楊九如　韓雪冰

摘 要：引入虛擬實驗教學(xué)是緩解省屬地方高等院校科研設(shè)備短缺的有效方法。本文以光通信技術(shù)課程為例，研究了虛擬實驗課程開設(shè)的背景與意義，詳細闡述了對應(yīng)的課程內(nèi)容與具體的實驗室建設(shè)與實施方法。最后，依據(jù)所取得的成果評價了虛擬實驗課程的效果，證實了該教學(xué)改革的可行性。

關(guān)鍵詞：虛擬實驗教學(xué)；光通信技術(shù)；教學(xué)改革

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1002-2589（2015）15-0212-02

光通信技術(shù)是當(dāng)今信息技術(shù)領(lǐng)域的前沿與支撐技術(shù)之一。2013年，國務(wù)院頒布“寬帶中國”計劃，進一步提升了光通信技術(shù)在國家發(fā)展戰(zhàn)略中的地位。簡言之，光通信技術(shù)是光纖技術(shù)與通信技術(shù)的綜合體，它具有高速、大容量的優(yōu)點，但亦存在高成本、高復(fù)雜度和多學(xué)科交叉的特點。這成為該門課程實踐教學(xué)開展的主要困難。而且，對于省屬地方高等院校，同時面臨生源基數(shù)大、實驗教學(xué)經(jīng)費短缺、設(shè)備更新緩慢等難題，使得該問題更加凸顯。為緩解這一問題所帶來的影響，基于專業(yè)光通信仿真軟件，引入虛擬實驗教學(xué)時必然趨勢。

一、虛擬實驗教學(xué)改革的背景與意義

作者所在的黑龍江大學(xué)電子工程學(xué)院，《光通信技術(shù)》實驗需為兩個本科專業(yè)（光電子技術(shù)系和通信工程系）學(xué)生（約180人/年）提供課程資源。原有《光通信技術(shù)》包含“光纖低損耗熔接”“光纖纖芯分布測量”“光纖微彎損耗測量”“光時域分布反射測量”和“可視光通信傳輸系統(tǒng)演示”5個基礎(chǔ)專業(yè)實驗，僅能覆蓋《光纖技術(shù)》和《光通信技術(shù)》兩門專業(yè)必修課程的實驗教學(xué)任務(wù)，學(xué)生缺乏對“光電子器件”應(yīng)用的認知。而且，光纖與光通信技術(shù)是本專業(yè)最重要的兩個研究方向之一，是專業(yè)學(xué)生就業(yè)與求學(xué)的主要支撐技術(shù)。近10年來，光通信技術(shù)在“光傳輸”“光交換”“光接入”和“可見光電力線通信”等領(lǐng)域高速發(fā)展。然而，現(xiàn)有實驗教學(xué)設(shè)備多購置于2001年，部分已陳舊、老化。與此同時，面臨教學(xué)經(jīng)費不足，設(shè)備臺套數(shù)有限，儀器價格昂貴，由于普通高校擴招導(dǎo)致生源劇增的雙重壓力，對應(yīng)的實驗內(nèi)容無法得到更新，課程講授內(nèi)容與實驗教學(xué)脫節(jié)，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低下。

圖1 原有專業(yè)基礎(chǔ)實驗方案

與之相比，專業(yè)仿真軟件具有價格低廉，覆蓋領(lǐng)域廣，專業(yè)性強，靈活性、操作性好等系列優(yōu)點，可實現(xiàn)光放大器設(shè)計，光電轉(zhuǎn)換器件測試，多光通信系統(tǒng)實時在線模擬等功能，與本專業(yè)光纖技術(shù)、光電器件與檢測、光通信技術(shù)課程內(nèi)容吻合。鑒于此，將虛擬實驗與原有的專業(yè)實驗相結(jié)合，以專業(yè)實驗為基礎(chǔ)，虛擬實驗為進階，二者相互補充、取長補短，將可有效緩解專業(yè)實驗教學(xué)中所面臨的困難。

二、虛擬實驗教學(xué)改革的具體實施方法

（一）方案設(shè)計與實驗室建設(shè)

1.保留原有的“光纖低損耗熔接”“光纖纖芯分布測量”“光纖微彎損耗測量”作為基礎(chǔ)實驗，刪除“光時域分布反射測量”和“可視光通信傳輸系統(tǒng)演示”兩個實驗，節(jié)省6學(xué)時的課程資源。

2.開設(shè)“光通信仿真設(shè)計”課程設(shè)計，以虛擬實驗教學(xué)方式提高學(xué)生對于“光通信系統(tǒng)架構(gòu)”“光纖放大器設(shè)計”“光電子器件工作特性”的掌握能力。課程設(shè)計采用機房集中教學(xué)模式，包含“光發(fā)射機/光接收機的實現(xiàn)”，“誤碼率與質(zhì)量因子評價”“色散補償特性測試”“光放大器性能優(yōu)化”“格式生成與轉(zhuǎn)換”五個模塊，共計32學(xué)時。其中，講授學(xué)時8學(xué)時，實驗學(xué)時24學(xué)時，第一、二模塊為必選，后三個模塊至少任選其一。

3.將原有機房進行升級與改造，新購置計算機50臺套，服務(wù)器1臺套，投影教學(xué)設(shè)備1臺套。更新原有網(wǎng)絡(luò)布線與系統(tǒng)，實現(xiàn)教師與學(xué)生互動能力，提升學(xué)生間的交互學(xué)習(xí)能力，改善學(xué)生個人的實驗學(xué)習(xí)平臺環(huán)境。購置專業(yè)光通信仿真軟件OptiSystem（12.0版）1套，可同時滿足30人在線仿真需求。

圖2 虛擬實驗設(shè)計方案

（二）虛擬實驗教學(xué)實施方法

在實際的教學(xué)過程中，該門課程對于光電子技術(shù)專業(yè)學(xué)生（年均60人）為必修課程，分成2個教學(xué)班級循環(huán)教學(xué)；對于通信工程專業(yè)學(xué)生為選修課程，根據(jù)以往統(tǒng)計，選修課程人員約60—80人，亦分成2個教學(xué)班級循環(huán)教學(xué)。除講授8學(xué)時外，學(xué)生需在2周內(nèi)完成24實驗學(xué)時，教學(xué)資源采用開放模式提供，學(xué)生可自行安排學(xué)習(xí)時間，學(xué)時計算由智能管理系統(tǒng)完成。教學(xué)模式除課上教學(xué)、實驗外，還包括師生在線交流與在線答疑。課程考試采用報告模式提交，3人一組，需分工明確，格式統(tǒng)一，數(shù)據(jù)與分析清楚有效。

圖3 虛擬實驗教學(xué)的實施與執(zhí)行

三、效果與評價

對于通信工程專業(yè)，該門課程設(shè)置在第六學(xué)期，需學(xué)習(xí)前期的光纖基礎(chǔ)實驗。對于光電子技術(shù)專業(yè)，該門課程設(shè)置在第七學(xué)期。作為中間環(huán)節(jié)，他是專業(yè)實驗的進階，同時作為本科畢業(yè)設(shè)計的前期訓(xùn)練，起到承上啟下作用。運行一年來，效果顯著。主要體現(xiàn)在：（1）增加了實驗教學(xué)資源，緩解了實驗設(shè)備臺套數(shù)少的困難，提升了學(xué)生的實踐實訓(xùn)能力；（2）完成了課堂教學(xué)與實驗教學(xué)的完整對接，教學(xué)內(nèi)容與深度得到進一步提升；（3）激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，為教師的科學(xué)研究提供有效輔助。截至2014年12月，已有11名專業(yè)學(xué)生參與到教師的科研團隊中，并在光通信設(shè)計領(lǐng)域發(fā)表EI檢索科研論文3篇，申報發(fā)明專利1項，獲授權(quán)實用新型專利2項，獲批省級、校級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課題2項。

四、結(jié)論

針對省屬高等院校理工科實驗教學(xué)的實際情況，以“光通信技術(shù)”課程為例，引入了虛擬教學(xué)環(huán)節(jié)，有效彌補了原有專業(yè)基礎(chǔ)實驗教學(xué)在內(nèi)容更新、基礎(chǔ)設(shè)備受限等方面的不足。虛擬實驗教學(xué)作為專業(yè)實驗的進階，可有效提升本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計的質(zhì)量，成為二者間連接的紐帶，承上啟下。此外，虛擬實驗教學(xué)還具有投入低、見效快的特點，它應(yīng)作為一種重點的教學(xué)模式在今后的理工科實驗教學(xué)課程中得到廣泛推廣。

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