光通信原理课程教学探索与实践

王 丹，李治艳，黄仙山

(安徽工业大学 数理学院，安徽 马鞍山 243002)

光通信原理是一门介绍光纤通信理论和技术的基础课程，为光电信息类专业课程教学的必修课之一。目前光通信原理课程教学主要分为光纤传输原理与传输特性、光通信器件、光纤通信系统及光网络等四大模块[1]。该课程为光电信息类专业基础课程，是一门多学科交叉渗透的专业课，其综合了通信、光波导和半导体光电子等相关理论，因此课程内容具有理论知识深、涉及内容广、综合性强及实践性、知识更新快等特点。从教学实践来看，主要存在如下几个方面的问题：(1)教学内容多但课时有限，光通信原理课程为32学时，但涉及的知识点十分丰富。(2)学生听课时感觉光通信原理课程中有很多知识点比较抽象、难懂，特别是一些概念及原理。(3)学生很难将所学理论知识和实际应用结合起来，达到融会贯通及灵活应用的效果。(4)学生感觉光通信原理课程太枯燥乏味， 因此导致学生学习兴趣不足，影响该课程的学习效果。(5)教材上知识内容的更新速度已赶不上实际光通信的发展,学生不清楚所学的知识与社会需求之间的联系, 缺乏学习的动力。针对以上问题，在教学过程中，我们尝试以下措施来提高学生的学习兴趣，提高教学的效果。

一、采用多媒体教学方法，引入Flash 动画及视频

光通信原理课程包括光纤传输原理与传输特性、光通信器件、光纤通信系统及光网络等内容。该课程涵盖知识点内容丰富，但课时有限。同时光通信原理课程又是一门多学科交叉渗透的专业课，增加了教师授课的难度。采用传统的教学方法，难以实现对课本内容进行深入的讲解，很难达到预期的教学效果。借助一块黑板，教师无法将所有知识点呈现给学生，在教学过程中需要进行一定的取舍。将多媒体应用到光通信原理课程教学中能够有效改善这种教学现状, 极大地提升教学效果和教学质量。采用多媒体教学方法，可以在有限的教学时间内将知识点以更强的逻辑，形象直观的方式呈现给学生，增大教学知识的传输量，从而提高教学质量。

光通信原理课程中有很多抽象知识点比较难懂，利用Flash动画使原来教材中的一些图片由静态变动态, 把枯燥的知识和生动的情景有机结合起来，使其形象化展现, 从而加强学生理解和提高学生学习兴趣。例如在教材第二章“光纤的传输原理及特性”中讲到的“光纤”器件，其结构十分复杂，且学生在日常生活中很难看到。此时我们可以利用课件分层次对光纤中各结构及光纤制作进行形象的展示，使学生通过动画充分地了解光纤相关知识点，在加深理解的同时可以拓宽知识面，起到事半功倍的效果。还有分布反馈激光器、雪崩光电二极管、光隔离器、波分复用器及放大器等这些器件，在光通信系统中是至关重要的。但在实际生活中却很难被学生看到，此时通过多媒体演示的方式可以将具体的实物直观展现在学生面前，还能够通过动画方式对器件的工作原理和应用进行具体展示分析。例如检测器中重要的部件雪崩光电二极管，通过动画形式可以生动地显示其工作原理，并使学生深刻了解其与本征光电二极管的区别，提升学生学习效果。采用多媒体动画可以帮助学生形象直观地理解光通信原理的专业知识，同时添加动画可以吸引学生的注意和活跃课堂气氛，从而增强教学的效果.

二、加强理论知识的实际应用，巩固课堂理论教学效果

传统的光通信原理课程教学的重点是光纤的传输理论、光通信系统组成及光通信的关键技术，但教材上知识内容的更新速度已赶不上实际光通信发展[2]。光通信发展的速度和规模超出想象，新的理论和技术不断产生和发展。教材中现有的新技术主要包括光波分复用WDM技术、光孤子技术和相干光通信、光接入网等，这几种技术有的已经相当成熟，但是很多新出现的技术及器件教材中还没有涉及到。在光通信原理课程教学中，可以将光通信相关领域的最新研究成果及动态介绍给学生，这样可以激发学生学习热情，启发学生的思维，达到与时俱进的目标。同时可以鼓励学生利用课外时间进行光通信相关书籍及文献的查阅，对与实际光通信发展相关的专题进行研究。另外，可以增加研讨课，引导学生采取分组合作的方式进行调研，让学生课下收集光纤通信新技术的内容,通过学生做报告或撰写综述的方式提交，这种方法调动了学生的学习热情，增进了学生之间的交流以及师生间的互动，提高他们分析和解决问题的能力。采用讨论课的方式可以为学生的积极参与创造条件，同时可以引导学生自主去思考、去探索、去发现。在光通信原理教学中，也可以将实际工程应用内容引入到课堂讲解中，加深学生对光通信系统组件应用的理解[3]。采用以上加强理论知识实际应用的方式，可以开阔学生的视野及拓宽学生的知识层面，同时可以培养学生自主调研及团队协作的能力。

三、可视化教学

OptiSystem 仿真软件是一个基于实际光通信系统的模拟平台，由于其具有强大的模拟环境和实现真实光通信器件的构建，因此可以辅助光通信原理课程进行教学，实现教学的可视化[4]。该仿真软件可以形象地展示光通信系统器件,如激光器、放大器、光环形器等，并且可以仿真教学知识点中一些难理解的光学现象及基础的光通信实验。在光通信原理课程中应用该仿真软件，可以使抽象的知识和现象形象化,加深学生的理解及认识，激发学生的学习兴趣。

半导体激光器和半导体发光二极管为光通信系统中极其重要的光源器件。其中半导体激光器由于其具有谱线线宽窄、发散角小等特性，广泛应用于长距离、高速波分复用WDM系统；而半导体发光二极管由于功率低、发散角大、色散明显等原因，主要应用于短距离、低速通信系统。可以在光通信原理课程光源教学环节引入OptiSystem软件，对半导体激光器和半导体发光二极管的发射性能进行仿真。通过改变光纤长度等参数，观察波形图传输的脉冲光信号功率及脉冲展宽，比较两种光源的特性。加深学生对光通信系统中光源知识点的理解，并可以使学生在课堂上对软件仿真结果进行讨论，活跃课堂气氛，增加学习兴趣。

光纤色散主要由于光波中的不同频率分量以不同速度传输而产生不同的时间延迟，从而引起传输信号波形失真、脉冲展宽的现象。色散是光纤理论讲解中比较重要的部分，可以在光通信原理教学讲解部分引入OptiSystem软件进行色散仿真。在软件仿真平台，选择合适的光源，连接高斯光脉冲产生器，进行光纤传输，通过光时域观察仪进行仿真结果观察。通过设置不同的光纤长度或传输速率，使学生观察光脉冲形状的变化。通过软件仿真，可以使抽象的概念直观地展现在学生面前，使学生直观形象地理解色散的概念及影响色散的因素，从而加深对知识点的理解。

在光通信原理教材中，波分复用技术的定义是：波分复用(WDM)技术是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术[5]。而学生从定义上并不能完全理解波分复用概念的具体含义，这时我们可以使用OptiSystem软件在模拟平台上形象地搭建WDM系统的仿真模型，并且通过仿真软件平台的功率谱分析仪和眼图分析仪使学生判断分析搭建的仿真WDM系统的性能。通过OptiSystem软件辅助教学，可以使学生更直观形象地理解光通信系统的结构及各部分器件，实现教学的可视化[6]。同时采用该软件可以对光通信器件参数进行设置与仿真, 通过改变相关参数用频谱仪，功率谱分析仪和眼图分析仪观察波形变化, 加深学生对波分复用概念和光学现象的理解。

四、利用网络资源开拓视野

在光通信原理课程教学中，可以引入课程相关内容的精品视频，强化学生的学习效果[7]。目前，国内很多大学都建立了光通信精品课程，深受广大学生推崇。例如，中国大学MOOC平台国防科技大学马东堂等开设的国家精品课“通信原理”，南京邮电大学沈建华开设的国家精品课“光纤通信”等。引入这些优秀的网络教程，可以使学生所学内容不局限于课堂教学，加深对课程知识点的理解，唤起学习兴趣，拓展知识视野。

通过建立光通信原理课程教学网站，开展线上教学。教学网站上不仅包括光通信教学视频及课件，还包括光通信相关领域的最新研究成果和动态，另外还可以添加国内光通信相关精品教学资源链接。这不仅可以丰富学生的知识，同时通过了解光通信相关领域的最新研究成果和动态，可以让学生了解所学的知识与社会需求之间的联系, 从而激发学生学习的动力。

五、结 语

光通信原理课程教学通过改革，学生的学习兴趣确有明显提升，同时课堂气氛也活跃起来。特别是将Optisystem 仿真软件融合到课堂教学中，使枯燥的理论概念直观生动，明显调动了学生的积极性和学习兴趣，激发了学生的学习热情。