畢美華， 周雪芳， 李齊良， 楊國偉， 盧 旸， 曾 然

（1．杭州電子科技大學通信工程學院，杭州310018；2．上海交通大學光纖區(qū)域網與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室，上海200240）

0 引 言

近年來，隨著移動互聯(lián)網絡、大數(shù)據、人工智能以及高速率的5G甚至B5G／6G移動技術的不斷發(fā)展和更新，大容量、高速率的光纖傳輸技術發(fā)揮著越來越重要的作用，并且該技術已儼然成為當前研究的熱點方向［1-3］。為此，將光纖通信作為通信電子類本科教學中的一門專業(yè)基礎課來教學就顯得尤其重要。與此同時，隨著各種新型技術不斷涌入以及當前“互聯(lián)網＋”“中國制造2025”等戰(zhàn)略性新興產業(yè)的不斷興起［4］，工科體系下的理工科教育尤其是專業(yè)基礎教學工作受到了科學技術水平的高速發(fā)展和不斷推陳出新的技術革命的嚴峻挑戰(zhàn)［5-6］。此外，當前高速發(fā)展的社會主義市場經濟，需要高校能夠培養(yǎng)出全面的、能夠適應和滿足當前社會發(fā)展需求的高等人才［7-8］。與此同時，從國家教育發(fā)展的戰(zhàn)略［9］可知，當前一些高校仍存在教育教學理念相對滯后、機制不夠完善、內容方法陳舊單一、實踐教學比較薄弱等問題。為了有效解決這些問題，教育部發(fā)布了相關文件［10］，要求：① 高等教育要貫徹落實《國務院辦公廳關于深化高等學校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》，堅持把深入推進創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革作為中央高校教育教學改革的突破口和重中之重；②牢固樹立科學的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育理念，把創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育作為全面提高高等教育質量的內在要求和應有之義，將創(chuàng)新精神、創(chuàng)業(yè)意識和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力作為評價人才培養(yǎng)質量的重要指標；③改革教學方式方法。

1 傳統(tǒng)光纖通信課程教學分析

光纖通信課程作為通信電子類本科生的一門重要專業(yè)課程，主要介紹光纖通信的基本知識和基本原理、光纖通信系統(tǒng)的組成、數(shù)字光纖通信系統(tǒng)設計、光纖通信的新技術等相關知識。在課程體系上，該課程起到承上啟下的作用，在了解光纖通信之前需要知道通信原理、數(shù)字信號處理、信號系統(tǒng)等基礎課程知識，這樣才能更好地理解光纖收發(fā)端的調制和解調，學生才能更好地在此基礎上進行創(chuàng)新性的思考，設計新型的適合未來通信網絡系統(tǒng)發(fā)展需要的新型技術。然而，該課程當前的教學方式依然是老師講授學生被動接收為主，沒有充分地調動起學生學習的積極性。此外，該課程的目標依然是培養(yǎng)和提高學生的工程應用和工程問題處理能力，為本科畢業(yè)后的工作或繼續(xù)深造奠定堅實的專業(yè)基礎，而如何培養(yǎng)學生積極的創(chuàng)新能力卻沒有涉及。與此同時，學生在學習過程中，需要了解一些光學器件以及光學知識，但是在面對眾多的光學器件和光傳輸概念時，往往會讓學生無所適從［11］。為了有效處理上述問題，部分教師提出在課堂上適當引入案例分析或者進行案例分組討論的教學改革方案［12］。這些方法雖然一定程度上提升了部分學生參與學習的積極性，但是并沒有差異化對待不同學習層次的學生，比如沒有充分考慮考研與就業(yè)同學的不同要求，而且簡單的分組討論易出現(xiàn)僅有少部分同學真正參與討論，而另一些同學則樂于充當觀眾與聽眾的情況。

綜上所述，在當前光纖通信課程的教學過程中存在的問題主要有：①不能較好地調動學生的積極主動性，簡單的分組形式易使部分同學產生惰性心理，從而達不到原本教改的目的；②教學過程中沒有差異化對待不同需求層次的學生，從而不能較好地適應畢業(yè)要求的差異性（工作，繼續(xù)深造和自主創(chuàng)業(yè)等）；③ 教師授課模式被固化，不能夠被靈活地調動等缺點。正是由于這些問題的存在，現(xiàn)行課程的教學不能較好地適應當下國家層面、技術發(fā)展層面對大學生創(chuàng)新能力教育的要求。

為了有效解決當前光纖通信課程存在的問題，以差異化地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力為出發(fā)點，積極響應當前創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的要求，與時代同行，在習總書記關于創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略這一重要講話精神的理論指導下，以光纖通信課程教學改革為著力點，將學生作為主體，從如何設計適合不同層次要求的課程內容為切入點，設計新型的教學方式和方法。對于積極就業(yè)的同學，首先分析其就業(yè)去向和職業(yè)崗位特點，適當調整教學內容并設計相應的以培養(yǎng)動手能力為主的小課題；對于計劃繼續(xù)深造考研的同學，設計相應科研為導向的小課題；另外，為了便于學生積極、隨時隨地地參與課程學習，對光纖通信課程進行信息化網絡體系建設，并定時追蹤最新的技術導向，不斷地更新和更改課件。通過前期的探索和部分方法實施，近兩年來，通過該課程參與到老師光纖通信方面相關科研項目的學生達到20名，并且都取得豐碩的成果，比如，申請并順利完成浙江省大學生“新苗計劃”，在SCI、一級期刊、核心期刊，EI收錄的國際會議以第一作者發(fā)表學術論文；參加大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目和挑戰(zhàn)杯項目等。這些結果表明，當前針對光纖通信課程制定的層次化對待方案是可行的。在此基礎上，進而制定并建成一個全新的符合培養(yǎng)通信工程專業(yè)學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)要求的完整“光通信”課堂教學體系，通過這一教學體系，使通信工程專業(yè)的學生具有自主創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，實現(xiàn)自我發(fā)展，達到社會對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的需求。

2 創(chuàng)新能力為導向的教改方案

2.1 學生就業(yè)去向和職業(yè)崗位群分析

由表1可知，我校通信工程專業(yè)的畢業(yè)生去向主要分為兩類：就業(yè)類和繼續(xù)深造類。對于就業(yè)類同學來說，大部分同學選擇了通信相關的企業(yè)。通過對這些企業(yè)以及相應的就業(yè)崗位進一步調研可知，大部分同學主要就職的崗位為軟硬件技術支持類、設計開發(fā)類。鑒于此狀況，核心專業(yè)的內容和教學方案的設計就要盡可能地與企業(yè)的需求接軌，要求學生能夠一定程度上具備較好的動手能力、認知能力和設計能力。而光纖通信課程作為一門重要的通信類專業(yè)課，其培養(yǎng)方向應當滿足能夠從事光纖網絡工程的規(guī)劃建設、同步數(shù)字體系［13］（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）系統(tǒng)的調測維護、電信核心網絡和接入網絡的工程維護等工作的應用型人才的需求。因此，在設計教學內容時，應該理論實踐相結合，并引入一些當前技術發(fā)展相關內容。比如，老師在課堂上展示一些實物光纖轉接頭、法蘭盤、光纖跳線等，通過講授各個器件不同的標準，讓同學對于以后工作上的光器件有一個直觀的認識；還可以增加一些新穎的實際工程上比較重要的光通信技術，例如智能光網絡（Automatically Switched Optical Network，ASON）［14］、光纖到戶（Fiber To The Home，F(xiàn)TTH）［15］、彈性分組網（Resilient Packet Ring，RPR）［16］等，從而使有志于繼續(xù)從事科研的同學對光纖通信方向有一定的認識。

表1 2016-2018年杭州電子科技大學通信專業(yè)學生的畢業(yè)去向分析表

此外，適當調整教學內容，通過設計相應的小課題讓學生分組完成，以此提升學生在光通信領域的專業(yè)性。例如在光通信網絡中經常使用的光分插復用器（Optical Add-Drop Multiplexer，OADM），它是一種能夠在光域上實現(xiàn)支路信號分插和復用的設備，在骨干網節(jié)點及本地接入中有著重要作用，并且OADM可以應用到波分復用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）、光纖碼分多址（Optical Code-Division Multiple Access，OCDMA）、光時分復用（Optical Time Division Multiplexing，OTDM）全光網絡中。所以可以設計一個利用OADM搭建的光波分復用系統(tǒng)的課題，讓學生利用實驗室的器材親手搭建并且測試性能，這樣不僅提升了學生的動手能力，而且為以后學生工作和學習奠定了堅實的技術基礎。此外，還可以發(fā)揮學生的主觀能動性，讓學生自行設計一個新型的OADM，這樣學生就需要去查詢了解相關的最新技術才能很好地完成課題，其創(chuàng)新能力就能得到很好的鍛煉，從而為以后的科研和工作打下堅實的基礎。

2.2 教學案例設計分析

教學案例設計分析的結構如圖1所示，分為實驗教學和科研教學兩部分。其中在給學生講授課程實驗時，更要注重其對所理解知識的拓展，要激發(fā)學生對于實驗的興趣，把學生被動參與實驗變?yōu)橹鲃訁⑴c實驗。比如，在開展光纖色散補償實驗時，可以先介紹光纖色散的定義、產生的原因以及造成的影響等，這樣不僅可以引導學生加深對于色散的理解，還可以進一步幫助實現(xiàn)知識拓展，例如色散所造成的碼間干擾。之后引入目前解決光纖色散的主要技術：電域色散補償和光域色散補償，電域色散補償是通過某些算法對信號進行離線處理，光域色散補償是通過色散補償光纖直接對光信號進行補償處理。

為了更好地使輔助光纖色散補償實驗展開，可引入光仿真軟件Optisystem來進行光纖通信系統(tǒng)的搭建，見圖2。通過該仿真軟件，利用光域色散補償技術，學生可靈活地修改光纖色散補償參數(shù)以及色散補償光纖長度來對色散補償，之后可直接調用仿真軟件上的眼圖分析儀來觀察眼圖的好壞以此判斷色散補償能力，見圖3。分別為10 Gb／s的信號經過80 km長度光纖后有無色散補償?shù)难蹐D，通過兩個眼圖的清晰度對比，可以直觀地顯示出色散補償能力，避免了一味枯燥的數(shù)據處理，進一步提升了學生實驗樂趣。

圖2 基于光學仿真軟件（Optisystem）的光傳輸系統(tǒng)搭建

圖3 有無色散補償?shù)慕邮斩搜蹐D比較

電域色散補償技術，則是在接收端通過Matlab對信號進行離線處理來完成色散補償，由于色散造成的直接影響是碼間干擾，所以離線處理主要是解決碼間干擾的問題。這樣就可以讓學生嘗試用信道均衡方法來解決色散所帶來的碼間干擾問題，充分發(fā)揮學生的主觀能動性，實現(xiàn)知識點到實際應用的轉換，讓學生感受到利用知識解決問題的樂趣，提高學習的積極性。而且基于Optisystem的教學不僅可以提高學生對于知識點的聯(lián)系和整體知識框架的把握，并且在教學過程中利用Optisystem仿真軟件進行仿真演示，輔助課堂教學，可將抽象的內容予以直觀展示，從而激發(fā)學生的學習興趣。此外，在面對繼續(xù)深造且有志于投身科學研究的學生，可以引導學生參加老師的科研，一定程度上實現(xiàn)科研反哺教學。例如目前光接入網中使用的正交頻分復用-無源光網絡（Orthogonal Frequency Division Multiplexing-Passive Optical Network，OFDMPON）系統(tǒng)，由于PON網絡的巨大帶寬，目前已經是光接入網的主流技術。但是OFDM采用的是多載波正交調制技術，在具有較高頻譜效率的同時也很容易產生高峰均功率比，導致信號非線性失真，因此高峰均功率比是目前制約OFDM-PON系統(tǒng)大規(guī)模應用的一個主要因素，也是目前研究的熱點。所以可以通過目前的研究熱點吸引學生參與科研，在參與科研的過程中，學生可通過線下查找資料、與老師討論等提出可行的方案，這些過程在讓學生了解目前最新技術的同時也提升了自我思考能力，為以后的科研奠定了堅實基礎。此外，PON帶來巨大網絡帶寬的同時也帶來了安全問題。由于PON采用的是拓撲結構，用戶信息極易被入侵者竊聽，所以在OFDM-PON系統(tǒng)中的安全問題也是一個目前研究的熱點。這樣在參與過上一個科研項目的學生就能很容易在下一個項目上實現(xiàn)無縫連接，在學生對于OFDM-PON系統(tǒng)有清晰認識的前提下，可以很好地發(fā)揮學生的創(chuàng)新性來提出相應的物理層加密方法實現(xiàn)用戶信息的加密。所以吸引學生參與老師的科研項目，不僅可以幫助學生拓寬知識面，還加深了學生對于知識的理解和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，很好地彌補了課堂上時間短，學生對于知識點理解不透徹的問題。

2.3 課程信息化網絡體系設計

創(chuàng)新教育模式下要求廣泛開展啟發(fā)式、討論式、參與式教學，這就要求教師隊伍加強本課程的信息化建設，便于學生充分利用網絡資源進行線下學習與線上學習互補，提高學生自主學習能力，有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。近年來，MOOC等新型授課方式在世界范圍內迅速興起，正在促使教學內容、方法、模式和教學管理體制發(fā)生變革，給高等教育教學改革發(fā)展帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。所以在保證教學質量的前提下，可以適當推進在線開放課程學習視頻和相應的線上學習考核制度。

在面對課堂教學時間不足以及學生對于知識點的理解程度欠缺等情況下，教師團隊可以通過網絡上傳詳細教學視頻以及課堂PPT文件以便于學生課下對知識進行回顧總結；同時，老師還可以上傳一些目前與光通信相關的最新前沿技術視頻，讓學生感受到信息技術快速發(fā)展的魅力，從而引導學生對于知識、學習、探索產生興趣；此外，老師可以制作一些具體問題的案例分析上傳到網上，讓學生利用書上的知識點來分析設計整個系統(tǒng)案例，以助學生對于知識點的融會貫通。最后為了保障學生線上學習的施行，線上的網絡學習可以采取分組形式，要求在一定時間內2人1組共同完成1個小課題，以保證學生可以真正地理解和掌握知識，避免了部分學生完不成任務，在組內濫竽充數(shù)的情況。

建立光纖通信線上學習資料和考核制度，不僅可以幫助學生在課下對課程進行預習和復習，還在一定程度上督促了學生的學習。因為教材的章節(jié)看似零散，不便于記憶，其實各知識點是串接在一起的，如若能夠將知識條理化，將知識編織成網，那么對于學生的記憶和理解是有很大幫助的。但課堂上的時間是有限的，對于知識點的講解和梳理并不能很詳細，所以可將課堂上詳細教學的視頻放到網上供學生學習，全面提高學生的學習能力，有利于創(chuàng)新教育的實施。

2.4 教學改革的效果分析

目前，在創(chuàng)新能力培養(yǎng)下的部分學生已參加學院的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目以及浙江省大學生“新苗計劃”等若干項科研項目，并且都取得了豐碩成果。在這些項目的支撐下已發(fā)表專利、一級期刊以及SCI論文多篇，見表2。其中，在參與老師科研項目OFDM-PON系統(tǒng)的物理層加密中，陳同學利用混沌映射和恒包絡零自相關（Constant Amplitude Zero Auto Correlation，CAZAC）序列實現(xiàn)了OFDM-PON系統(tǒng)數(shù)據加密與高峰均功率比的降低，并通過拉格朗日插值法對系統(tǒng)的密鑰進行加密，進一步提升了系統(tǒng)的安全性；并巧妙地利用混沌映射對導頻的間隔和排列順序進行加密，在沒有任何冗余邊帶信息的條件下完成了對傳輸系統(tǒng)的加密；趙同學利用混沌映射所具有的隨機特性來充分置亂OFDM信號時頻域位置信息，在加密傳輸系統(tǒng)的同時獲得了較大的密鑰空間等。這些參與科研項目的同學，大部分人進入了國內985學校讀研繼續(xù)從事科學研究工作。目前，教學團隊通過在課堂和實驗上對學生的學術興趣進行引導，并輔以學校的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目激發(fā)學生的自主學習和創(chuàng)新能力，再通過課下輔導和學習討論提高學生自主解決問題和可持續(xù)發(fā)展的能力，從而為今后學習深造奠定了一定基礎。

表2 教學設計案例下的部分學生成果

3 結 語

基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學改革是深化我國高校教育改革的必然趨勢。本文以光纖通信課程為主體，從具體的教學實踐出發(fā)，提出差異化培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的觀點。對于積極就業(yè)的學生，設計教學內容時將理論與實踐相結合，將當前的工程技術發(fā)展內容引入課堂上并通過在課堂上展示一些光器件實物，激發(fā)起學生的學習興趣，同時設計相應的以培養(yǎng)動手能力為主的小課題或者實驗，可以充分發(fā)揮學生主觀能動性和創(chuàng)新性。對于繼續(xù)深造的學生，以興趣為導向，設計相應的以科研為主的課題，以此培養(yǎng)學生的創(chuàng)新性思維，同時可以吸引學生參加老師的科研項目，實現(xiàn)科研反哺教學，加強學生的自主學習能力科研素養(yǎng)。此外，進行光纖通信的信息化網絡建設，便于學生充分運用課外的時間鞏固知識點。實踐表明，該教學方法可以很好地激發(fā)學生的學習興趣，避免了傳統(tǒng)枯燥的授課模式，且在完成教學要求的條件下，還進一步促進了學生創(chuàng)新性思維的培養(yǎng)。