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        輔助教學(xué)平臺(tái)在“光纖通信”課程中的應(yīng)用

        2014-08-15 00:47:30
        唐山學(xué)院學(xué)報(bào) 2014年2期
        關(guān)鍵詞:光纖通信直觀器件

        李 茜

        (唐山學(xué)院 信息工程系,河北 唐山063000)

        通信包括無(wú)線通信、移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、光纖通信等,光纖通信是一門(mén)很前沿的學(xué)科?!肮饫w通信”作為通信專業(yè)的一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課程,也是組成通信技術(shù)體系的一個(gè)重要分支。該課程涉及的知識(shí)面廣,包括電磁場(chǎng)與電磁波、高等數(shù)學(xué)等相關(guān)知識(shí),通用教材理論性強(qiáng),公式推導(dǎo)非常繁瑣,傳統(tǒng)教學(xué)枯燥刻板,學(xué)生很難理解抽象的概念。這使得本科學(xué)生在學(xué)習(xí)該門(mén)課程時(shí)感覺(jué)難度較大。針對(duì)這些問(wèn)題,建立一個(gè)基于光纖相關(guān)特性的輔助教學(xué)仿真平臺(tái),并把仿真平臺(tái)應(yīng)用于教學(xué)中[1,2],既豐富課堂內(nèi)容,又提高學(xué)生興趣。通過(guò)仿真平臺(tái)可以將光纖的特性進(jìn)行可視化表達(dá),并將工程實(shí)踐與科研活動(dòng)得到的數(shù)據(jù)中所包含的信號(hào)特征、狀態(tài)變化以及客觀規(guī)律直觀、充分地展現(xiàn)出來(lái)。

        一、仿真平臺(tái)在課程中的具體應(yīng)用

        課程中有的理論性太強(qiáng),學(xué)生很難理解一些光纖的相關(guān)特性。比如光接收機(jī)靈敏度問(wèn)題,從理論的角度,根據(jù)公式算出靈敏度的值后,學(xué)生很難理解靈敏度的數(shù)值大小與靈敏度高低之間的關(guān)系,以及靈敏度與輸入光功率、消光比的關(guān)系。這些問(wèn)題可通過(guò)點(diǎn)擊用戶界面,讓學(xué)生直觀地看見(jiàn)光纖相關(guān)特性的演示以及一些特性參數(shù)的測(cè)量。

        圖形用戶界面(GUI)又稱人機(jī)交互界面,是一種人機(jī)交互的工具和方法。GUI包含很多種圖形對(duì)象,如靜態(tài)文本、文本框、坐標(biāo)系、窗口、圖標(biāo)、面板、按鈕組等,使用者可以使用鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備和計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交換,從而使得計(jì)算機(jī)產(chǎn)生某種動(dòng)作或變換[3-4]。在 MATLAB中,主要用到兩種方式來(lái)建立人機(jī)交互界面。一種是通過(guò)程序代碼編寫(xiě)的方法產(chǎn)生對(duì)象,該方法的優(yōu)點(diǎn)是建立的GUI菜單比較齊全,而且程序代碼的通用性能也很高;另一種是通過(guò)MATLAB提供的GUIDE界面來(lái)建立GUI。

        仿真平臺(tái)的界面上有3個(gè)按鈕,test表示參數(shù)測(cè)量,picture表示光纖器件展示,plot表示特性曲線的繪制。參數(shù)測(cè)量過(guò)程中學(xué)生可以根據(jù)參數(shù)選擇,來(lái)測(cè)量光纖的損耗、色散等;器件展示可以讓學(xué)生看到書(shū)上提到的相關(guān)光器件;特性曲線的繪制可以讓學(xué)生看到特性之間的關(guān)系及其影響。

        二、仿真平臺(tái)相關(guān)特性的展示

        (一)光纖通信相關(guān)特性參數(shù)的測(cè)量

        光纖的特性參數(shù)有很多,大體上可以分為三大類:光學(xué)特性、幾何特性和傳輸特性。在光纖通信系統(tǒng)中,當(dāng)使用的條件發(fā)生變化時(shí),幾何特性和大部分光學(xué)特性是穩(wěn)定的,而損耗、截止波長(zhǎng)等均不同程度地受使用條件的影響。根據(jù)教學(xué)大綱,要求學(xué)生掌握測(cè)量的參數(shù)不多,所以仿真平臺(tái)只設(shè)計(jì)了一些受使用條件影響的特性參數(shù),以損耗、色散、截止波長(zhǎng)、中繼距離為例。學(xué)生在界面中輸入?yún)?shù)值,便可以計(jì)算出光纖的損耗、色散、截止波長(zhǎng)等參數(shù)。老師在授課的時(shí)候通過(guò)改變相關(guān)參數(shù),快速地讓學(xué)生看到改變某一參數(shù)對(duì)結(jié)果造成的影響,還可以直觀地看到某些參數(shù)的選擇有一定的范圍限制,過(guò)大或過(guò)小都會(huì)造成負(fù)面的影響,所以通過(guò)改變這些參數(shù)可以起到優(yōu)化參數(shù)設(shè)置的作用。

        (二)光纖相關(guān)特性曲線的繪制

        為了便于學(xué)生理解光纖的相關(guān)特性,在課堂中利用仿真平臺(tái)的可視化對(duì)光纖相關(guān)特性進(jìn)行演示,讓學(xué)生能夠更好地分析光纖特性,以自聚焦效應(yīng)、損耗、色散[5]、誤碼率為例,點(diǎn)擊plot按鈕即彈出特性展示的界面。學(xué)生可以直觀看出特性隨著某些參數(shù)的改變而變化的趨勢(shì)。比如:自聚焦效應(yīng)最終會(huì)聚在一點(diǎn)上,學(xué)生很難理解光線的傳播路徑,通過(guò)仿真軟件,教師在授課時(shí)改變?nèi)肷浣嵌犬?huà)出特性圖,學(xué)生就能很好理解光線的傳播線路以及如何聚焦的原理。仿真軟件還可以演示更多相關(guān)特性。

        (三)光纖通信器件的展示

        學(xué)生在學(xué)習(xí)光器件的時(shí)候,由于看不見(jiàn)實(shí)物,很難想象出器件的結(jié)構(gòu)及其外貌,利用仿真平臺(tái),點(diǎn)擊picture,學(xué)生能夠直觀地看見(jiàn)實(shí)物圖,并且有詳細(xì)的器件使用功能介紹。光纖器件可分為有源器件和無(wú)源器件兩大類。光發(fā)射采用發(fā)光器件,如半導(dǎo)體激光器、發(fā)光二極管等,光接收采用光檢測(cè)器件,如PIN,APD等,還有光放大器,如摻鉺光纖放大器、拉曼光纖放大器、半導(dǎo)體光放大器等,這些均屬于有源器件。光纖連接器、耦合器、光開(kāi)關(guān)、波分復(fù)用器、光衰減器、光隔離器、光環(huán)行器等屬于無(wú)源器件。教師可以根據(jù)教材要求掌握的內(nèi)容在器件分類中選擇光器件,讓學(xué)生直觀看見(jiàn)器件實(shí)物圖片,在圖片下面有完整的器件使用功能。當(dāng)然,圖片在教學(xué)課件PPT中也能展示,但是將它集成在教學(xué)軟件上,有動(dòng)態(tài)點(diǎn)擊的效果,更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,并且結(jié)合相關(guān)特性講解起來(lái)更為直接。

        三、結(jié)論

        通過(guò)以上輔助教學(xué)仿真平臺(tái)的使用,學(xué)生可以很直觀地學(xué)習(xí)和分析“光纖通信”課程中相關(guān)的特性。由于基于MATLAB的仿真軟件設(shè)計(jì)的靈活性,可以開(kāi)發(fā)學(xué)生動(dòng)手動(dòng)腦的能力,讓學(xué)生自行進(jìn)行有關(guān)“光纖通信”課程中相關(guān)的特性、器件的界面交互設(shè)計(jì)。軟件的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)已經(jīng)成功地運(yùn)用到課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)中,很好地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高了教學(xué)質(zhì)量。輔助教學(xué)平臺(tái)的使用在“光纖通信”教學(xué)改革和實(shí)踐中取得了良好的效果。

        [1]汪徐德,姜恩華,周正,等.MATLAB仿真輔助光纖通信課程教學(xué)研究[J].高師理科學(xué)刊,2012,32(5):80-99.

        [2]張振榮,岳岫峪,唐秋玲,等.仿真在光纖通信教學(xué)中的應(yīng)用[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào),2009,31(3):54-55.

        [3]王巧花,葉平,黃民.基于 MATLAB的圖形用戶界面(GUI)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械,2005(3):60-63.

        [4]王默玉,宗偉,劉春磊,等.基于 MATLAB的圖形用戶界面的構(gòu)造方式與應(yīng)用[J].現(xiàn)代電力,2002,19(1):76-82..

        [5]宋揚(yáng),王麗.光纖色散效應(yīng)對(duì)脈沖展寬的影響[J].激光技術(shù),2008,32(6):568-572.

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