光纤通信原理课堂教学改革探索

枣庄学院光电工程学院 王学勤 郑艳彬

为了改善光纤通信原理课程的教学效果，针对课程涉及的学科领域多、知识点分散、理论性强等特点。从宏观角度在教学中始终沿着“提高光纤通信系统传输容量”这一目标作为主线，并将课程内容按学习角度的不同划分为四个模块，帮助学生构建课程知识体系。为了帮助学生理解具体知识点，通过知识点与生活实例相关性的挖掘，“以其知之，喻其不知”。引入OptiSystem软件开展辅助教学，在仿真实验中提出问题，讲解知识，分析原因，巩固教学效果。以上教学改革方法在教学实践中开展了应用，取得了较好的效果。

光纤通信原理是一门讲授光纤通信系统组成、各部分工作原理、以及数字传输体制、光波分复用技术和数字光纤通信系统性能评价方法的课程。该课程是枣庄学院通信工程专业、光电信息科学与工程专业的重要专业课程，是这两个专业学生构建完整的专业知识体系的重要组成部分。该课程涉及到通信原理、大学物理、模拟电子技术、数字电子技术、光纤光学、半导体物理等多个学科的理论知识，理论性强、知识点多且分散。学生容易在纷繁复杂的理论和众多的知识点面前产生畏难情绪，抓不住知识脉络的主线，难以达到较好的学习效果。为了解决这些问题，课程授课教师提出了“一个目标、四个模块”的理念，帮助学生梳理课程体系，使学生从宏观角度对课程实现一个全面的把握。采用“以其知之，喻其不知”的方法，帮助学生理解各个知识点。采用OptiSystem软件开展辅助教学，通过仿真演示，提出问题、分析问题、解决问题的方法，在解决问题的过程中学习知识和思路，并对对所学知识进行验证巩固。

1 课程宏观设计理念

1.1 “一个目标”作为课程主线

为了帮助学生从宏观上掌握知识体系。提出了光纤通信原理课程学习的一个目标—“提高光纤通信系统的传输容量”，即提高信息的传输距离和传输速率。整个课程各个章节的学习都是围绕着这一目标开展的。“光纤与光缆”这一章的教学中，讲授光纤的损耗、色散、非线性等传输特性，是为了降低光纤的损耗、色散、非线性对光纤通信系统的传输距离和传输速率的影响。“光源”这一章中，为什么要从最初的半导体发光二极管发展到半导体激光器，半导体激光器从多纵模FP腔激光器发展到分布反馈布拉格光栅激光器，再到量子阱激光器都是为了降低光源的谱宽，从而降低色散对光纤通信系统容量的影响。同时，从半导体发光二极管到量子阱激光器，也提高了发光效率，增加了光源功率，进而提高了光纤通信系统的传输距离。“光检测器”这一章中，提高光检测器的响应度是为了增加传输距离，提高光检测器的响应速度是为了提高信号的传输速率。“光放大器”的引入也是为了增加光纤通信系统的传输距离。“数字传输体制”这一章中的时分复用技术通过在一个波长信道上降低每个比特占用时间片的长度，提高光纤通信系统的传输速率。波分复用技术通过在一根光纤中建立多个波长信道提高系统的传输容量。将“提高光纤通信系统的传输容量”这一个目标在第一节讲授光纤通信发展历程时提出，在以后各章的讲授中始终紧扣这一目标，使学生能够更好地把握课程的主线，帮助学生把各章学习的知识点落实在这一条主线上，提高学生从宏观角度贯穿把握课程内容的能力。

1.2 “四个模块”划分明确各部分的主要任务

为了帮助学生明确教材各章节的主要学习任务和学习目标。将各章节划分为四个模块，如表1所示，并将四个模块的学习角度进行类比，使学生更容易理解。把光纤通信系统比喻成一个人，第一个模块“光纤通信导论”好比从一个小朋友的角度看一个人，在小朋友眼中，一个人有一个脑袋一张嘴，两条胳膊两条腿。那么，通过本模块的学习我们需要掌握光纤通信系统的组成及各部分的基本功能，对光纤通信系统有一个概括的认识。第二个模块“光纤通信系统各组成部分的原理和特性”，相当于从医生角度看一个人，需要了解人体各个器官的工作原理。那么在这个模块我们需要学习光发送机、光纤线路、光接收机、光无源器件、光放大器等各部分的工作原理，从更深次的角度熟练掌握光纤通信系统各部分的功能是如何实现的。第三个模块相当于从教师的角度看一个人。从教师角度，我们看一个首先想到的是如何提升这个人的综合素质，把这个人培养称为一位德才兼备的人才。那么在该模块，我们在已经掌握光纤通信系统基本组成和各部分的工作原理的基础上，通过时分复用技术和波分复用技术进一步提升光纤通信系统的传输容量，提高光纤通信系统的工作能力。通过相干光通信技术进一步提高光纤通信系统灵敏度，通过光孤子技术进一步增加信号的传输距离。在这一部分学习的是如何提升光纤通信系统性能的技术方法。把第四个模块比喻成从用人单位的角度看一个人。用人单位看一个人需要德、能、勤、绩多个角度进行评估，是否能够胜任工作岗位。那么一个光纤通信系统，我们需要从哪些方面对其进行评估呢，如误码性能、可用性等，通过这些方面的评估，判断一个光纤通信系统能够胜任系统要求的工作目标。通过四个模块的划分和学习角度的类比，使学生明确各章节学习的主要任务。在完成各章节的学习后，也能够从学习者的角度自我检验是否达到了学习目标。

表1 课程模块划分及学习角度类比

2 课程微观实施理念

2.1 “以其知之，喻其不知”的运用

因光纤通信原理这门课程包含了多学科知识的综合运用，理论性较强，直接的理论推导学生理解有困难。特别是数学基础稍差的同学，容易产生畏难情绪。因此，充分挖掘知识点中与已有知识或者是生活中知识的关联和相似性，帮助学生理解知识点。例如，在半导体发光的物理基础部分，学习自发辐射、受激辐射、受激吸收等电子的能级间跃迁过程后，指出受激辐射过程和受激吸收过程都是在光子的激励下产生的，那么如果有一个光子入射到半导体材料中，请同学们考虑是发生受激辐射的概率大，还是产生受激吸收的概率大？部分学生会无法得出正确答案。此处举例进行类比，工科专业普遍男生多，女生少。老师如果随意往教室扔一个篮球，那么篮球扔到男生身上的概率大还是扔到女生身上的概率大？所有人都会知道扔到男生身上的概率大，因为男生多。那么，提示同学们，电子优先占据能量较低的轨道，所以热平衡状态下低能级的电子数多，高能级的电子数少。同学们就能够很容易理解，在热平衡状态下，入射光子与低能级电子相互作用，产生受激吸收的概率大。因此，要想在热平衡状态下，通过受激辐射效应制作光源，必须通过一些手段实现粒子数反转分布后，才能使受激辐射效应占优，才可能制作出激光光源。通过现实生活中例子的对比，学生很容易就理解了粒子数反转分布是产生激光的一个必要条件。

2.2 OptiSystem软件辅助教学

OptiSystem软件可实现物理层的器件级到系统级的光通讯系统设计。将该软件引入课堂教学中，一方面加强对所学知识的理解；另一方面，通过仿真实验结果的展示，提出问题，使学生在问题导向下开展有目的的学习，有利于提升学习效果。例如，在讲解光纤的损耗特性和色散特性之前，首先回顾导论部分介绍的光纤通信系统基本构成。采用OptiSystem软件建立一个基本光纤通信系统的仿真模型，如图1所示。通过模型的建立回顾光纤通信系统的基本组成，巩固知识点。通过光发送机输出端和光纤线路输出端的两台光功率计测试比较光信号进入光纤线路前和经过光纤线路后的光功率，向同学们展示经过光纤线路传输后光功率的变化，引出光纤传输中存在的信号衰减问题。然后请同学们思考光纤线路中产生信号衰减的原因。因同学们具有大学物理的学习基础，能够想到吸收引起的损耗和散射引起的损耗。在此基础上，进一步梳理介绍损耗产生的原因。通过光发送机输出端和光纤线路输出端的光示波器测量经光纤线路传输前后光时域波形的变化情况，请同学们观察信号的变化并思考产生原因。以分析光时域信号的变化为目标，带领学生学习光纤色散的概念、产生原因及对光信号及光纤通信系统的影响。OptiSystem的应用有效的强化了学生对知识点的认识，有利于促进学生对知识点的理解，并了解各知识点在光纤通信知识体系中的作用。采用误码率分析仪测试光纤通信系统眼图、Q因子和误码率。改变光纤通信系统参数，如光纤的长度，可进一步帮助学生理解光纤的损耗和色散对光纤通信系统性能的理解。

图1 基本的光纤通信系统

3 教学效果

通过在教学中抓住“一条主线”，划分“四个模块”，提高了学生对课程的宏观把握能力，增强了各部分教学内容间的内在联系。通过“以其知之，喻其不知”方法的运用，使学生更好的理解基本概念，也增加了课堂的趣味性。通过OptiSystem软件的应用，可以帮助教师提出要解决的问题，在问题导向下开展教学，加深学习印象，巩固所学知识。2020-2021学年在18级通信工程专业尝试上述教学改革措施，取得了一定的效果。18级通信工程专业对光纤通信原理课程的教学评教分数为93.06，相比于17级通信工程91.61的评教分数有了一定的提高。且学生评论中，有学生认为内容充实、简单明了，使学生能够轻轻松松掌握知识，如图2所示。说明了教学改革取得了较好的效果。

图2 学生对教学的评语

通过宏观上抓住“一条主线”，将各章节教学内容分成四个模块，帮助学生从宏观上把我课程内容。通过“以其知之，喻其不知”的运用，帮助学生理解知识点。运用Opti-System软件，在仿真演示中提出问题，在问题导向下开展学习，有利于加深学生对知识点的理解，巩固所学知识。上述方法在课堂教学中进行了运用，获得了学生的好评，学生评教分数也获得了提高。证明了课程改革措施的有效性。