首页 -> 2008年第3期
光纤通信课程教学研究
作者：刘 强
[关键词]光纤通信，教学，实践环节，Multisim。
[中图分类号]TN929.11[文献标识码]A[文章编号]1005-4634(2008)03-0240-03
0引言
光纤通信是20世纪70年代问世的新技术，它以光波作为信息载体，采用光导纤维作为传输介质，具有巨大的可用带宽和极低的损耗。近年来，光纤通信技术得到了飞速发展和广泛应用，目前光纤不但已经取代电缆成为有线信道最主要的传输方式而且仍在以惊人的速度向更高阶段发展，高水平的光纤通信技术不断涌现，如波分复用技术（WDM）、相干光通信（COFC）技术、光纤放大器和光孤子通信等。可以说，以光纤通信为主的光通信技术已经深刻地改变了人们的生活，成为未来通信技术发展的一个重要方向。
1该课程的内容和任务
光纤通信课程是一门系统介绍光纤通信理论和技术的课程，内容包括光纤传光基本原理、光纤波导中的模式场分布、光发射器、光检测器以及光纤通信系统的构成。通过这门课程的学习，可以使学生掌握光纤通信技术的基本原理、光纤通信系统的基本构成以及系统设计方法，了解光纤通信技术的实际应用和最新发展方向，为从事本专业研究与应用打下良好的基础。光纤通信课程的授课对象为本科通信工程、光电子等专业，授课学时为60学时，另有10学时实验和两周的课程设计。
光纤通信课程设计是给学生提供一个理论联系实际的机会，引导学生利用所学的专业知识来解决实际问题，在此基础上进一步加深对课堂知识的理解与印证。另外，课程设计给学生提供了一个了解本专业知识实际应用和发展方向的机会，可以激发学生的学习兴趣。
2目前存在的问题
从这几年光纤通信课程的教学实践来看，学生普遍反映这门课比较难学，一些概念知其然不知其所以然。笔者分析，原因有如下几个方面：
1）学生的基础理论知识不够扎实。例如研究光纤中的模式场分布通常是在圆柱坐标系下用分离变量法解给定边界条件下的亥姆霍兹方程来完成，这个过程中用到二阶常微分方程和贝塞尔方程的求解知识以及不同介质中电磁波的传播理论，要求学生有较好的数学功底和电磁波方面的知识，如果基础知识不够扎实这部分的学习就会出现困难；
2）部分学生空间想象能力缺乏。这门课程的理论比较抽象，学生难以理解不同模式的光波到底是如何在光纤中分布和传输的。这是因为光纤中电磁场分布是一个三维空间结构，必须要有很好的空间想象能力才能将推导出来的数学结论和空间场分布对应起来；
3）学生的实践能力比较弱。学生的实际动手操作能力较差，不能将所学理论知识和实际应用结合起来。虽然学到了一些理论知识，但是不知道这些知识用在何处、如何运用。笔者分析出现这种问题的主要原因存在于实践教学环节中：实践环节的总量不够；实践环节的内容和实际技术应用脱节。
3解决办法
针对教学中出现的上述问题，结合几年来的教学经验，笔者组织任课教师进行了认真讨论，分析了出现问题的原因，并采取了以下措施。
3.1课堂理论教学
首先，针对学生反映比较难懂的理论、有计划地复习和补充一些前导知识。例如场论、高等数学、电磁场理论、导波光学等知识都是在光纤通信课程中要用到的重要理论，笔者采用学生课前预习和教师课堂复习的形式来回顾这些知识，这样应用起来学生就能更容易理解和接受。对于难以理解的概念采用多种不同的分析方法，由浅入深，逐步阐述，先简单介绍理论的大致脉络，然后再用严格的理论推导证明其内容。例如，光纤中的模式场分布是光纤通信理论中的一个重要内容，通常采用的方法就是用分离变量法解给定边界条件下的亥姆霍兹方程，这样的确可以得到光场分布的精确数学表达式，但是其过程繁琐复杂，而且学生难以将推导出的理论结论和实际物理意义对应起来。所以在这一部分的教学当中采用几何光学与导波光学相结合的方法，首先阐明不同的传输模式实际上对应的是不同的传播角，而产生不同的离散模式的原因是光波在芯区和包层分界面上发生反射时会产生相位移动，这个相位移动恰恰就依赖于传播角的大小，在理解概念的基础上再运用电磁场理论推导出严格的数学结论。这样循序渐进，使学生更容易理解和接受概念；
其次，探索教学手段的改革，充分发挥多媒体教学的直观、生动、信息量大的优势，采用传统教学和多媒体教学相结合的方式来提高教学质量。根据教学大纲的要求，结合本学科的实际情况，笔者以张明德教授编写的《光纤通信原理与系统》为基础，制作了适合实际情况的教学课件，在阐述基本原理、基本方法的同时强调理论与工程实际相结合，介绍专业领域的新技术与新成就。经过连续四年的使用和修改完善，这套课件的教学效果良好；
另外，为了使抽象的理论教学变得更直观，更易于接收，也为了使学生初步了解一些本专业科学研究的方法，笔者引入了Virtual Photonics公司的Photonic Transmission Design Suite（PTDS）和Multisim等仿真软件。在讲授数字光纤通信部分时，定时提取电路是接收机中一个重要的组成部分，但是几乎所有的教材中对于这一部分只是给出了一个组成框图和简单的描述，并没有相应的电路，学生就不容易理解。笔者使用Multisim软件设计了一个定时提取电路，仿真的结果可以清楚地看到信号是如何在电路中得到处理以及各个点上信号的波形，如图1和图2所示。通过课件和仿真工具软件的使用，不但使原先枯燥的课堂教学变得更加生动，还可以使学生更容易地理解课本中的概念，初步了解和学会运用本专业实际工作中使用的一些工具软件和分析手段，为将来尽快的适应实际工作需要打下坚实的基础。
3.2实践教学环节
针对实践环节存在的问题，笔者也做了相应的调整。对于实践内容总量不足的情况，在新教学计划中已经进行了修改，增加了实践环节学时，把从前一周的课程设计增加为两周，同时增加了四学时的实验。这样就使学生有更多的参加实践的机会，也可以使老师有条件制定内容更充实、与实际结合更紧密的设计题目。
针对实践环节内容与实际应用脱节的情况，在总结前几届教学经验的基础上，笔者对旧的课程设计教学大纲进行了如下三个方面大的调整：
1）修改了课程设计内容。将原先单一频率正弦波或方波信号的光纤传输系统设计改为宽带视频信号的传输系统设计，增强了设计内容的实用性和趣味性，提高了学生参与的积极性和思考的主动性；
2）增加了光路设计的工作量。根据当前光通信技术的发展和实际应用，取消了原有的LED发射系统设计，全部改为LD光纤传输系统设计，整个设计当中既包括光发送部分又包括光检测内容，可以使学生从一个设计当中领会到完整的光纤通信系统的构成、工作原理以及设计方法；
3）增加了电路设计的内容。改变原先的直接模拟信号强度调制为模拟信号脉冲频率调制(PFM)，这样就使得设计内容更贴近实际应用。电路部分还增加了电路Multisim仿真和印刷电路板(PCB)的Protel设计部分，以弥补光学专业学生电路设计能力方面的欠缺，提高学生毕业之后的社会竞争力。PFM调制电路及其multisim仿真结果如图3、图4所示。
新的课程设计不但增加了设计的内容，加大了设计的难度，而且增强了设计的实用性和趣味性，将书本中的理论知识和专业实际应用更加紧密地结合起来，可以提高学生参与的积极性和主动性，通过设计实践，可以使学生更好的理解光纤通信系统的理论知识，提高运用所学解决实际问题的能力，增强专业综合能力和社会竞争力。
4结束语
采用新的教学方法和实践内容把复杂的问题变得容易了，把枯燥的问题变得生动了，真正调动起了学生的学习积极性，使学生由先前的畏惧、排斥这门课到喜欢、愿意学习这门课，由被动学习变为主动学习。笔者在光纤通信课程教学实践方面进行的改革，经过近三年的运行，取得了不错的效果。
参考文献
1张明德,孙小菡.光纤通信原理与系统[M].南京:东南大学出版社,1996:22-51.
2贾新章.Orcad/PSpice 9实用教程[M].西安:西安电子科技大学出版社,2000:127-135.
3郑步生.Multisim 2001电路设计及仿真[M].北京:电子工业出版社,2002:96-121.
4陈才和.光纤通信[M].北京:电子工业出版社,2004:255-289.