“虚实结合”教学方式在《光纤通信》实验中的应用

邹亚琪 陶苗苗

南通大学理学院，江苏 南通 226001

《光纤通信》实验在光电信息工程、电子信息工程、通信工程等专业的本科教学中有着非常重要的地位。该课程不仅能巩固学生在光纤通信方面的理论知识，还能将理论结合到实际应用中培养学生的实际动手能力。

近年来，随着光纤通信技术的不断发展，光纤通信实验中逐渐暴露出以下问题：1）已有实验设备老旧，所开设实验多为验证型；2）专业技术更新快，现有设备很难反映最前沿的发展成果，而购置高端专业设备成本太高；3）现有仪器扩展性差，学生难于验证、实践自己的构想[1]。

针对以上问题，借助OptiSystem仿真软件对光纤通信系统进行建模，实现《光纤通信》实验的课程改革。目前，光纤通信实验课程开设的综合性、设计性实验项目较少，可以充分利用OptiSystem仿真软件的优势，借助丰富的器件库对整个光通信系统进行灵活设计，从而实现对复杂光网络系统的设计、测试和综合分析。将原有操作实验与OptiSystem仿真实验相结合，有助于学生对相关理论知识的综合运用，引导学生深入探索复杂的通信系统，对光纤通信课程有更加深刻和全面的认识。

一、“虚实结合”教学方式

“虚实结合”教学方式即动手操作与软件仿真相结合，仿真实验不能完全取代动手操作，而是作为操作性实验的补充和扩展。将动手操作与软件仿真相结合，不仅能有效提高学生动手能力，取得更好的教学效果，而且有利于培养学生的工程意识，改进学生的思维方式[2]。

“虚实结合”的教学方式可以带来了以下优势：

1．提高学生动手能力：动手能力是当代大学生需要具备的基本能力，学生在实验时往往需要反复练习。软件仿真可以有效减少环境的限制，提供更多的操作机会，直到达到预想效果为止。

2．有效降低实验经费：仿真实验可以重复完成，不需要昂贵的机器设备，其实际产生费用相较于实践型实验要低得多。

3．调动学生的学习积极性：学生在设计实验的过程中，学会如何选用模块、设置参数及综合设计。虚拟仿真电路的灵活变化与可扩展性，还能充分调动学生的主动性和创造性。

4．培养学生融会贯通能力。通过仿真实验，提高学生的实践能力，让理论更好地指导实践。

“虚实结合”教学方式在实验课程中的实行，不仅能加深学生对理论知识的理解，提高对专业知识的综合运用，而且能培养其独立分析能力，为学生走向工作岗位前进行工程素质的培养提供了有效手段。

二、可行性分析

（一）OptiSystem软件介绍

OptiSystem是加拿大Optiwave公司开发的一套光通讯系统综合模拟软件，可以完CATV及WDM/TDM网络设计、SONET/SDH环形网络设计、发射器、放大器、接收器设计、色散分析、使用不同接收器估算误码率以及对不同接收模式下估算系统性能等。OptiSystem软件以丰富的元件库及视窗化的操作界面为特色，其强大的功能完全可以满足光纤通信实验的教学需求[3]。在OptiSystem仿真实验中，通过调整元器件参数，对系统优化设计，实现光网络系统传输层光链路的设计、测试和仿真。

（二）实施方案

1．深入了解光电信息专业的教学大纲和培养目标，结合《光纤通信》实验课程的相关内容，利用OptiSystem仿真软件，逐步建立“基础型、综合型、创新设计型”的多层次实验教学体系。

2．改革后开设实验项目包括光纤传输特性测量、光纤与光源耦合方法实验、光无源器件的参数测定、光发送机设计、光放大器优化设计、光接收机设计以及波分复用系统设计，结合理论教学，虚实结合，由浅入深，先完成基础验证型实验，在此基础上完成综合设计型实验，最后撰写详细的实验报告（包括实验思路、系统设计图、元器件的选择和参数设置、实验现象及仿真结果分析等内容）。

3．将动手操作与虚拟仿真相结合，既能提高学生动手能力，又能鼓励学生自主设计实验，激发学生的学习兴趣，从而培养学生的探索意识和创造精神。

（三）实例分析

以波分复用原理性实验为例：利用实验室现有仪器设备（光源、波分复用器、示波器等），构建两信道的波分复用系统（如图1所示），让学生了解光通信系统的构成，利用示波器直接观察实验中的现象。但由于硬件条件限制，一条信道只能相应地配一套观察设备，很难满足同时监测多点信号。

实际的通信系统复杂的多，利用OptiSystem仿真软件，提出仿真实验的要求、达到的预期结果，让学生设计四信道甚至更多信道的波分复用系统（如图2）。

图2 四信道波分复用实验仿真图

图3为发送端波分复用信号的频谱图，由光谱分析仪（Optical Spectrum Analyzer）监测；图4为接收端波分复用信号的频谱图，由光谱分析仪2（Optical Spectrum Analyzer_2）监测。

图3 发送端波分复用信号的频谱图

图4 接收端波分复用信号的频谱图

借助OptiSystem软件中的光谱分析仪，可以直观地看出：光信号经过一定距离的传输，光功率有一定程度的衰减，而光放大器（Optical Amplifier）能有效抑制损耗带来的影响。因为光纤中的色散与非线性效应，导致频谱展宽，且由于四波混频效应，导致在原频谱两侧出现了新的频率信号。

在设计过程中，通过给出实验要求及预期效果，让学生在仿真软件上设计光通信系统，将理论与实践结合，有利于加强学生对整个光纤通信系统的了解[4]。

（四）实施成效

本校《光纤通信》实验课程已经试行仿真实验项目，通过对教学效果分析以及与学生深入交流，得到以下结论：

1．学生在仿真实验的过程中，元器件选择、设置参数及整个系统搭建都与理论知识紧密相关，通过实验进一步加深对理论的认识，促进了理论与实践的有效结合；

2．与硬件实验相比，仿真实验涉及的知识点更多，实验操作更复杂，实验结果更生动，教学效果明显提高；

3．鉴于虚拟仿真电路的灵活变化与可扩展性，合理利用OptiSystem仿真软件设计电路，能充分调动学生的主动性。

三、总结

“虚实结合”教学方法将仿真软件融入《光纤通信》实验课程中。运用OptiSystem仿真软件弥补原有实验器材的局限性，丰富实验内容，提高教学效果；同时，帮助学生加深对理论知识的理解，提高对相关知识的运用能力[5]。综上所述，将“虚实结合”教学方法应用到《光纤通信》实验课程，能调动学生对实验学习的积极性，有效提升实验课程的教学质量。