向練 邵衛(wèi)東

【關鍵詞】光纖通信;MATLAB;教學改革

2020年3月4日中共中央政治局常務委員會召開會議，會議強調要加快5G網絡、數據中心等新型基礎設施建設進度。光纖通信作為有線傳輸網的首選通信方式，自20世紀80年代以來在全世界得到廣泛應用，隨著各種新技術的不斷提出，光纖通信的發(fā)展極為迅速，新的理論和技術不斷產生，通信容量不斷取得新突破。近年來，隨著云計算、大數據、人工智能、物聯網等熱門技術的大規(guī)模應用，數據量呈現出指數級增長態(tài)勢。根據思科預測，2025年全球數據流量將會從2016年的16ZB上升至163ZB，意味著光纖通信容量面臨著更高挑戰(zhàn)，勢必會進一步促進國內光纖通信技術的快速發(fā)展，企業(yè)對于光纖通信技術人員的需求也將大量增加，同時，對相關專業(yè)人才的素質提出了更高要求。

上世紀70年代，隨著低損耗光纖研制的成功，光纖通信逐漸從基礎研究轉向了商業(yè)應用，從而得到了迅猛發(fā)展。伴隨著光纖通信技術的發(fā)展，產業(yè)結構的不斷完善，國內逐漸構建了體系完備、邏輯嚴密、特色鮮明的教學體系。光纖通信課程不僅注重基礎理論的學習，而且由于其直接面向相關產業(yè)。與實際應用也同樣聯系緊密。因此該課程的覆蓋內容非常廣泛，包括了光源、光發(fā)射耦合、光傳輸、光放大、光接收評價及光網絡等部分，系統全面地介紹了光纖通信系統的各個部分。光纖通信課程是面向高等院校電子通信工程專業(yè)的一門非常重要的專業(yè)基礎課程，以培養(yǎng)具有扎實理論基礎的高素質專業(yè)人才為基本目標。該課程全面涵蓋了光纖通信過程中的各種基本知識和物理原理，從數字、模擬光纖通信系統，光纖通信技術等角度對這些知識進行全面講解，涉及廣泛的專業(yè)知識，如光學、普通物理、電磁場與電磁波、通信原理、數字電路和模擬電路、數字信號處理等，是專業(yè)類基礎課程所學理論知識在具體領域的綜合應用。這門課程具有內容復雜、概念比較抽象、基礎理論學習要求較深、不容易理解的特點，給學生的學習帶來了很大的困擾，學習積極性不高，使得教與學的難度比較大。目前在該課程的教學過程中主要存在以下幾個方面的問題：

1、教學模式陳舊。該課程所涉及的內容較多，教學壓力大，因此導致教學過程中老師容易墨守成規(guī)、照本宣科，按書本上的章節(jié)機械講解，忽略了與學生的互動。長此以往，學生就會誤認為光纖通信就是和眾多理論課程一樣，是一門偏重數學推導和計算的課程，而忽略了光纖通信課程與實際產業(yè)應用之間的非常緊密的聯系，從而導致學生認為本課程對于現實工作實踐指導意義不大。

2、教學內容重點不突出。不同學校，不同專業(yè)的學生，其數學和物理基礎參差不齊，而光纖通信課程本身與諸多專業(yè)知識緊密相連，如物理光學、半導體材料、光電子學、光刻技術等，大量知識點都是建立在諸多理論的物理概念和數學模型上的。如果學生在此之前對這些課程沒有一定的學習基礎，對一些基本原理，如數字通信原理、光電轉換原理、半導體器件的導電機制等沒有理解或根本沒有學習過的話，那么學生對光纖通信這門課程知識點的學習和理解將會遇到很大的困難。此外，通常工科類專業(yè)的學生，容易忽略對物理機制的學習思考，而是更注重實際動手操作的能力。這會導致學生對物理概念的理解，以及數學模型的推導能力相對較為薄弱，從而導致學生在聽課或自我學習時感到抽象乏味、晦澀難懂，很難理解一些概念和數學公式的本質含義，而僅僅是死記硬背，難以真正理解其中的原理，導致知其然不知其所以然。因此對不同專業(yè)的學生，需要了解其所學的基礎課程，針對性地制定不同教學重點，例如通信工程相關專業(yè)的學生有較好的電磁場理論背景知識，因此上課的時候可以對光在光纖中傳播時的波動理論進行重點講解。把握光纖通信的本質。而其他專業(yè)無相關理論知識的學生可適當弱化此部分內容的講解，循序漸進，逐步強化。

3、教學手段單一。由前面提到，光纖通信課程涉及的知識面非常廣泛，內容多，信息量大，教師在課堂授課時容易變成傳統的通過板書進行原理講解和公式推導。這種單一的教學手段很難讓學生理解其中的原理和意義。也無法與實際應用相結合，使得學生對此課程的學習感覺乏味、枯燥，毫無新鮮感，無法提高對課程學習的興趣。此外如果老師按傳統單一的教學手段進行講解，教學過程中與學生的互動效果很難體現，由于光纖通信課程比較難懂，一些學生即使沒有聽懂也不敢提問，并且有些學生知識儲備不全面，缺乏自信心，從而不知如何提問，再加上傳統教學手段互動性弱的特點，導致學生的學習興趣會逐漸降低。

4、實驗方式存在一定的缺陷。大多數學校開設的光纖通信實驗是在制作好的實驗箱上進行，該類實驗學生完全不需要理解實驗原理，只需按照指導書進行簡單操作，按部就班地打開開關，插線，使用模塊就可以得到實驗結果，對結果也不能夠很好地進行分析。這往往會導致學生做完實驗后依然不懂如何用已學的實驗原理對實驗現象進行合理解釋，更談不上實驗的拓展和設計，實驗效果不理想。這種機械的實驗方式很難激發(fā)學生的實驗興趣，也必定導致對學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的缺失。另外，通常實驗箱中的模塊和整個實驗結構在生產出來時就已經設計好固定不能改變了，這導致大多數實驗器件的參數不可調動，因而很難對實驗內容進行擴展，不利于培養(yǎng)學生的實驗興趣和創(chuàng)新思維。而且很多同學沒有規(guī)范地使用實驗箱，再加上電子元器件隨著使用年限的老化，導致很多實驗結果并不理想且實驗設備也會有不同程度的損壞，后續(xù)需要投入充足的經費進行維護和改善，這將使得實驗室的投入成本比較高。

隨著計算機的普及，使用軟件仿真進行輔助教學，能有效解決傳統教學中存在的一些問題。近年來，MATLAB軟件在諸多課程中被用來輔助教學，也取得了很好的教學效果。MATLAB是由美國Mathworks公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的計算機高級計算平臺，廣泛應用于科研學術和工程應用中的系統模擬和仿真計算。它將數值分析、矩陣計算、數據可視化和非線性動態(tài)系統建模仿真等強大功能集成在一起。具有強大的工程應用開發(fā)環(huán)境，其編程方式自由，簡單易學，為科學研究、工程設計等眾多領域提供了一種全面解決方案。光纖通信課程中有很多數學計算和理論推導，如果通過MATLAB軟件來展示公式的推導過程和結果，并利用其可視化的特點進行繪圖，可以使教學內容中抽象物理原理具有更加清晰、形象的視覺效果。這樣可以充分調動學生的感性認識，使學生快速地在大腦中形成清晰的記憶點，從而加深對教學內容的印象和理解，達到事半功倍的效果。針對MATLAB軟件的特點，可在光纖通信課程中利用的功能如下：

1、利用MATLAB強大的數學計算和數據可視化功能，可以形象直觀地展現一些抽象的數學公式和物理原理，例如通過MATLAB圖形演示光信號的調制解調過程。強化學生的視覺印象，從而加深學生的理解。

2、利用MATLAB的Simulink可視化仿真工具，開設光纖通信輔助實驗。在Simulink工具界面中有一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口（GUl），可以直接調用和建立圖像化的系統模塊，并且模塊參數多維度可調，將各種系統模塊進行簡單連接就可以建立一個直觀明了、功能豐富且功能強大的系統模型。通過這種方式使得原本價格昂貴的實際光纖通信系統變成簡單直觀，且無任何使用成本的靈活仿真系統，同時仿真結果實時可查，系統參數多角度可調，非常有利于系統的擴展和設計。而傳統的實驗箱模塊系統結構固化，參數固定，成本昂貴，實驗效果不穩(wěn)定，實驗內容難以延伸和靈活設置，不利于學生對實驗原理的理解和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。與此相比較，利用Simulink工具可以不受實驗設備、條件和時間的限制，學生利用空閑時間可自行在電腦上完成，提高光纖通信實驗的靈活性。

3、利用MATLAB軟件的編程功能，通過對一些公式的編程進行圖形展示，加強對光纖通信中公式和基本原理的理解，同時提高學生的基礎編程能力，增加了傳統教學手段。

在光纖通信中，損耗和色散是限制信號傳輸距離和傳輸容量的兩個重要因素。損耗使得光脈沖在傳輸過程中能量逐漸衰減;而色散會導致光脈沖在傳輸過程中展寬，導致碼間串擾，提高誤碼率。本節(jié)以光纖通信中損耗和色散為例，說明如何在光纖通信課程中利用MATLAB仿真軟件來進行輔助教學。

在單模光纖中光脈沖的傳輸會受到光纖衰減、群速度色散和方向非線性的影響。對脈寬大于5ps的光脈沖，其在光纖中傳輸的演變過程可由非線性薛定諤方程（NLSE）來描述：

這表明此時光脈沖的形狀并不會變化。只會受到光纖損耗的影響，信號幅值成負指數形式衰減，其光功率的變化如圖1所示。由圖中可以直觀看出光信號功率并不是隨著傳輸距離的增加而線性降低的，而是在傳輸前段衰減迅速。傳輸后段衰減速度逐漸放緩，通過編程繪圖可以讓學生加深印象。

2、光纖色散。當光纖長度時，非線性對光脈沖的影響可以忽略，此時光信號主要受群速度色散的影響。若不考慮光纖損耗，此時公式（1）可簡化為：

圖2（a）中顯示了初始入射高斯光脈沖與傳輸50 km后的光脈沖的對比圖，（b）圖中顯示了光脈沖隨著傳輸距離的增加，受色散影響后逐漸展寬的過程。相比于傳統的通過公式（4）和（5）來介紹光纖群速度色散，通過圖2的圖形展示可以生動形象的更好解釋群速度色散對光脈沖的展寬過程，加深學生對此概念的理解。

對公式（7）的求解和編程繪圖可以布置成作業(yè)，引導學生進行仿真算法的研究，提高學生的編程動手能力，同時加深對光纖非線性概念的理解，從而對光脈沖在光纖中的傳輸演化過程有深刻的理解。這種效果是在傳統的光纖通信教學和簡單實驗中難以達到的。

本文通過引入案例說明了MATLAB在輔助光纖通信教學的重要作用。通過案例分析可以看出。采用MATLAB進行輔助教學能直觀地將枯燥乏味、難以理解的數學公式進行形象展示，不僅可以強化學生的視覺印象，加深公式和基本原理的理解，而且可以提高光纖通信實驗的靈活性，增強學生的基礎編程能力。因此，采用MATLAB對光纖通信課程進行輔助教學改革，既能將抽象概念形象化，增強老師教學和學生學習效果，又能鍛煉學生動手能力，拓展學生的學習思維，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，對光纖通信課程教學升級有重要意義。