大学“光纤通信系统”课堂教学的学生创新能力培养研究

谷 平，谌 静，李培丽

(南京邮电大学 电子与光学工程学院、微电子学院，江苏 南京 210023)

0 引言

信息化时代的大发展深刻变革了人类的生产生活方式，随着以“人工智能”为代表的智能化时代浪潮的袭来，一个国家对核心技术的掌控，所集聚的创新“势能”将决定一个民族的未来命运和发展进程[1]。当今世界，我国所面临的国际环境极其复杂，国家间的利益之争也日趋激烈，为了应对复杂的国际环境，保证国家持续发展的“动能”，党的十八大明确将科技创新置于国家发展全局的核心位置，提出“坚持走中国特色自主创新道路、实施创新驱动发展战略”。实施创新驱动发展战略的根本保证在于自主创新人才的培养，而高校作为为国家培养和输送人才的主阵地，必须把培养青年学生的创新能力作为主要目标之一。目前众多高校制定了多种方案和计划来培养学生的自主创新能力，例如通过开设实践课程来培养学生的实践创新能力、鼓励学生参加国际级和省级的创新创业大赛等均取得了很好的效果[2]，但是我们也注意到目前学生创新能力培养的力度和广度还仍然不够，大学课堂作为学生获得知识和技能的主要渠道，同样理应成为培养其创新能力的主阵地。本文以“光纤通信系统”这门课为例探讨知识传授和创新能力培养一体化的教学方法。

1 转变教师的教学观念

大学课堂是学生获取知识、掌握技术和培养创新能力的主阵地，而教师却是这块主阵地的设计者和引导者。教师扮演的角色既是导演和编导，又是表演者，因此教师的教学理念、水平的高低、教学方式与方法等的采用直接影响到学生的学习兴趣和能力培养。在众多因素之中，教师的教学理念转变又是最关键和首要的因素：首先，信息化和智能化时代的到来对人才培养提出了新的要求，尤其是其创新能力的培养，这就要求教师转变固有的机械传授书本知识的传统做法，通过介绍最新的研究成果，做到教学与科研相结合，从而培养学生的兴趣和启发学生的创新意识；其次，现在的学生是伴随着信息化时代成长起来，学生具有很强的获取信息的能力，因此传统的教师主讲、学生主听的教学理念和模式需要变革，这也要求教师变革教学理念，通过教学设计，使学生更多参与课堂教学，形成师生良好互动的教学氛围，进而培养学生的学习主动性和发散思维能力；最后，教师教学理念的转变也是自身发展的内在需求，我们需要清楚地认识到作为新时代大学课堂上的教师，自身确是传统教育理念和模式培养出来的人才，深受传统教育思维和理念的影响，因此为了培养新式的人才，教师本身需要学习、需要变革传统的不适应时代发展要求的教育理念。特别指出的是在“新冠”疫情席卷全球的背景下，教师掌握“雨课堂、腾讯课堂/会议、QQ课堂”等线上教学方式/方法也是必须具备的新技能之一。

2 发挥课堂的主渠道作用

课堂教学是培养学生创新能力的主渠道和主阵地，具有平台效应和载体作用。在未来课堂教学实践中培养学生的创新能力应着重关注以下几个方面：

2.1 树立以“提高学习兴趣”为核心的教学指导思想

孔子云：“知之者不如好之者，好之者不如乐之者”。远古先师认为兴趣是最好的老师，是学习动机中最具创造性和最有活力的部分，也是促进学习最根本的内在驱动因素[3]。因而，学习兴趣的激发也是培养创造创新能力的内在重要因素。在“光纤通信系统”这门课中对学生兴趣的激发主要体现在以下3个方面：第一，这门科非常重要和实用，信息化、智能化时代的深入发展必然以光纤为基础的大容量、高速率通信为基础，这就允许教师通过生动的例子来讲授这门课，激发学生的学习兴趣；第二，这门课安排了软件模拟实验环节，可以让学生掌握初步的光纤通信系统的设计能力，做到书本所学知识与实践能力相结合；第三，“光纤通信”代表了通信未来数十年的发展方向，学生通过学习可以掌握实用的知识，明确未来职业规划，找到一份不错的工作。

2.2 引导学生发现问题、鼓励学生提出问题

在课堂教学中对学生创新思维和能力的培养实际上就是以“发现问题-提出问题-解决问题”为主线的科研思维的训练。创新性思维往往具有独创性、发散性和流畅性等特点[4]。因而在课堂上引导学生自主发现问题就是培养创新思维和能力的开始。例如光纤的损耗对于光波传输距离的限制，对于光纤通信系统的设计和系统成本控制非常重要。在讨论光源的入纤功率(Pin)，出纤功率(Pout)，光波传输距离(L)和光纤损耗(α)的问题上通常有两种方法：

方法一：利用光功率随传输距离的指数衰减关系入手，如：

Pout(W)=Pin(W)exp[-α(l/km)×L(km)]

(1)

所以

(2)

方法二：通信中常用的方法如下：

Pout(dBm)=Pin(dBm)-α(dB/km)×L(km)

(3)

所以

L(km)=[Pout(dBm)-Pin(dBm)]/α(dB/km)

(4)

其中，方法(一)中功率的单位为瓦特(W)，功率的指数衰减关系对于同学们也非常熟悉。方法(二)中功率的单位为分贝每毫瓦(dBm)，这一单位对于非通信专业的学生则非常陌生，但是Pout,Pin,L和α几个参量之间仅仅是简单的加减乘除关系，则非常简单。对于一根光纤，方法(一)和方法(二)的求解都非常方便，方法(一)仅仅在计算上进行指数(式1)和对数运算(式2)，稍显复杂。

此时就要引导学生，一个光纤通信系统不仅仅包含光纤，还包括一些连接器等部件，这些部件也存在损耗，其单位通常为分贝(dB)，并且仅仅与部件的个数有关，与传输距离无关，通过引导学生就会发现方法(一)在求解整个光纤通信系统的功率损耗和传输距离时就显得极其复杂，因而如何求解整个光纤通信系统的Pout,Pin,L和α之间的关系就是一个非常好的问题。对于学生发现了问题要及时给予表扬，激发学生分析分析和解决问题的兴趣和动力。

2.3 教给学生正确分析问题的方法

引导学生发现问题并鼓励他们提出问题之后，教给学生正确分析问题的能力和方法则是培养创造创新能力的关键。首先可以通过学生之间的讨论让学生明白为什么方法(一)在求解整个光纤通信系统的功率损耗和传输距离问题时会非常复杂，参量之间的转换也非常多，其症结在于功率项的单位瓦特(W)和损耗的单位为分贝(dB)之间不一致，导致参量之间的转换非常复杂，此时公式(1)即方法(一)的意义也不再直观，引导学生找到问题的症结，培养学生正确分析问题的能力和方法对于找到解决这一问题的方法就非常关键。

2.4 培养学生解决问题的能力

引导学生主动发现/提出问题是培养创新思维和能力的开始，教给学生正确分析问题的方法，找到问题的症结则是训练创新思维和能力的关键，而培养学生解决问题的能力则是培养创新思维和能力的最终目标。正确分析了提出的问题之后，将功率项和损耗项的单位转为一致就是解决问题的最佳办法，将入纤功率(Pin)和出纤功率(Pout)转化为以分贝为单位已有确定的公式，如何将衰减系数(α)也转化为分贝的单位就是解决问题的关键，要求学生独立推导。损耗系数α以dB/km和1/km的关系为：

α(dB/km)=4.343α(l/km)

(5)

由式(5)可以进一步推导出以dBm为单位的功率，衰减系数之间的关系，如方法(二)所示，方法(二)中的公式(3)和式(4)中的物理量仅仅为简单的加减乘除关系，此时不仅计算非常方便、公式的意义也非常清晰。即便光纤通信系统中有更多的损耗项，只是需要在损耗项中减去即可，计算非常简便，这种方法就非常适合计算光纤通信系统中的功率损耗及传输距离等重要问题。通过不同解体方法的转变，就可以引导学生发现问题、提出问题，培养他们正确分析和解决问题的能力，也可以让学生明白分贝(dB)这个单位在通信中具有非常重要的意义，掌握最重要的物理概念。相比较于机械的学习知识，学生在这部分参与较多，能够真正牢固掌握这部分知识，以便灵活运用于光纤通信系统的设计中。

需要指出的是培养创新性人才并不仅仅是研究生教育的任务，在大学课堂，利用教师多年养成的科研素养并且有意识地利用一些知识点引导和培养学生“发现/提出问题—分析问题—解决问题”的能力，形成严密的科研逻辑思维，同样能够很好地激发学生的创新意识、训练学生的创新思维和达到培养学生创新能力的目的，为学生的职业发展或者未来的研究生教育打下良好的基础。

3 结语

总之，培养具有创新能力的高端人才是现代教育的核心目标，也是国家创新驱动发展战略的迫切需求。但是其过程应该循序渐进，需要国家加大投入，建设实践教育基地，为学生提供良好的实践机会；需要教师和学生形成良好的互动，共同努力；需要广大一线教师广泛地、彻底地转变教育理念，充分利用课堂教学来激发学生的学习兴趣，利用课堂知识点有针对性培养学生“发现/提出问题-分析问题-解决问题”为主线的严密科研逻辑思维，最终培养具有创新性思维和能力的高素质人才，为国家的发展战略服务，为社会主义现代化建设服务。