“光纖光學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)與探討

［摘 要］ “光纖光學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”是面向光電信息科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)本科生和光學(xué)工程專(zhuān)業(yè)研究生開(kāi)設(shè)的重要的實(shí)驗(yàn)課程。分析了“光纖光學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)中存在的主要問(wèn)題，結(jié)合該課程核心知識(shí)點(diǎn)和教學(xué)目標(biāo)，優(yōu)化了“光纖光學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”的主要教學(xué)內(nèi)容。通過(guò)更換精度更高的光學(xué)器件，提高了光學(xué)元件調(diào)節(jié)效率及讀出分辨率；采用云班課軟件構(gòu)建線(xiàn)上線(xiàn)下混合式教學(xué)，及時(shí)追蹤實(shí)驗(yàn)教學(xué)全過(guò)程，達(dá)到了提升教學(xué)效果的目的；采用項(xiàng)目研討式教學(xué)，調(diào)動(dòng)了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的主觀能動(dòng)性。

［關(guān)鍵詞］ 光纖光學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；云班課

［作者簡(jiǎn)介］ 萬(wàn) 晶（1988—），女，湖南湘潭人，工學(xué)碩士，國(guó)防科技大學(xué)前沿交叉學(xué)科學(xué)院助理實(shí)驗(yàn)師，主要從事高等光電技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程與光電技術(shù)研究生實(shí)驗(yàn)室管理研究。

［中圖分類(lèi)號(hào)］ G643.2 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2024）16-0005-04 ［收稿日期］ 2023-02-14

引言

光纖光學(xué)作為一門(mén)重要且廣泛應(yīng)用的學(xué)科，在科研和生活中扮演著越來(lái)越重要的角色，其中一種重要的應(yīng)用就是光通信。光通信是一種以光學(xué)纖維為信息傳輸媒介的通信方式，在近幾十年中，光通信技術(shù)快速發(fā)展，已從實(shí)驗(yàn)室研究熱點(diǎn)成為商業(yè)化的強(qiáng)大應(yīng)用實(shí)體［1］。與光纖通信并列的另一種重要應(yīng)用是光纖傳感器［2］。利用光纖中傳輸光波的強(qiáng)度、相位、偏振特性以及光纖散射、彎曲損耗等特性對(duì)外界物理參數(shù)變化的異常敏感，可以制成各種性能優(yōu)越的光纖傳感器。光纖傳感技術(shù)成為繼光纖通信技術(shù)之后光纖光學(xué)應(yīng)用的又一大熱點(diǎn)。因此，開(kāi)設(shè)研究生“光纖光學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”課程，有助于讓學(xué)生進(jìn)一步理解光纖光學(xué)的基本概念，牢固掌握光纖光學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技能，為研究生課題研究及未來(lái)從事光通信和光纖傳感系統(tǒng)的研發(fā)、維護(hù)與應(yīng)用工作提供支撐［3-4］。

當(dāng)前，大部分光電信息科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)本科生和光學(xué)工程專(zhuān)業(yè)研究生都開(kāi)設(shè)了“光纖光學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”課程，主要包括光纖切割、光纖數(shù)值孔徑測(cè)量、光纖衰減測(cè)量以及光纖與光源耦合等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容［5-6］。這些實(shí)驗(yàn)課程大多采用分立的光學(xué)元件、光學(xué)調(diào)整架、裸光纖夾持器和光纖固定器等在光學(xué)平臺(tái)上搭建耦合或測(cè)量系統(tǒng)，主要存在以下問(wèn)題：（1）現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的光學(xué)元件調(diào)節(jié)和讀出分辨率不高，操作不便；（2）現(xiàn)有教學(xué)多采用集中講授、學(xué)生自主完成并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告的方式，在這種教學(xué)方式下學(xué)生對(duì)基本概念和實(shí)驗(yàn)技能掌握得不夠好，教師難以及時(shí)地了解學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度。

針對(duì)當(dāng)前“光纖光學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)中存在的主要問(wèn)題，本文提出采用精度更高的旋轉(zhuǎn)臺(tái)及導(dǎo)軌系統(tǒng)等，提高光學(xué)元件調(diào)節(jié)效率及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精度；同時(shí)，利用云班課軟件，加強(qiáng)課前課后聯(lián)動(dòng)，便于教師及時(shí)追蹤實(shí)驗(yàn)教學(xué)全過(guò)程，提升教學(xué)效果；此外，采用項(xiàng)目研討式教學(xué)，調(diào)動(dòng)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的主觀能動(dòng)性，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和實(shí)驗(yàn)技能的掌握。

一、“光纖光學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”內(nèi)容設(shè)計(jì)

無(wú)論是光電信息科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)本科生還是光學(xué)工程專(zhuān)業(yè)研究生，“光纖光學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)的目的均是加深學(xué)生對(duì)光纖數(shù)值孔徑（NA）、光纖衰減和光纖保偏性能等光纖相關(guān)基本概念的理解，使學(xué)生掌握光纖端面制備、光纖NA值測(cè)量、光纖衰減的測(cè)量和光源與光纖耦合等實(shí)驗(yàn)技能，這些都是“光纖光學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)的核心知識(shí)點(diǎn)［5-6］。教學(xué)主要設(shè)計(jì)三個(gè)實(shí)驗(yàn)，分別是光纖數(shù)值孔徑測(cè)量實(shí)驗(yàn)、光纖衰減系數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)和光纖與半導(dǎo)體光源耦合實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)與知識(shí)點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

（一）實(shí)驗(yàn)一：光纖數(shù)值孔徑測(cè)量實(shí)驗(yàn)

數(shù)值孔徑是光學(xué)系統(tǒng)收集光的能力的度量標(biāo)準(zhǔn)，是光纖重要的性能參數(shù)之一。光纖數(shù)值孔徑測(cè)量實(shí)驗(yàn)首先要完成光纖端面的制備，然后采用兩種方法測(cè)量三種不同光纖的數(shù)值孔徑。第一種方法是旋轉(zhuǎn)法，即通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)，改變光束入射角，記錄不同旋轉(zhuǎn)角度下的輸出光功率值，以此測(cè)量光纖的數(shù)值孔徑。第二種方法是光斑直徑法，即測(cè)量光纖輸出端到白屏的距離以及光斑直徑，根據(jù)數(shù)學(xué)三角關(guān)系計(jì)算得到光纖數(shù)值孔徑大小［7］。該實(shí)驗(yàn)旨在讓學(xué)生掌握光纖端面制備技能，以及測(cè)量光纖數(shù)值孔徑的原理和方法，通過(guò)對(duì)比不同光纖的數(shù)值孔徑與最大接收功率，深刻理解光纖數(shù)值孔徑的物理意義。

（二）實(shí)驗(yàn)二：光纖衰減系數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)

光纖衰減系數(shù)是光纖重要的性能參數(shù)，在很大程度上決定了多模和單模光纖通信的中繼距離。通用的測(cè)量方法為截短法。首先，將激光耦合到一段較長(zhǎng)的光纖中，用線(xiàn)性響應(yīng)的探測(cè)器測(cè)量傳輸?shù)焦饫w遠(yuǎn)端的功率；其次，截去后端一定長(zhǎng)度的光纖，測(cè)量剩余的光纖所傳輸?shù)墓β剩蛔詈螅盟p系數(shù)公式計(jì)算得出光纖衰減系數(shù)。該實(shí)驗(yàn)旨在讓學(xué)生繼續(xù)練習(xí)并熟練掌握光纖端面制備操作，初步掌握光纖與光源耦合技能，理解光纖衰減系數(shù)的物理意義，掌握使用截短法測(cè)量光纖衰減系數(shù)的方法［8］。

（三）實(shí)驗(yàn)三：光纖與半導(dǎo)體光源耦合實(shí)驗(yàn)

在光纖與半導(dǎo)體光源耦合實(shí)驗(yàn)中，首先測(cè)量氦氖激光器和半導(dǎo)體激光器輸出激光的發(fā)散角，利用偏振片測(cè)量半導(dǎo)體激光器輸出激光的偏振態(tài)，然后使用漸變折射率棒狀透鏡對(duì)光源與光纖進(jìn)行耦合。調(diào)節(jié)光源和光纖相對(duì)GRIN棒狀透鏡的位置，優(yōu)化耦合效率，并利用偏振片測(cè)量激光通過(guò)光纖傳輸后的偏振態(tài)。該實(shí)驗(yàn)旨在讓學(xué)生掌握光源與光纖耦合的實(shí)驗(yàn)技能；比較光纖分別與氦氖激光器輸出激光和半導(dǎo)體激光器輸出激光的耦合效率；使用F-IRCI紅外感光卡片觀察激光輸出，測(cè)量平行和垂直于二極管結(jié)寬度的光束寬度，使用該數(shù)據(jù)和到器件的距離來(lái)計(jì)算激光發(fā)散角；理解耦合過(guò)程中激光發(fā)射角對(duì)耦合效率的影響；通過(guò)測(cè)試光纖傳輸后激光的偏振度變化，分析光纖對(duì)在其中傳輸?shù)募す馄駪B(tài)的影響。

二、“光纖光學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”系統(tǒng)及傳統(tǒng)教學(xué)存在的問(wèn)題

在實(shí)驗(yàn)一中，旋轉(zhuǎn)法使用的是某公司的轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)，刻度為2°，精度不夠高，學(xué)生在旋轉(zhuǎn)操作及讀數(shù)時(shí)容易產(chǎn)生較大誤差；在光斑直徑法測(cè)量光纖數(shù)值孔徑時(shí)，通常使用直尺手工測(cè)量光纖到白屏的距離，以及白屏上光斑的直徑，測(cè)量效率低且誤差較大。

在實(shí)驗(yàn)三中，半導(dǎo)體光源具有較大的發(fā)散角（約15°×30°），為了使學(xué)生更好地了解半導(dǎo)體激光光源，學(xué)生需要測(cè)量半導(dǎo)體光源的光束特性。常用的方法是使用紅外感光片觀察激光輸出，在光束的路程上以方便觀察的距離放置感光卡片，測(cè)量平行和垂直于二極管結(jié)寬度的光束寬度，計(jì)算其發(fā)散角。然而，采用感光卡片測(cè)量光斑的尺寸誤差較大，計(jì)算激光器發(fā)散角時(shí)誤差也較大，不利于學(xué)生準(zhǔn)確地了解半導(dǎo)體激光器的發(fā)光特性。

在課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，教師僅通過(guò)課堂提問(wèn)，無(wú)法及時(shí)快速掌握學(xué)生的預(yù)習(xí)情況；在課中教學(xué)環(huán)節(jié)，多是以教師為中心的教學(xué)模式，即由教師講解實(shí)驗(yàn)原理及操作步驟后，學(xué)生對(duì)照講義按章操作，且一般每個(gè)實(shí)驗(yàn)幾組學(xué)生同時(shí)進(jìn)行操作，教師難以觀察到每名學(xué)生的每個(gè)步驟是否規(guī)范；課后，一些學(xué)生只是照搬講義中的實(shí)驗(yàn)步驟，僅添加一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后沒(méi)有進(jìn)行進(jìn)一步拓展性思考和實(shí)踐。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程缺乏主動(dòng)性和創(chuàng)新性。課程結(jié)束后，教師也難以追蹤掌握每一名學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

三、“光纖光學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”系統(tǒng)及教學(xué)方法改進(jìn)

（一）更換新的光學(xué)元器件，提高操作效率和測(cè)試精度

光纖數(shù)值孔徑測(cè)量實(shí)驗(yàn)的兩種方法均可采用精密度更高的光學(xué)元器件，提高實(shí)驗(yàn)效率及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精度。在采用旋轉(zhuǎn)法測(cè)量光纖數(shù)值孔徑的實(shí)驗(yàn)中，將某公司的轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)替換為該公司另一款高性能旋轉(zhuǎn)臺(tái)，如圖2所示。該旋轉(zhuǎn)臺(tái)刻度為1°，可通過(guò)手動(dòng)旋轉(zhuǎn)的精密鏜孔軸承實(shí)現(xiàn)360°連續(xù)粗略平移，同時(shí)結(jié)合千分尺或100 TPI微調(diào)螺釘切向驅(qū)動(dòng)5°范圍的精細(xì)調(diào)節(jié)，提高光纖與光源的相對(duì)角度的調(diào)節(jié)精度，使測(cè)量更加準(zhǔn)確。

在采用光斑直徑法測(cè)量光纖數(shù)值孔徑的實(shí)驗(yàn)中，將普通白屏替換為光斑質(zhì)量分析儀，如圖3所示，以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光光束的光斑大小、形狀和能量分布等參數(shù)進(jìn)行全面的測(cè)試及分析，取代手工測(cè)量；新增某公司的精密燕尾型光學(xué)導(dǎo)軌，如圖4所示。將光斑質(zhì)量分析儀及光纖固定架放置在導(dǎo)軌上，可通過(guò)導(dǎo)軌上的刻度快速讀取光斑到光纖端面的間距，同時(shí)通過(guò)光斑質(zhì)量分析儀高效精確地讀出光斑尺寸。同樣，在實(shí)驗(yàn)三中獲取光源發(fā)散角時(shí)，使用光斑質(zhì)量分析儀取代紅外感光卡片。光斑質(zhì)量分析儀除了能快速測(cè)量、實(shí)時(shí)監(jiān)控光斑形狀及變化以外，其更高的分辨率也使光斑測(cè)量的準(zhǔn)確度大幅提升。

（二）采用云班課軟件，構(gòu)建線(xiàn)上線(xiàn)下混合式教學(xué)

云班課是北京智啟藍(lán)墨信息技術(shù)有限公司推出的一款免費(fèi)的課堂互動(dòng)教學(xué)App，可實(shí)現(xiàn)教師與學(xué)生之間的即時(shí)互動(dòng)、資源推送和作業(yè)任務(wù)布置等多種功能，實(shí)現(xiàn)教師對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)行為記錄和學(xué)習(xí)的過(guò)程性考核，為教師提供高質(zhì)量的教學(xué)研究大數(shù)據(jù)［9］。

課前，教師上傳“光纖光學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”P(pán)PT、講義和微課等資料，便于學(xué)生通過(guò)手機(jī)或電腦隨時(shí)查看并下載相關(guān)資料進(jìn)行課前預(yù)習(xí)及自主學(xué)習(xí)，且除了傳統(tǒng)的講義以外，教師可以上傳發(fā)布一些實(shí)驗(yàn)原理介紹及與實(shí)驗(yàn)操作相關(guān)的微課視頻，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；通過(guò)發(fā)布課前測(cè)試題，便于教師查看學(xué)生的答題情況，及時(shí)了解學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，調(diào)整授課側(cè)重點(diǎn)。

課中，基于學(xué)生已通過(guò)豐富的資料較好地完成了實(shí)驗(yàn)課程預(yù)習(xí)任務(wù)，學(xué)生有更多的時(shí)間進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容以外的拓展思考及探索，方便教師更有針對(duì)性地解決學(xué)生在實(shí)際操作中存在的問(wèn)題。教師可根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作及完成情況在云班課中進(jìn)行課堂表現(xiàn)考核評(píng)分。

課后，教師發(fā)布提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告任務(wù)，要求學(xué)生在云班課中提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，便于教師進(jìn)行查看并評(píng)分；教師還可在云班課中發(fā)起頭腦風(fēng)暴及討論答疑，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行拓展性思考，解答學(xué)生的問(wèn)題，進(jìn)一步幫助學(xué)生加深對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解。在課程結(jié)束后，教師可以使用導(dǎo)出/報(bào)告功能，查看并下載每名學(xué)生各項(xiàng)活動(dòng)的得分情況，全面掌握每名學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)分析與總結(jié)；同時(shí)，教師還可設(shè)置教學(xué)調(diào)查問(wèn)卷，了解學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和建議等，將此作為改進(jìn)教學(xué)方法的參考。

（三）采用項(xiàng)目研討式教學(xué)，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和實(shí)驗(yàn)技能的掌握

采用項(xiàng)目研討的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，即每個(gè)實(shí)驗(yàn)作為一個(gè)項(xiàng)目，3～4人為一個(gè)項(xiàng)目組，指定一名學(xué)生為項(xiàng)目組組長(zhǎng)，做好分工協(xié)作。在每個(gè)實(shí)驗(yàn)動(dòng)手前，通過(guò)項(xiàng)目組討論確定實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)步驟，并向授課教師匯報(bào)；授課教師判斷實(shí)驗(yàn)方案的可行性，指出考慮不到位的地方，并提出思考問(wèn)題和注意事項(xiàng)。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，項(xiàng)目組整理、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，形成實(shí)驗(yàn)結(jié)論，回答授課教師提出的思考題，總結(jié)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，從而達(dá)到強(qiáng)化知識(shí)點(diǎn)理解和實(shí)驗(yàn)技能掌握的目的。

結(jié)語(yǔ)

光纖基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是后續(xù)光通信實(shí)驗(yàn)和光纖傳感實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，是學(xué)生進(jìn)一步理解和掌握“光纖光學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”課程基本概念的重要途徑。本文分析了當(dāng)前“光纖光學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)中存在的主要問(wèn)題，圍繞基本概念和實(shí)驗(yàn)技能優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，促使三個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K前后呼應(yīng)、層層深入，不斷強(qiáng)化學(xué)生對(duì)核心知識(shí)點(diǎn)的掌握，同時(shí)，提出采用精度更高的旋轉(zhuǎn)臺(tái)及導(dǎo)軌系統(tǒng)等，提高操作效率及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精度。在教學(xué)方法上，提出引入云班課軟件，加強(qiáng)教師對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)課程的全過(guò)程追蹤，提升教學(xué)效果；同時(shí)，采用項(xiàng)目研討式教學(xué)，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生對(duì)核心知識(shí)點(diǎn)的理解和實(shí)驗(yàn)技能的掌握。

（課題組成員：萬(wàn)晶、賈永雷、梁永輝、劉進(jìn)、楊慧哲、譚中奇）

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Optimization Design and Discussion on Teaching Scheme of Fiber Optics Basic Experiment

WAN Jinga，b， JIA Yong-leia，b， LIANG Yong-huia，b， LIU Jina，b， YANG Hui-zhea，b

（a. College of Advanced Interdisciplinary Studies， b. Nanhu Laser Laboratory， National University of Defense University， Changsha， Hunan 410073， China）

Abstract： Basic experiment of optical fiber optics is one of the important core courses for undergraduate students in optical information science and engineering and graduate students in optical engineering. In this paper，the main problems in the fiber optics basic experiment are analyzed firstly， and its main teaching contents are optimized according to the core knowledge points and teaching objectives of the course. Through replacing optical elements with higher accuracy， the adjustment efficiency and read-out resolution of optical elements are improved. At the same time， moso teach is used to strengthen the linkage before and after class， and the whole process of experimental teaching is tracked in time to achieve the purpose of improving the teaching effect. The project discussion teaching method is adopted to mobilize the students’ subjective initiative to participate in the experiment.

Key words： fiber optics; experimental teaching; moso teach