鄒亞琪 陶苗苗

南通大學理學院，江蘇 南通 226001

《光纖通信》實驗在光電信息工程、電子信息工程、通信工程等專業(yè)的本科教學中有著非常重要的地位。該課程不僅能鞏固學生在光纖通信方面的理論知識，還能將理論結(jié)合到實際應(yīng)用中培養(yǎng)學生的實際動手能力。

近年來，隨著光纖通信技術(shù)的不斷發(fā)展，光纖通信實驗中逐漸暴露出以下問題：1）已有實驗設(shè)備老舊，所開設(shè)實驗多為驗證型；2）專業(yè)技術(shù)更新快，現(xiàn)有設(shè)備很難反映最前沿的發(fā)展成果，而購置高端專業(yè)設(shè)備成本太高；3）現(xiàn)有儀器擴展性差，學生難于驗證、實踐自己的構(gòu)想[1]。

針對以上問題，借助OptiSystem仿真軟件對光纖通信系統(tǒng)進行建模，實現(xiàn)《光纖通信》實驗的課程改革。目前，光纖通信實驗課程開設(shè)的綜合性、設(shè)計性實驗項目較少，可以充分利用OptiSystem仿真軟件的優(yōu)勢，借助豐富的器件庫對整個光通信系統(tǒng)進行靈活設(shè)計，從而實現(xiàn)對復雜光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計、測試和綜合分析。將原有操作實驗與OptiSystem仿真實驗相結(jié)合，有助于學生對相關(guān)理論知識的綜合運用，引導學生深入探索復雜的通信系統(tǒng)，對光纖通信課程有更加深刻和全面的認識。

一、“虛實結(jié)合”教學方式

“虛實結(jié)合”教學方式即動手操作與軟件仿真相結(jié)合，仿真實驗不能完全取代動手操作，而是作為操作性實驗的補充和擴展。將動手操作與軟件仿真相結(jié)合，不僅能有效提高學生動手能力，取得更好的教學效果，而且有利于培養(yǎng)學生的工程意識，改進學生的思維方式[2]。

“虛實結(jié)合”的教學方式可以帶來了以下優(yōu)勢：

1．提高學生動手能力：動手能力是當代大學生需要具備的基本能力，學生在實驗時往往需要反復練習。軟件仿真可以有效減少環(huán)境的限制，提供更多的操作機會，直到達到預想效果為止。

2．有效降低實驗經(jīng)費：仿真實驗可以重復完成，不需要昂貴的機器設(shè)備，其實際產(chǎn)生費用相較于實踐型實驗要低得多。

3．調(diào)動學生的學習積極性：學生在設(shè)計實驗的過程中，學會如何選用模塊、設(shè)置參數(shù)及綜合設(shè)計。虛擬仿真電路的靈活變化與可擴展性，還能充分調(diào)動學生的主動性和創(chuàng)造性。

4．培養(yǎng)學生融會貫通能力。通過仿真實驗，提高學生的實踐能力，讓理論更好地指導實踐。

“虛實結(jié)合”教學方式在實驗課程中的實行，不僅能加深學生對理論知識的理解，提高對專業(yè)知識的綜合運用，而且能培養(yǎng)其獨立分析能力，為學生走向工作崗位前進行工程素質(zhì)的培養(yǎng)提供了有效手段。

二、可行性分析

（一）OptiSystem軟件介紹

OptiSystem是加拿大Optiwave公司開發(fā)的一套光通訊系統(tǒng)綜合模擬軟件，可以完CATV及WDM/TDM網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、SONET/SDH環(huán)形網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、發(fā)射器、放大器、接收器設(shè)計、色散分析、使用不同接收器估算誤碼率以及對不同接收模式下估算系統(tǒng)性能等。OptiSystem軟件以豐富的元件庫及視窗化的操作界面為特色，其強大的功能完全可以滿足光纖通信實驗的教學需求[3]。在OptiSystem仿真實驗中，通過調(diào)整元器件參數(shù)，對系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸層光鏈路的設(shè)計、測試和仿真。

（二）實施方案

1．深入了解光電信息專業(yè)的教學大綱和培養(yǎng)目標，結(jié)合《光纖通信》實驗課程的相關(guān)內(nèi)容，利用OptiSystem仿真軟件，逐步建立“基礎(chǔ)型、綜合型、創(chuàng)新設(shè)計型”的多層次實驗教學體系。

2．改革后開設(shè)實驗項目包括光纖傳輸特性測量、光纖與光源耦合方法實驗、光無源器件的參數(shù)測定、光發(fā)送機設(shè)計、光放大器優(yōu)化設(shè)計、光接收機設(shè)計以及波分復用系統(tǒng)設(shè)計，結(jié)合理論教學，虛實結(jié)合，由淺入深，先完成基礎(chǔ)驗證型實驗，在此基礎(chǔ)上完成綜合設(shè)計型實驗，最后撰寫詳細的實驗報告（包括實驗思路、系統(tǒng)設(shè)計圖、元器件的選擇和參數(shù)設(shè)置、實驗現(xiàn)象及仿真結(jié)果分析等內(nèi)容）。

3．將動手操作與虛擬仿真相結(jié)合，既能提高學生動手能力，又能鼓勵學生自主設(shè)計實驗，激發(fā)學生的學習興趣，從而培養(yǎng)學生的探索意識和創(chuàng)造精神。

（三）實例分析

以波分復用原理性實驗為例：利用實驗室現(xiàn)有儀器設(shè)備（光源、波分復用器、示波器等），構(gòu)建兩信道的波分復用系統(tǒng)（如圖1所示），讓學生了解光通信系統(tǒng)的構(gòu)成，利用示波器直接觀察實驗中的現(xiàn)象。但由于硬件條件限制，一條信道只能相應(yīng)地配一套觀察設(shè)備，很難滿足同時監(jiān)測多點信號。

實際的通信系統(tǒng)復雜的多，利用OptiSystem仿真軟件，提出仿真實驗的要求、達到的預期結(jié)果，讓學生設(shè)計四信道甚至更多信道的波分復用系統(tǒng)（如圖2）。

圖2 四信道波分復用實驗仿真圖

圖3為發(fā)送端波分復用信號的頻譜圖，由光譜分析儀（Optical Spectrum Analyzer）監(jiān)測；圖4為接收端波分復用信號的頻譜圖，由光譜分析儀2（Optical Spectrum Analyzer_2）監(jiān)測。

圖3 發(fā)送端波分復用信號的頻譜圖

圖4 接收端波分復用信號的頻譜圖

借助OptiSystem軟件中的光譜分析儀，可以直觀地看出：光信號經(jīng)過一定距離的傳輸，光功率有一定程度的衰減，而光放大器（Optical Amplifier）能有效抑制損耗帶來的影響。因為光纖中的色散與非線性效應(yīng)，導致頻譜展寬，且由于四波混頻效應(yīng)，導致在原頻譜兩側(cè)出現(xiàn)了新的頻率信號。

在設(shè)計過程中，通過給出實驗要求及預期效果，讓學生在仿真軟件上設(shè)計光通信系統(tǒng)，將理論與實踐結(jié)合，有利于加強學生對整個光纖通信系統(tǒng)的了解[4]。

（四）實施成效

本?！豆饫w通信》實驗課程已經(jīng)試行仿真實驗項目，通過對教學效果分析以及與學生深入交流，得到以下結(jié)論：

1．學生在仿真實驗的過程中，元器件選擇、設(shè)置參數(shù)及整個系統(tǒng)搭建都與理論知識緊密相關(guān)，通過實驗進一步加深對理論的認識，促進了理論與實踐的有效結(jié)合；

2．與硬件實驗相比，仿真實驗涉及的知識點更多，實驗操作更復雜，實驗結(jié)果更生動，教學效果明顯提高；

3．鑒于虛擬仿真電路的靈活變化與可擴展性，合理利用OptiSystem仿真軟件設(shè)計電路，能充分調(diào)動學生的主動性。

三、總結(jié)

“虛實結(jié)合”教學方法將仿真軟件融入《光纖通信》實驗課程中。運用OptiSystem仿真軟件彌補原有實驗器材的局限性，豐富實驗內(nèi)容，提高教學效果；同時，幫助學生加深對理論知識的理解，提高對相關(guān)知識的運用能力[5]。綜上所述，將“虛實結(jié)合”教學方法應(yīng)用到《光纖通信》實驗課程，能調(diào)動學生對實驗學習的積極性，有效提升實驗課程的教學質(zhì)量。