《通信原理》一流课堂理实一体化教学探索

李星沛，谭 祥

（重庆移通学院，重庆 401520）

通信原理是通信工程专业必修的专业基础课，该课程具有理实一体化的特点。开展通信原理一流课堂的理实一体化教学改革方法概括为：“学、做、训三融合”，在实际教学中实现了跟着微课同步实训，重难点对应，要领突出的操作要点。通过理实一体化教学诠释一个知识点的重难点，例如具体用到：案例剖析、任务驱动、分步导演、精炼六步、思路导图、技巧总结这六种方式。

1 理实一体化教学微课的开发思路

微课教学结构合理比例为：课程导入、训前准备占15%；示范操作占75%；课程总结占10%。微课知识点的教学设计与分解过程的流程是第一步提出问题，明确实训目标，第二步通过案例分析提出该实训项目的难点，第三步教师分布示范讲解，重点剖析操作技巧，最后成果仿真展示归纳总结本次实训的步骤及要求。“优化分解制作步骤、流程再造分步解析”法解决实训难点。教师演示环节传统教学采用的是教师课堂实景示范，学生围绕在老师周围看或者通过录播系统观看，班级学生人数多了，部分同学占不到有利位置看不到或者不能全方位多角度看到老师的全部操作细节，学生在实践过程中找不到诀窍，实训结果失败率高，这是专业实训教学中常见的问题。利用微课视频教学之后，就解决了这些问题，提高了教学质量和效率。

微课视频多视角拍摄全方位展示+文字要点提示，在后续的实训中学生可以反复观看，提高了学习主动性和积极性。实训室工作室“双室联动”的双创模式获得学以致用有快乐的成就感。

2 基于微课的教学案例

教师在每次通信原理实验课之前，为了让学生先了解实验内容，教师把该实验的原理简单讲解的内容上传到微信平台上，学生看了实验原理讲解之后，根据原理在Opti-System软件元件库中去寻找完成本次实验所需要元器件，了解这些器件的功能。教师同时制作本次实验操作的视频，把视频嵌入到PPT中，在实验课时，通过PPT播放展示该视频，学生有了一次直观印象。接着，在教师实操环节，再把实验重做一遍，学生再一次加深直观印象，并掌握了操作步骤和技巧。随后，让学生亲自动手搭建该实验的器件实现框图，并向教师展示实验仿真结果，教师根据结果现场评分。实验结束之后，教师把本次实验课的相关内容制作成短视频，上传到微信平台上，供学生复习巩固。学生花费较短的时间，随时通过手机微信预习和复习该实验课程，教师也可以对学生提出的问题及时进行解答，这样一个流程下来，学生就能够完成本次课的理实一体化的知识目标。通过微信平台微视频这种新模式，可以更好地调动学生学习的积极性，同时也增加了老师和学生之间的交流[1]。

下面以光通信色散补偿（Dispersion Compensation）设计为案例来进行阐述，首先让学生了解色散的基本原理，然后通过OptiSystem软件平台来完成色散的补偿的原理图设计，并进行仿真实验来验证结论。

2.1 光通信系统色散的简介

光纤色散的主要原因就是时延失真，而时延失真形成是因为在发端不同模式的发送调制信号光谱速度不同造成的，所以这些光信号到达收端就会形成时延，而且随着传输距离的增加，会造成信号幅度的不断衰减，其波形随着传输距离的增加也会有更大的失真，这样的失真造成传输信号的脉冲展宽，就会对光纤的最高传输速度形成制约，通常，光纤色散包括以下四种：

模间色散：这种色散发生在多模光纤中，作为激励信号的各个导模之间其速度差异非常明显，它们到达收端的时间因为速度差异而不同，造成了模间色散。

波导色散：由于光纤结构的波导效应导致某个在不同波长导模的传输速率不同引起的结构色散。

材料色散：由于光纤材料的折射率差异会造成光频率呈非线性变化，于是不同的波长会造成不同的传输速率。

偏振模色散：单模光纤两个相互正交的模式存在少量的不对称性，这两个正交偏振模会形成完全不同的群时延，就会导致所谓的偏振模色散。

在这四项色散中，光源的光谱宽度和信号的调制带宽又会影响波导色散和材料色散的色散程度和大小，所以这两种色散又称为波长色散。波导色散和材料色散主要存在与单模光纤中，单模光纤不存在模间色散的，它们的相对大小又与工作波长有关。而模间色散和材料色散存在与多模光纤中，其波导色散可忽略不计。

2.2 使用理想色散补偿元件的色散补偿分析

在本设计案例中，通过色散补偿能够改善整个系统的性能。由于色散效应会导致脉冲的宽度展宽，这样会造成相邻邻信号间的相互重叠干扰。我们知道脉冲宽度的展宽是距离和色散系数的函数，又是波长的函数，假设为D，它的单位是ps/nm/km。一般标准单模光纤波长为1550nm，通常D的大小为17ps/nm/km。

2.3 色散补偿模型设计布局图

利用OptiSystem光通信系统软件设计光色散补偿模型进行仿真，如图1所示。该模型图设计初始的脉冲波形经过10km非线性色散光纤，然后经过FBG色散补偿器改善系统中的色散补偿性能，最后对生成的脉冲波形进行检测和分析。

图1 理想色散补偿元件的色散补偿图

2.4 实验结果

FBG色散补偿器设置参数如图2所示，待各元件的参数设置好以后，就可以仿真了，然后可得到一系列实验结果。本次实验传输速率为40Gb/s码率，由Optical高斯脉冲形成器产生的信号的脉冲宽度大约为 35ps，如图 3（P152）所示。这里使用了一个FBG色散补偿元件来对脉冲波形进行复原，其中色散补偿值，这里设置为-160ps/nm。经过仿真以后，补偿后所形成的脉冲波形可以在光时域观察仪中看到其形状，如图4所示，可以看到经过补偿后的脉冲宽度恢复了初始状态。可见，仿真输出的结果和计算预期的结果相当一致，这也验证了色散补偿元件的性能能够对光通信系统产生补偿作用。

图2 FBG色散补偿器的属性设定

图3 入纤前光脉冲的波形图

图4 经过色散补偿器的光脉冲波形

3 结束语

本文主要通过一个通信原理的教学实例来说明，通过微信平台，微课在基于OptiSystem的通信原理理实一体化教学中的作用。学生进行课前预习，课后复习巩固借助于微信平台观看微课视频，可以更好地帮助学生理解和掌握实验原理，这样不仅节约了实验的教学时间，而且有利于学生更好独立地完成实验[2]。因此，通过微信平台，学生掌握OptiSystem仿真软件的使用，还将整个通信原理的教学过程制作成微课视频，上传到手机微信上，这样可以极大地调动了学生的积极性和主动性，比传统的实验效果提升了不少。与此同时，教师也能够随时和学生进行线上的教学互动，即达到了学生知识技能的培养，又提高了教师的教学能力和教学水平。