仿真在光纤通信教学改革中的应用
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摘 要 针对在光纤通信教学中存在的问题，结合该课程理论基础深、知识更新快、理论与实际联系紧密的特点，根据培养目标和培养要求，探索将OptiSystem仿真技术融入课堂教学和实验教学环节。实践证明：融入仿真技术后，课堂教学效果得到明显改善，增加的创新型仿真实验项目提高了学生综合应用所学知识和独立设计的能力。
中图分类号：TP391.9 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2013）24-0104-02
1 引言
光纤通信课程是高等工科院校通信工程专业的一门主要专业必修课，其基本理论是某些交叉学科的生长点和新兴边缘学科发展的基础，具有理论基础深、知识更新快、理论与实际联系紧密等特点。
随着光纤通信技术的迅猛发展，目前在教学过程中暴露出一些问题：1）现有实验设备不生动，仅是对基本原理的简单验证；2）光纤通信设备价格昂贵，引进或建设专业实验室难度较大；3）专业课知识更新速度快，课本及现有设备难于反映最新的发展成果；4）学生难于验证、实践对知识的构想。
基于以上原因，本课程的教学改革立足于将OptiSystem仿真技术融入光纤通信的教学中。
2 理论教学探索
光纤通信课程以培养和提高本科生的应用能力、创新能力和科研能力为基本目标。培养要求是：使学生较全面地掌握光纤通信的基本概念、基本理论和关键技术，理解和掌握光纤通信系统的性能分析和系统设计方法，了解现代光纤通信新技术的发展及应用情况。
根据培养目标和培养要求，该课程设置的教学内容包括：1）光纤传输理论；2）半导体光器件、光无源器件及光放大器的工作原理及特性；3）光端机的基本组成及各部件功能；4）光纤通信系统的组成和系统设计方法；5）光传输网及光纤通信新技术的基本原理及应用。
光纤通信的整个理论教学体系中，很多定理都伴随严格的数学证明和复杂的概念，并且很多概念比较抽象。比如：光在光纤中传输的波动光学理论，涉及电磁场与电磁波的知识，其公式推导繁琐抽象，致使学生理解起来比较困难。针对这一类问题，教师在备课时不仅需要精心设计教学内容，将重点、难点和抽象不容易理解的内容提炼出来，而且要根据这些知识点的特征采用恰当的教学方法和教学手段，比如采用传统黑板教学方式和技术相对成熟的多媒体教学方式相结合。实践证明，这样的教学方式已经取得比较满意的教学效果，并且在该课程组教师的共同努力下，与课程配套的多媒体网络课件在中北大学及全国多媒体课件大赛上获奖。
为进一步提高学生学习效率，在课堂教学中融入OptiSystem仿真技术。OptiSystem作为一款功能强大的光通信系统模拟软件，提供从元件到系统水平在传输层光通信系统的设计和预研，同时呈现可视化的分析结果。如光纤的非线性效应“四波混频FWM”，采用图1所示仿真原理图给学生讲解，两路光信号（波长分别为1540 nm和1540.5 nm）经过75千米单模光纤（SMF-28）传输，传输前后信号的光谱分别如图2和图3所示。图3显示，在1539.5 nm和1541 nm波长处出现新的频率成份，直观地表达了四波混频的概念：光纤中不同波长的光波相互作用，导致在其他波长上产生所谓混频产物或边带的新光波的现象。
另外，光纤的自相位调制、互相位调制、拉曼散射等非线性效应，掺铒光纤放大器（EDFA）的增益平坦特性，波分复用系统等相对抽象难理解的知识点，也采用了演示仿真原理图并对比波形的授课形式，具体程序不一一举出。
课程结束后，调查显示：绝大多数（83.26%）学生对课堂教学中融入OptiSystem仿真做出了积极评价，一致反映利用仿真技术把抽象的问题具体化，能够激发学习兴趣，从而优化课堂教学效果。
3 实验教学改革
实验教学是课堂理论教学的重要补充，是培养学生科学实践能力的重要环节。目前，中北大学开设的光纤通信实验项目分为基础型和综合设计型两类，实验室现有设备仅能满足固定功能的实验，不容易升级改进，不能充分体现光纤通信的优势。因此，实验教学改革是在现有实验项目的基础上，利用OptiSystem仿真平台，增加了创新型仿真实验内容（包括光发射机设计、光接收机设计、光纤色散特性及补偿设计、EDFA增益优化设计和40 G单模光纤的单信道传输系统设计），逐步构建“基础型、综合设计型、创新型”的分层次实践教学体系。
创新型仿真实验项目改革在具体实施的过程中，要求学生根据题目的难易程度独立或合作完成，并完成详细的实验报告，包括设计思路、设计框图、选用模块和参数设置的原因，仿真结果及实验现象分析并得出结论等内容。
关于仿真实验项目的改革已经实施两届，通过和学生的交流以及对实验报告的统计分析，结果显示：
1）增设的创新型仿真实验项目吸引的学生数量逐年增加（09级学生比08级学生增加30%）；
2）学生在设计实验的过程中，如何选用模块并设置参数都与理论知识紧密结合，这样促进了理论与实践的有效结合；
3）与硬件实验相比较，仿真过程更具体，仿真结果更生动，实验效果得到明显改善；
4）学生敢于验证自己的构想，弥补了硬件设备的不足。
4 结束语
通过积极实行教学改革，在光纤通信课程理论和实验教学方面都取得一定成效。课堂教学方面，由于一些抽象难理解的知识点融入了仿真演示，提高了学生的学习积极性，明显改善了课堂教学效果；实验教学方面，融入仿真技术后，不仅提高了学生综合应用所学知识和独立设计的能力，而且极大地促进了光纤通信的基础理论研究，为学生走向工作岗位前进行工程素质的培养提供了理想手段，还能有效节省教学投资费用。
参考文献
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