摘要:实验教学是培养学生创新能力和创新精神十分重要的一个环节。结合“光纤通信原理”课程现有的教学内容、教学方法及实验教学条件状况,构建了基础型、基础综合型、综合设计型、探索创新型的分层次实践教学体系。详细介绍了这一分层次实践教学体系的设计思想和内容。以科技项目为依托,创建探索创新型实验,使教学和科研有机地结合起来,相互促进,共同发展。学生的分析和解决问题的能力、创新能力和主动性得到了极大的提高,有效地改善了实验课程的教学效果。
关键词:光纤通信;实验设计;实验教学;创新人才培养
作者简介:李永倩(1958-),男,河北定州人,华北电力大学电子与通信工程系,教授,工学博士,主要研究方向:光纤通信与光纤传感;张淑娥(1964-),女,满族,辽宁沈阳人,华北电力大学电子与通信工程系,副教授,工学硕士,主要研究方向:光纤通信与微波测量。(河北 保定 071003)
基金项目:本文系河北省高等学校省级精品课程“光纤通信原理”建设项目(项目编号:121106)的研究成果。
“光纤通信原理”是高等工科院校通信工程专业的一门主要专业必修课,课程所包含的内容是通信工程、电子信息科学与技术专业本科生应具备的知识结构的重要组成部分,其基本理论还是一些交叉学科的生长点和新兴边缘学科发展的基础。华北电力大学(以下简称“我校”)的“光纤通信原理”课程,在2005年被确定为河北省高等学校省级精品课程。为了适应通信技术的发展,培养学生综合运用光纤通信基本理论和基本方法以及创新意识和开拓的能力,突出本课程的重实践、强能力的培养特色,我们进一步加大精品课程建设与改革力度,对“光纤通信原理”课程的实验教学内容、教学方法进行了全面建设。[1]
一、“光纤通信原理”课程实践教学设计思想
“光纤通信原理”课程总学时为48学时,讲课学时为40学时,实验为8学时。教学内容分为基本理论、基本原理和光纤通信新技术几大部分。[1]实验教学的主要内容为:光纤通信测量,包括测量的标准;光纤特性的测量;光器件的测量;光纤通信系统的测量。[2]
“光纤通信原理”课程是一门理论性及实践性很强的课程,实践教学对培养学生的动手能力、创新意识和开拓能力具有重要作用。为了适应培养具有坚实的光纤通信理论基础,具备分析、设计光纤通信系统的能力,能在光纤通信领域从事研究、应用的高素质应用研究型科学研究与工程技术人才的目标,提出了因材施教,构建“基础型、基础综合型、综合设计型、探索创新型”的分层次实践教学设计思想,使学生能够综合运用光纤通信的基本理论和基本方法,具有工程实践能力和分析问题、解决问题的能力。课内实验的内容分为基本、基础综合两部分,共8学时;综合型实验设计9个实验,每个实验需要6～10学时,供学生选做,采用开放式实验教学模式;设计9个探索创新实验实验,鼓励积极思考并具有探索精神的学生参加。
二、基础型及基础综合型实验设计
1.基础型实验
基础型实验有两个。
实验一:截断法光纤衰减常数测量;LED的P-I特性测试。(2学时)
实验内容:搭建截断法光纤衰减常数测量系统,测量一段裸光纤在注入端附近被截断前后的输出光功率,计算被测光纤的衰减常数;搭建LED P-I特性测量系统,测量给定LED输出光功率与驱动电流的关系,并描绘相应的测量曲线。
实验二:光端机码型变换测试;信道眼图测试。(2学时)
实验内容:分析、测试CMI编解码器电路的各个测量点的波形;测试光纤通信系统信号眼图,分析眼图性能指标。
2.基础综合型实验
实验三:光纤熔接;OTDR光纤损耗特性测试。
实验内容:光纤去涂覆、切割、端面处理,光纤熔接,热缩保护套管加热;被测光纤与光时域反射计(OTDR)的连接,光纤背向散射曲线、衰减常数的测量。
实验四:光纤通信系统光接口性能测试。
实验内容:搭建测试系统,用光功率计、光可变衰耗器和误码分析仪进行光发射机平均发送光功率指标测试、光接收机灵敏度的指标测试及整机测试。[3]
三、综合型实验设计
为了使学生能够综合运用光纤通信的基本理论和基本方法,具有工程实践能力和分析问题、解决问题的能力,课程设置了综合型实验供学生选做。
实验一:光端机码型变换设计及测试实验。
该实验的要求是学生自己动手,采用EDA电子设计软件设计CMI码的编译码器,然后下载到芯片上,替换实验箱的CMI码的编译码器。然后使用示波器测试实验箱的CMI码编译码器的输入、输出波形,对照输入、输出波形分析、验证编译码的正确性。这样学生综合应用了光纤通信、数字电子技术和EDA电子设计技术,综合运用知识的能力得到提高。
实验二:SDH光传输设备组网配置实验。
该实验利用通信综合实验室华为公司的SDH光传输设备为实验平台,采用多ADM技术,根据不同的配置需求,可以同时提供E1、64K语音、10M/100M、34M/45M等多种接口,允许学生自主完成对网元业务的设置、数据修改、监视等来达到用户管理的目的。实现SDH单向通道保护环、双向通道保护环、二纤复用段环保护、线性复用段保护等配置及性能测试,通过实验,学生综合应用了光纤通信的组网配置及误码、功率测试技术。
实验三:外调制光发射机的设计。
本实验在光传输系统OpticSimu仿真平台上完成。通过使用光传输系统仿真软件,建立由伪随机码发生器、编码器、连续波激光器以及单臂/双臂MZ马赫-曾德调制器组成的外调制光发射机。利用虚拟示波器观察被调制的数字信号码型,输出端用虚拟示波器和眼图分析仪来观察输出结果。
实验四:新型光调制格式信号实验。
本实验在光传输系统OpticSimu仿真平台上完成。光纤通信系统中,二进制非归零开关键控调制(NRZ)是一种被广泛应用的最简单的调制格式。然而在高速大容量的WDM系统中,由于其不能有效抵抗色散、非线性和噪声影响的缺点,于是出现了各种新型的光调制格式。如基于强度调制的归零调制格式(RZ),载波抑制归零调制格式(CSRZ),单边带调制格式(SSB),残留边带调制格式(VSB),双二进制调制格式等。这些调制格式能够有效减小信道间隔,增加频谱利用率,增强光传输过程的抗干扰能力。
本实验主要设计高速大容量的WDM系统中的几种新型光调制格式信号,通过观察不同调制格式下产生的信号输出码型,眼图及光谱比对分析,使学生综合掌握各种调制格式下产生的信号适应范围。NRZ调制格式在10G及更低速率的传输系统中被广泛运用。而在40G的WDM超长传输系统中,通常采用RZ、CSRZ、SSB等码型,这些码型可以不同程度地提高系统的OSNR容限,实现比NRZ更加优越的传输性能。
实验五:光放大器性能实验。
本实验在光传输系统OpticSimu仿真平台上完成。通过设计光放大器的各部分组成,测试其性能,观察增益随EDF参量的变化关系,即EDFA放大器小信号增益与泵浦功率的关系;EDFA放大器小信号增益与EDF长度的关系;EDFA输入光功率与增益关系曲线测量。
实验六:光接收机灵敏度的影响因素实验。
通过仿真实验观察信号比特速率和消光比对接收机灵敏度的影响。
实验七:光纤色散对传输性能的影响实验。
通过仿真实验观察不同速率和光纤长度的系统受色散的影响,色散补偿光纤对传输性能的影响。
实验八:非线性光学效应实验。
通过仿真不同信道间隔和发射功率情况下的实验,分析自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)、四波混频(FWM)对传输信号的影响。
实验九:WDM长距离传输系统设计。
通过使用光传输系统仿真软件,建立由光发射机、光波复用器、光功率放大器、传输光纤链路、光前置放大器、光波解复用器和光接收机几个部分组成的波分复用WDM传输系统。利用虚拟频谱分析仪和眼图分析仪来观察输出结果,分析色散、非线性效应等对WDM传输系统的影响。
四、探索创新型实验设计
课程建设小组以承担的国家863计划项目“光纤温度链及测量技术”及“光纤四纤自愈环传输继电保护信号的研究”等科技项目为依托,积极创造光纤通信本科创新人才的培养平台。吸收更多的学生参加科技项目的研究工作,精心设置了多个与科技项目相关的探索创新型实验。
实验一:光纤光栅应变传感系统设计;实验二:光纤光栅温度传感系统设计;实验三:光纤光栅应变、温度传感系统设计;实验四:光纤光栅交叉敏感特性分析;实验五:基于后向瑞利散射的分布式光纤传感技术;实验六:基于拉曼散射的温度测量系统设计;实验七:基于布里渊散射的温度测量系统设计;实验八:基于布里渊散射的应变传感系统设计;实验九:基于BOTDR的光纤应变、温度传感系统设计。
通过查阅、收集相关参考资料进行归纳整理。建立相应的传感器模型,提出自己的观点、看法,利用实验室现有的器件、仪器设备及仿真软件,搭建相应传感系统,进行相关测试。引导学生不断探索更好的提高性能的方法,培养学生的创新能力。
通过参加科研项目,更多的学生掌握了光纤通信中大型仪器仪表的使用及使用技巧,提高了学生的科研素质,也提高了学生的创造能力和分析问题、解决问题的能力。
学生的主动性得到了极大的发挥,扩展了知识面,有效地促进了“光纤通信原理”课程实践教学的发展。[1]
五、结束语
课题组教师在进行实践教学过程中采用了分层次的实践教学模式,动手能力一般的学生只需完成基础实验训练,给动手能力较强的学生增加综合设计型、探索创新型实验教学内容,逐步构建了“基础型、基础综合型、综合设计型、探索创新型”的分层次实践教学体系。[4]
课题组教师从课程实验教学内容及创新平台的建设、考核模式的建设及网络教学平台的建设几方面入手,加大实验教学力度,力求能够将现代教学手段与实际教学相结合,注重实验内容的科学化,加强创新平台的建设,突出本课程重工程应用实践、强创新能力的培养特色。进一步探索科学化的实验教学内容及考试模式,不断提高实践教学质量,建设具有课程鲜明特色的实验教学内容和实验教学方法及手段。
参考文献:
[1]张淑娥,李永倩.光纤通信原理课程教学方法改革探究[J].中国电力教育,2009,(18):97-99.
[2]顾婉仪,等.光纤通信[M].北京:人民邮电出版社,2006.
[3]方志豪,朱秋萍.光纤通信[M].武汉:武汉大学出版社,2004.
[4]籍亚玲,吴成东,张伟宏,赵静.四层次实验教学体系的探索与实践[J].实验技术与管理,2009,26(4):141-143.
(责任编辑:刘辉)