融入思政元素的音频光传输实验系统仿真与实现

王现彬，高彦彦，赵翠俭

（石家庄学院a.机电学院；b.“工+匠”机电专业群课程思政中心，河北 石家庄 050035）

0 引言

光纤通信借助其超高速、超大带宽、高保密性、低成本等优势，成为5G、人工智能、物联网、大数据等新技术落地应用的关键助力因素，开设光纤通信课程为通信电子类行业培养应用型创新性人才成为高校共识[1-5].近年来国家逐步加大对高等教育投入力度，实验实训室升级改造在各高校如火如荼地展开.但光纤通信技术升级换代快、设备价格高，而高校实训室设备更新难以紧跟技术前沿，且大多是一些箱式实验环境，只能在试验箱上进行一些插拔式验证性实验，无法全面培养并拓宽学生实践创新能力.与此同时，部分专业教师在教授光纤通信知识时重理论、轻实践，造成学生所学与工程所用相差较远，不但打击了学生的学习积极性、降低了学生的就业竞争力，也致使企业培养及使用人才的成本升高[6-10].而限于专业特点，特别是在工科实验教学中，课程思政在实施过程中思政内涵与专业教学脱节严重.如何深化工科实验教学改革，深度融入课程思政元素，将学生培养成有理想信念和实践创新能力的应用型专业技术人才成为亟待解决的问题[11-16].

为进一步培养学生学习兴趣，提高学生创新能力，拓宽地方高校通信电子类人才培养模式，在“以虚促实、以实引虚、虚实兼顾、深度融合”的实验实训模式基础上，融入课程思政元素，利用光纤通信仿真结合硬件实现，全面提升学生学习兴趣和光纤通信实验实训效果，以较低的实验实训成本赋能学生创新能力提升，为地方高校应用型转型和培养有理想信念的创新型专业人才探索有效路径.

1 思政元素在光纤通信实验教学中的体现

课程思政是指在专业课教学过程中融入德育元素，以立德树人为根本，助力学生全面发展.而为落实教育部印发的《高等学校课程思政建设指导纲要》、河北省教育厅印发的《全面推进高等学校课程思政建设工作方案》及石家庄学院印发的《石家庄学院课程思政建设工作方案》，进行课程思政探索势在必行.机电类专业课程内容工程性强，特别是实验实践类课程，更是以应用为导向，强调学生实践动手能力的提升，故在该类课程中进行德育元素提炼和思政内容融入极具紧迫性.

光纤通信课程是石家庄学院立项的应用型建设课程和一流建设课程，在光纤通信实验教学中，教学团队逐步构建并完善了“以虚促实、以实引虚、虚实兼顾、深度融合”的实训模式，在该实训模式中将光纤通信仿真与硬件实现相结合，设计并引入以下几种实验实训内容：自动温度控制（ATC）仿真与实现、自动功率控制（APC）仿真与实现、音频光传输系统仿真与实现、视频光传输系统仿真与实现、复杂环境下环境参数光传输系统仿真与实现等.构建实验项目过程中教学团队深挖德育元素、整合思政要点，将思政内涵与专业教学深度融合，以润物无声的形式构筑全过程、全方位、全员育人格局.现以“自构建音频光传输实验系统的仿真与实现”为例进行说明，其思政元素与实验的结合过程如图1 所示.

图1 思政元素融入实验教学

在本项目体系中将实验教学分为实验内容引入、实验内容实施和实验结果分析3 个阶段.在实验内容引入时通过介绍我国目前光纤通信的发展概况及对大数据、云计算、虚拟现实、物联网、智能制造、5G 等新兴创新性业务的助力作用，使学生全面了解我国在新技术新产业的发展态势及通信的关键作用体现，以此激发学生的专业自豪感及爱国热情和家国情怀，体会到大国智造及工匠精神，进而激发学生学习通信专业的热情.而对于实验内容实施和实验结果分析中的思政元素融入通过后续章节进行论述.

2 音频光通信系统仿真设计及思政元素融入

2.1 实验设计说明

利用仿真方法可以在降低成本的基础上对实际系统进行前期验证，以优化和完善硬件实现，降低试错成本.在“自构建音频光传输实验系统的仿真与实现”项目实施过程中，首先借助光纤通信仿真软件Optisystem进行系统物理层仿真，以验证系统可实现性及有效性.Optisystem 将系统进行模块化设计，通过模块间连线实现系统互通.但Optisystem 只有“伪随机信号发生器”模块所产生的二进制信号来代表待传数据，无法将真实的音频信号引入到Optisystem 中进行仿真传输.为此引入通信中常用的数据处理与仿真软件MATLAB，以进行MATLAB 和Optisystem 的联合仿真.通过MATLAB 将真实有效的音频数据导入到Optisystem中，再利用Optisystem 进行光纤级系统传输.

基于上述思想将仿真实验分成环境熟悉、系统搭建、结果分析3 个过程，即首先熟悉MATLAB 和Optisystem 仿真环境及联合仿真方法，与此同时借助Optisystem 搭建光纤传输系统，再利用MATLAB 引入待传输语音信号，最终实现MATLAB 与Optisystem 的联合仿真，在此基础上分析仿真结果.详细过程如图2 所示.

图2 仿真实验流程

上述设计方式不但让学生熟悉了MATLAB 和Optisystem 等通信中常用的工具软件，也有效提升了学生的参与度与学习兴趣，为进一步培养学生实践创新能力奠定了基础.

2.2 实验内容分析

利用MATLAB 和Optisystem 所设计的音频光传输实验系统如图3 所示.在图3 中“MATLAB 组件”负责将MATLAB 中的音频数据载入到Optisystem 中.

图3 仿真系统框图

仿真时图3 中各模块参数设置如表1所示.表1 中所述各参数值与真实光纤系统较为接近，通过这种方式可以使学生接触并熟悉工程实际中遇到的模块参数问题，以达到所学即所用的效果.

图4 给出了图3 中A 和D 点的电波形及对应的频谱，所传输的语音信号为“你好”.其中图4（a）和（b）为传输前的电波形及对应的频谱，图4（c）和（d）为经10 km 传输后的电波形及对应的频谱.对比可以看出经过10 km 传输后，光纤信道内噪声及衰减对电信号影响较大，且经PIN 光电转换后PIN 内的噪声也会进一步影响到电信号，最终使得时域波形峰值功率降低、波形失真增大，与此同时，频谱也有相应的失真.图5 给出了B 和C 点的光波形及对应的光谱图，其中图5（a）和（b）为传输前的光波形及对应的频谱，图5（c）和（d）为经10 km 传输后的光波形及对应的频谱，分析结果与图4 类似.而在这里面也体现了量变所引起的质变，即随着传输距离的增大，噪声、衰减等积累逐渐增多（量变增多），系统性能也会逐渐变差（引起质变），进而将哲理性的内容自然地传授给学生.在实验时对学生进行了分组，这样就要求学生要默契配合、分工协作，从而在一定程度上培养了学生的团队协作意识和创新精神，为以后参加工作并能更好地融入团队和环境提供了锻炼机会.在实验内容实施阶段，也都需要学生认真设计、积极调测、反复排查、精心分析，否则难以实现最终结果，通过这种方式，培养了学生的敬业精神和科学严谨的求学及科研态度，也进一步树立了学生的工程伦理和职业素养.

图4 传输前的（a）电波形和（b）电频谱；传输10 km 后的（c）电波形和（d）电频谱

图5 传输前的（a）光波形和（b）光频谱；传输10 km 后的（c）光波形和（d）光频谱

为进一步提升学生分析问题解决问题能力，在本项目中为学生预留了若干个思考问题，如分析系统信噪比与传输距离对应关系、分析系统眼图等，通过问题驱动的方式使学生学习更加深入、分析更为透彻，强化了学生对相关参数的认识并提升了学生分析解决问题的能力.在这一过程中学生也能将所学专业知识融会贯通，使理论学习与仿真分析高度融合.

3 音频光通信系统硬件实现及思政元素融入

通过前期仿真实验，学生对音频信号在光纤系统中的传输有了清晰的认识，并对光纤通信系统相关参数及传输性能分析有了全面理解.但该过程仍处于理论阶段，学生尚缺少对真实系统的感知，无法全面提升学生实践动手能力及工程意识，与学校应用型人才培养的定位存有差距.为向所学即所用这一目标靠拢，增加了硬件实现环节.考虑到实验成本，将学生每两人分一组，通过原理图设计、电路系统焊接、光纤系统互联、光电系统调试等步骤，使每组最终能够实现真正意义上的音频信号光纤系统传输.该环节可以进一步提升学生实践动手能力，真正将理论应用于工程实际.

发射机部分电路原理如图6 所示，将音频信号从用户端传出并加载到发射电路，通过耦合电容C1 的隔直作用，电信号被传输到在NPN 三极管基极上，在经NPN 三极管放大后，通过LED 发光二极管进行调制，以实现电光变换.

图6 发射机部分电路原理图

接收机部分电路原理如图7 所示，主要由电源、PIN 光电二极管及LM386 芯片等几部分组成，其中LM386 芯片的主要作用是进行电信号放大.由发射端LED 输出的光信号经过光纤信道传输后到达接收端，再由接收端的PIN 光电二极管转换为电信号，随后经过电容C1 隔直后送入到LM386 进行放大，最后被输出到speaker 端进行声音播放，最终完成了语音信号的光纤系统传输.

图7 接收机部分电路原理图

相关元器件选取可以留给学生自行完成，要求学生结合模拟电路等前期专业课相关知识进行电路完善与优化.通过这种方式，可有效提升学生参与度与学习兴趣，培养学生实践动手能力.通过实验仿真与硬件实现相结合，使学生所学的理论知识与工程实际相关联，在一定程度上培养了学生的工程意识.

在本环节中，需要学生进行多次调试，一般不会一次性成功，从而自然地告知学生发现真理的过程一般也都是曲折的.仿真时环境较为理想，但硬件实现会遇到许多不可预知的问题，实践是检验真理的唯一标准这一哲学思想也可以通过本项目传达给学生.硬件调试更要实事求是，来不得半点虚假，学生在硬件搭建过程忘我的投入也进一步培养了科学研究能力.

通过前述分析可以看出，在该项目中融入思政元素并没有使得教学更为臃肿，而是与专业知识教学自然地融为了一体，大道至简，思政内容凸显了专业知识，润物无声，专业知识又蕴含了思政内容.在实验教学中一定程度实现了知识传授与价值引导的统一，进一步回答了“培养什么人、怎样培养人、为谁培养人”这一问题.而思政元素融入音频光传输实验这一有效探索，也为通信电子类专业相关实验课开展课程思政融入研究提供了一定思路.

4 结论

在光纤通信实验教学中，引入“以虚促实、以实引虚、虚实兼顾、深度融合”的教学模式，在融入思政元素的基础上结合“自构建音频光传输实验系统的仿真与实现”实验项目内容进行了说明.该模式将仿真技术与硬件实现相结合，使学生掌握理论基础的同时实践创新能力也得到进一步提升.首先通过MATLAB 和Opem 完成实验仿真，令学生全面理解理论内容，在此基础上通过原理图设计、电路系统焊接、光纤系统互联、光电系统调试等步骤进行硬件实现，全面提升学生实践创新能力.同时将思政内容融入到实验教学各环节中，以大道至简、润物无声的方式构筑全过程、全方位、全员育人格局，培养具有爱国热情、职业素养、敬业团结、创新奋进的社会主义建设者和接班人.