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光纤通信课程教学问题与方法

摘要:光纤通信课程是通信工程专业的核心课程之一,背景知识复杂,涉及内容多,授课难度大.在当前学时普遍被压缩的条件下如何提高教学效率,确保教学质量已成为必须解决的问题.根据该课程特点和教学实际,以传输原理与特性知识点为例分析了光纤通信教学中容易出现的几种问题,并对相应的解决方法进行了探讨.

关键词:光纤通信;传输原理与特性;教学方法

光纤通信是高等院校通信工程专业的必修专业课程,涉及物理、通信原理、模拟/数字电路及电磁场等诸多基础课程的知识[1-2].教学过程中常出现因知识点繁杂及学生基础理论不扎实,导致把握不住学习重点,形成不了知识体系的现象[3-4].针对该情况,本文结合教学实践经验,以光纤通信传输原理与特性知识点为例分析存在的主要问题并提出相应解决方法.

1光纤通信教学问题分析

当前光纤通信相关的经典教材较多,虽然内容编排顺序不尽相同,侧重点稍有差异,但基本知识点都是相同或近似的,主要包括光纤传输原理与特性,有/无源光器件,发射机与接收机,光纤系统设计,SDH和DWDM及各类新型光网络,光器件操作与性能测量等[5].其中传输原理与特性一般作为全书第2章的内容讲述光纤通信的基本原理和主要特性,是后续知识点也是全课程的基础理论部分.因此,是教学的一个重点内容,而且该模块由于涉及较多的物理与数学知识,内容抽象,公式繁杂,也是教学的难点内容.以该模块为例,分析光纤通信教学中容易出现的几个问题:1.1教学内容多但课时有限.该部分包括光纤与光缆结构、射线理论法、波动理论法、光纤损耗特性、色散特性和非线性特性等主要知识点,而且每个知识点又包含较多的基础概念、基本原理甚至较复杂的数学公式推导.与之相对应的是当前高校课程门类多,普遍存在课时被压缩情况,该部分只分配了6学时的理论教学和2学时的实验课.因此,如何根据人才培养目标来合理确定教学内容,并做好学时分配是确保光纤通信教学质量的前提.1.2主要知识点理解难度大.在知识点中波动理论法需要学生具备较强的电磁场理论知识背景,概念比较抽象并包含复杂的公式推导;色散特性包含模式色散、材料色散、波导色散和偏振色散等4种不同类型,其生成原因各异且涉及光纤模式、相位常数、群速度和双折射等很多学生较难理解的概念;.非线性效应包含受激散射和折射率扰动2大类,相应的物理过程也都比较复杂.因此,如何使学生切实掌握这些知识难点是提升光纤通信教学水平的关键.1.3难以形成完整的知识结构体系该模块内容可分为光纤及光缆结构、传输原理和传输特性,三者既有联系又相互独立.如果完全按照独立的小节讲解,学生必然会感觉知识点庞杂且易混淆、易忘记.例如:学习传输原理必然要用到光纤结构知识,理解保偏光纤又需要了解光纤模式和偏振特性.因此,如何安排好各知识点的讲解顺序并构建每章、每节甚至每次课的知识体系是增强光纤通信教学效果的重点.1.4某些内容可能与其他课程重复.学校开设了诸如通信系统、现代通信技术和军事通信基础等基础通用课程,其中会用一章或一节介绍光纤通信的知识.这些内容如果在光纤通信课程中完全不讲,则导致教学内容不完整,但如果完全重复已学知识又导致教学资源浪费.因此,如何处理好光纤通信与此类课程的关系是提高光纤通信教学效率的助力.

2教学方法探究

要提高课程教学效果,必须解决存在的问题,并辅以适应的教学方法和手段.2.1分清主次,做好内容取舍.在课时有限的情况下要将所有知识点讲透彻是很难做到的,需要根据学生培养特点有所侧重.目前工科院校的本科生培养大部分注重实际工程应用,各知识点可根据本校教学实际适度调整教学内容.例如:在介绍传输原理时可使用射线理论法,也可使用波动理论法,前者简单但得到的是近似结果,后者得到精确结果但过程极为繁杂.如果学生培养的主要目标不是从事光纤通信专门科学研究,可以将教学重点置于射线理论法,对波动理论法只做主要概念和推导思路的介绍.2.2深入浅出,侧重概念掌握.波动理论法、色散特性和非线性效应等内容原理复杂,涉及概念多,甚至还有复杂的数学推导.教学中应该侧重学生对基本和关键概念的掌握,透过现象直击本质.例如:波动理论法的本质就是通过求解特定边界条件下的麦克斯韦方程获得电磁场分布,每种分布对应不同模式,引出归一化频率、模场直径等基本概念的含义,而详细的推导过程可以根据教学实际进行简化处理甚至省略(实际上已有本科生教材不再列出详细推导过程);色散特性和非线性效应分别讲解各自产生的原因及对通信的影响,而色散补偿及非线性效应中功率/相位的计算推导等内容可以给学生提供思路,在课后查阅资料自学.2.3高屋建瓴,构建知识体系.形成相对完整的知识体系结构不仅有利于学生全面掌握所学知识要点,还有利于其加强对各知识点的理解.因此,教学中有必要对相关知识点进行适当调整,通过其内在逻辑性串联在一起并及时归纳总结.例如:光缆结构的内容涉及到传输原理和特性的知识,所以可将其放在第2章最后讲授;学生易混淆4类色散原因,故在介绍概念后可马上归纳其特点并进行比较,而不一定等到本次课结束时再总结.当然,完整的知识体系是由多个“小”模块组成,每个小模块又包含很多概念或原理,因此也需要重视每个模块自身的体系构建.例如:在讲解射线理论法时可将7个小的知识点通过层层递进的方式分析光纤是“如何传输光信号”这个核心问题(见图1).而且在解释完最后一个小知识点“基于射线理论法的模式”后可顺势引出下一部分“波动理论法”内容,这样将多个零散的知识点串成“线”,再与其他知识点形成“面”,最后构建课程完整的知识体系.2.4由表及里,揭示内涵本质.在某些通用基础课(如通信系统)中,学生已经接触了部分光纤通信的知识,那么在专业课中讲授时不仅要控制这部分内容的时间,还应该利用该条件加强学生对新知识的理解.首先,学生已有的知识在专业课中不能完全不讲,否则难以构建课程完整的知识体系.其次,课堂中对该部分知识的控制要根据学生的实际掌握程度确定,可快速回顾亦可适度分析[6-7].第三,通过已学知识启发学生对新知识的兴趣,例如:学生已学过光学定律和光纤结构的基础知识,可提问是否所有光线都能被光纤传输,如果不是那么有什么原因,从而引出后面一系列问题(见图1).学生已经了解光纤在传输过程中会有损耗,那么到底损耗有哪些来源,损耗是如何度量等.通过这样的方法不仅使授课内容的知识点完整,提高课时利用率,还可激发学生学习兴趣并加深对新旧知识的理解.2.5灵活多变,丰富教学手段.除了需要注意的方面,灵活运用各种教学方法手段也是提高教学质量的重要途径.包括:使用多媒体资源增强描述的生动形象性,如Flash动画展示不同波长光线在渐变折射率光纤中可同时到达接收机,光斑亮度图片解释线性偏振模的含义,专业视频说明光纤的制造过程等;利用例题加深学生对重要概念的理解,如通过计算不同色散系数光纤的时延和带宽来理解色散对系统性能的影响;引入实物解释特殊现象[8],如光纤的弯曲损耗可通过一个简单并且可在课堂上完成的实验来验证——使用激光笔把光打入一段弯曲的光纤,光从光纤侧边泄露出来,即存在能量损耗;应用工具软件辅助教学难点[9-10],如使用Matlab软件生成线性偏振模的三维立体图像以及仿真色散展宽过程等.虽然这是基于光纤传输原理与特性知识点进行的探讨,但对于其他知识点也是适用的.例如:对传送网部分的讲授就必须要理清同步数字体系(SDH)、多业务传送平台(MSTP)、波分复用(WDM)、光传送网(OTN)及分组传送网(PTN)之间的关系,让学生形成清晰完整的知识体系.

3教学效果评估

通过对教学内容的精心组织和教学方法的灵活运用,授课时学生的学习兴趣明显提升,注意力更为集中,课堂气氛非常活跃.课后的问卷调查与座谈交流中,学生们认为内容的安排比较合理,知识点之间的关系脉络十分清晰,特别是对核心知识的印象非常深刻.课程考核通过理论考试、实验和课堂提问的形式进行,比例分别为70%,20%和10%.通过2轮的教学实践,发现学生对知识点的理解更为深刻,掌握更加全面,实验能力得到很大提高,考核平均成绩相比过去有5~8分(百分制)的提高,教学效果令人满意.

综上所述,传输原理与特性模块是光纤通信课程的基础理论部分,也是课程教学的重点和难点.本文以该知识点为例,分析了教学实践中遇到的课时受限、难点较多、体系构建及内容交叉等方面的问题,并提出了相应的解决办法.光纤通信其他模块的教学可参照所列方法,根据不同内容特点加以调整改进,提高教学效果并促进课程整体质量的提高.

作者:戴精科 井亚鹊 张峰干 单位:火箭军工程大学

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