的[6]。470μm～580μm波段內(nèi)的藍(lán)綠激光在海水中傳輸?shù)膿p耗比其他波段小得多，這是一個(gè)理想的透光窗口。美國、蘇聯(lián)、澳大利亞等國均投入了大量的人力和物力，在水下激光測距、成像等領(lǐng)域進(jìn)了廣泛的研究，并在一些重點(diǎn)方向上取得了突破進(jìn)展。我國作為陸海兼?zhèn)涞拇髧Ｋ碌孛矘O其復(fù)雜，加之我軍的水下偵察技術(shù)和發(fā)達(dá)國家相比仍存在很大的差距，敵方高技術(shù)水下武器裝備很容易突破我方的水下防線，給我方艦船和島礁特別是南海島礁造成了極大的安全威脅，同時(shí)近年來美海軍水下探測系統(tǒng)的不斷完善和發(fā)展對我海軍潛艇的作戰(zhàn)行動(dòng)造成了很大威脅。因此我們要增大對海洋偵察技術(shù)領(lǐng)域的投入，增大水下激光偵查的研究投入，緊跟世界海洋先進(jìn)偵察技術(shù)的發(fā)展，堅(jiān)持軍民融合的發(fā)展道路，必要時(shí)引進(jìn)國外先進(jìn)的海洋探測技術(shù)。同時(shí)我們也要重視反潛戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)法的研究，為我海軍走向大洋打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（二）光纖傳感器類別

從原理上講，光纖陀螺分為干涉型光纖陀螺、諧振式光纖陀螺、布里淵光纖陀螺、鎖模光纖陀螺及法布里—珀羅光纖陀螺等[7];從檢測手段的不同分為開環(huán)光纖陀螺和閉環(huán)光纖陀螺兩類;從解調(diào)方式分為相位差偏置式光纖陀螺、光外差式光纖陀螺及延時(shí)調(diào)制式光纖陀螺。

干涉型光纖陀螺在結(jié)構(gòu)上就是光纖Sagnac干涉儀。當(dāng)陀螺載體發(fā)生角速度Ω的旋轉(zhuǎn)變化時(shí)，光纖陀螺中傳輸?shù)膬墒鈺?huì)產(chǎn)生相位差，且與角速度成正比，再通過相位解調(diào)技術(shù)，把光相位的直接測量轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)度測量，這樣就能較方便地測量出Sagnac相位變化。目前，干涉型光纖陀螺已廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海等領(lǐng)域。

諧振式光纖陀螺是利用光學(xué)諧振腔的共振頻率與角速率的變化關(guān)系實(shí)現(xiàn)測量的。在光纖諧振腔中存在傳播方向相反的兩束謝振光。諧振器靜止時(shí)，這兩束光的諧振頻率相等;但若諧振器以角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，其諧振頻率不再相等，通過測量兩諧振光束的諧振頻率差即可確定旋轉(zhuǎn)角速度。由于對光源的要求苛刻，所以目前諧振式光纖陀螺仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段;但與干涉式光纖陀螺相比，其具有光源穩(wěn)定度高、所用光纖短、受環(huán)境影響小、成本低的優(yōu)勢，因此各國均投入大量人力對其進(jìn)行研究，在慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

光纖水聽器分為強(qiáng)度型、干涉型和光柵型三大類[8]。其中，研究最為成熟的是強(qiáng)度型光纖水聽器，其次是干涉型光纖水聽器，具有精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)。光柵型光纖水聽器直到2000年才被踢出，目前仍處于研究階段，由于其高精度、寬動(dòng)態(tài)范圍、體積小、易實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用、便于拖拽作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，受到國內(nèi)外越來越多的關(guān)注，逐步成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

水下激光探測分為直接探測和光外差探測兩種形式[9]。直接探測法是利用激光回波光場的強(qiáng)度變化，并由光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)最終形成相應(yīng)的電壓活電流信號，從而實(shí)現(xiàn)探測的。光外差探測利用的是回波信號與本地光波的混頻信號，利用了激光回波光場的頻率和相位變化兩個(gè)物理量實(shí)現(xiàn)信號的測量。這種模式的優(yōu)勢是在惡劣環(huán)境下信噪比較大，但對激光器要求較高;因此直接探測是一種更簡單、實(shí)用的探測模方式，在水下激光探測中被廣泛采用。

二、教學(xué)方法

本課程所使用的教學(xué)方法為在線教學(xué)與面對面教學(xué)結(jié)合，理論講授與動(dòng)手實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)方法。

傳統(tǒng)面對面教學(xué)具有實(shí)時(shí)與學(xué)生互動(dòng)、教學(xué)效果反饋及時(shí)的特點(diǎn)，然而面對面教學(xué)存在教學(xué)方式單一、信息量不足、學(xué)生互動(dòng)不積極等問題?；ヂ?lián)網(wǎng)具有豐富的教學(xué)資源，可以有效避免傳統(tǒng)的教學(xué)方式信息量不足的缺點(diǎn)。授課教師不再單一的采用板書的形式進(jìn)行授課，可以獲得更多的信息資源，豐富授課知識(shí)。然而，在線教學(xué)仍然存在授課效果受限于網(wǎng)絡(luò)硬件等設(shè)備的缺陷，無法直接觀察學(xué)生們的理解程度等問題。為了解決這一問題，采用階段式在線布置預(yù)習(xí)大綱與討論總結(jié)之前所學(xué)知識(shí)，課堂上以面對面授課的方式將兩種形式的優(yōu)勢相互補(bǔ)充，充分發(fā)揮二者的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)各自的不足，使學(xué)生們能夠更全面和快速的掌握課程內(nèi)容。

理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。在目前的本科課程的教學(xué)中，我們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的課程一般均采用理論教學(xué)的授課方式，存在學(xué)生無法形象地理解知識(shí)原理，更由于不知道所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用價(jià)值而無法激發(fā)學(xué)習(xí)興趣的問題。光纖傳感作為一門具有強(qiáng)烈的工程應(yīng)用價(jià)值的專業(yè)課，非常適合采用理論傳授與動(dòng)手實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)方法。光纖傳感器件種類繁多，光纖陀螺和光纖水聽器在一些實(shí)驗(yàn)條件較好的學(xué)校可以為學(xué)生們提供實(shí)驗(yàn)條件，而即使不存在這個(gè)條件，也可以進(jìn)行很多光纖傳感相關(guān)的課程實(shí)驗(yàn)，如光纖熔接、光纖干涉技術(shù)等。通過這些實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合的教學(xué)方式，能夠讓學(xué)生更加深刻的理解所學(xué)知識(shí)，對光纖傳感這個(gè)行業(yè)有一定的了解，在自己的個(gè)人規(guī)劃上起到一定的啟發(fā)作用。

制定科學(xué)的課程學(xué)習(xí)大綱。由于疫情等原因，老師無法實(shí)時(shí)與學(xué)生們面對面的交流時(shí)，如何保證學(xué)生們的學(xué)習(xí)質(zhì)量十分關(guān)鍵。因此，本課程通過制定以學(xué)生為中心的課程學(xué)習(xí)大綱，來幫助學(xué)生們了解并掌握自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度和學(xué)習(xí)效果。課程大綱包括課程的基本結(jié)構(gòu)、知識(shí)脈絡(luò)，并明確規(guī)定重要知識(shí)點(diǎn)。將課程大綱在課前發(fā)放給學(xué)生，學(xué)生們可以合理的安排自己的學(xué)習(xí)時(shí)間和學(xué)習(xí)進(jìn)度，檢測自己的學(xué)習(xí)效果，高效的完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

三、基于光纖傳感課程的具體實(shí)施方法

首先，光纖傳感課程是針對光學(xué)工程專業(yè)本科生的專業(yè)課，在學(xué)習(xí)這門課程之前應(yīng)具備一定的基礎(chǔ)專業(yè)課，包括大學(xué)物理學(xué)、光學(xué)、儀器儀表課程。針對光學(xué)工程學(xué)生的需求與興趣點(diǎn)，有側(cè)重地準(zhǔn)備課程內(nèi)容。整合相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)資源，構(gòu)建在線教學(xué)內(nèi)容框架，針對國防應(yīng)用背景調(diào)研每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的應(yīng)用實(shí)例和關(guān)鍵人物事跡，以充實(shí)課程思政內(nèi)容。

其次，將整個(gè)光纖傳感課程根據(jù)不同傳感原理進(jìn)行分類，針對每一個(gè)分類確定各自的學(xué)習(xí)目標(biāo)、脈絡(luò)、教學(xué)方法、在線資源及授課方式、板書設(shè)計(jì)等。

再次，豐富光纖傳感課程每一部分的課程內(nèi)容，確定每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的理論推導(dǎo)，大量調(diào)研相關(guān)的國防應(yīng)用實(shí)例，穿插在每一個(gè)理論知識(shí)推導(dǎo)之后，豐富思政教學(xué)內(nèi)容建設(shè)，同時(shí)深化學(xué)生們對知識(shí)點(diǎn)的理解。在關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)設(shè)置對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)視頻，協(xié)調(diào)實(shí)驗(yàn)操作場地和人員等。然后，檢查每個(gè)教學(xué)實(shí)施點(diǎn)的設(shè)備穩(wěn)定性，尤其是針對在線教學(xué)所需的教學(xué)平臺(tái)，網(wǎng)絡(luò)流暢，互動(dòng)工具的穩(wěn)定性。對光纖傳感課程教學(xué)實(shí)施過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，在教學(xué)過程中記錄學(xué)生們的反饋和所遇到的問題，為課程的改進(jìn)做準(zhǔn)備。

最后，進(jìn)行學(xué)生們的反饋調(diào)查，分別對在線教學(xué)和面對面教學(xué)的內(nèi)容進(jìn)行評估，總結(jié)各自的不足與改進(jìn)的措施，優(yōu)化課程設(shè)計(jì)。

四、結(jié)論

本文對光纖傳感器這門具有鮮明國防特色的專業(yè)課程進(jìn)行詳細(xì)的教學(xué)設(shè)計(jì)，使學(xué)生們能夠更加形象和生動(dòng)地了解光纖傳感這門課程的專業(yè)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生們對光纖傳感這門課程的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情。在教學(xué)內(nèi)容方面，從光纖傳感技術(shù)的起源與發(fā)展，光纖傳感器件的基本分類和光纖傳感技術(shù)的基礎(chǔ)理論知識(shí)和關(guān)鍵技術(shù)等內(nèi)容進(jìn)行了教學(xué)設(shè)計(jì)。利用在線教學(xué)與面對面教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方法，全面構(gòu)建了教學(xué)大綱與教學(xué)內(nèi)容。利用光纖傳感器件在國防領(lǐng)域的典型應(yīng)用，強(qiáng)化國防教育的課程思政內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生們的愛國意識(shí)，通過對比國內(nèi)外光纖傳感技術(shù)的發(fā)展差距，激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)動(dòng)力，為中華民族的崛起和復(fù)興而努力學(xué)習(xí)與工作。

參考文獻(xiàn)

[1]廖延彪.中國光纖傳感技術(shù)發(fā)展的概況[J].激光與紅外，1996（4）：244-246.

[2]袁耀鋒，林凌，王建，等.疫情防控期間線上教學(xué)的初步探索[J].大學(xué)化學(xué)，2020，35（5）：275-278.

[3]王惠文.光纖傳感技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2001.

[4]王巍.干涉型光纖陀螺儀技術(shù)[M].北京：中國宇航出版社，2010.

[5]趙晨曦.光纖傳感器技術(shù)及其在軍事上的應(yīng)用[J].光通信技術(shù)，1989（4）：45-50.

[6]鄭君杰，尹路，李延斌，等.外軍水下偵察技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].艦船電子工程，2013（8）：15-18.

[7]胡衛(wèi)東.光纖陀螺發(fā)展評述[J].紅外技術(shù)，2001，23（5）：29-33.

[8]張仁和，倪明.光纖水聽器的原理與應(yīng)用[J].物理，2004，33（7）：503-507.

[9]付偉.國外激光水下偵察設(shè)備發(fā)展綜述[J].艦船電子對抗，2001（6）：21-23.

Abstract： Optical Fiber Sensing course is an introductory course in the field of optical engineering scientific research. The online education method has highlighted its irreplaceable importance under the outbreak of the pandemic situation， and can be used as an auxiliary teaching component of this course. The use of rich network resources and more audience feedback to make up for the deficiencies of traditional classroom theoretical teaching can effectively stimulate students interest and enable students to better master the knowledge. Aiming at the application in the field of national defense， this paper designs the teaching content in detail from the aspects of teaching content and teaching method， so as to make the learning of Optical Fiber Sensing course more reasonable. In addition， according to the characteristics of national defense education， the ideological and political contents of relevant courses are also added into the course design， so that students can more intuitively understand the importance of what they learn for the prosperity and development of the motherland， build up their patriotic enthusiasm， and be able to work more earnestly to serve the motherland.

Key words： Optical Fiber Sensing; national defense education; teaching design