楊九如　韓雪冰

摘 要：引入虛擬實驗教學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，證實了該教學改革的可行性。

關(guān)鍵詞：虛擬實驗教學；光通信技術(shù)；教學改革

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)雜度和多學科交叉的特點。這成為該門課程實踐教學開展的主要困難。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，引入虛擬實驗教學時必然趨勢。

一、虛擬實驗教學改革的背景與意義

作者所在的黑龍江大學電子工程學院，《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任務(wù)，學生缺乏對“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)學生就業(yè)與求學的主要支撐技術(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)有實驗教學設(shè)備多購置于2001年，部分已陳舊、老化。與此同時，面臨教學經(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)容與實驗教學脫節(jié)，學生學習興趣低下。

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)實驗教學中所面臨的困難。

二、虛擬實驗教學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，以虛擬實驗教學方式提高學生對于“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學時。其中，講授學時8學時，實驗學時24學時，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)教師與學生互動能力，提升學生間的交互學習能力，改善學生個人的實驗學習平臺環(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）虛擬實驗教學實施方法

在實際的教學過程中，該門課程對于光電子技術(shù)專業(yè)學生（年均60人）為必修課程，分成2個教學班級循環(huán)教學；對于通信工程專業(yè)學生為選修課程，根據(jù)以往統(tǒng)計，選修課程人員約60—80人，亦分成2個教學班級循環(huán)教學。除講授8學時外，學生需在2周內(nèi)完成24實驗學時，教學資源采用開放模式提供，學生可自行安排學習時間，學時計算由智能管理系統(tǒng)完成。教學模式除課上教學、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)置在第六學期，需學習前期的光纖基礎(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）增加了實驗教學資源，緩解了實驗設(shè)備臺套數(shù)少的困難，提升了學生的實踐實訓(xùn)能力；（2）完成了課堂教學與實驗教學的完整對接，教學內(nèi)容與深度得到進一步提升；（3）激發(fā)學生學習興趣，為教師的科學研究提供有效輔助。截至2014年12月，已有11名專業(yè)學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的實際情況，以“光通信技術(shù)”課程為例，引入了虛擬教學環(huán)節(jié)，有效彌補了原有專業(yè)基礎(chǔ)實驗教學在內(nèi)容更新、基礎(chǔ)設(shè)備受限等方面的不足。虛擬實驗教學作為專業(yè)實驗的進階，可有效提升本科學生畢業(yè)設(shè)計的質(zhì)量，成為二者間連接的紐帶，承上啟下。此外，虛擬實驗教學還具有投入低、見效快的特點，它應(yīng)作為一種重點的教學模式在今后的理工科實驗教學課程中得到廣泛推廣。

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