面向课程群建设的“光纤通信”教学方法探索

杨彦甫

(哈尔滨工业大学(深圳) 电子信息与工程学院， 深圳 518055)

为应对未来新工科培养体系的打造与完善，国家教育部门提出开展课程群建设指引，旨在消除核心课程间的内容衔接问题，完善学生的知识与能力培养体系，从而支持后续的实践创新培养目标。目前各高校也正遵循课程群建设思路，开展以重构课程群、打造知识链的教学内容与方法改革[1]。这一教学改革举措，将有望解决传统教学下正在呈现的部分问题，例如核心课程各自建设的格局，容易导致“知识点散乱、缺乏有效衔接”的体系效果，不利于构建“核心概念→关键方法→实际应用”的知识链条；从教学效果角度看，学生在理解抽象关键概念时缺乏有效应用场景描述，而在面向实际问题时缺乏应用所需基础理论知识的引导，这都将降低学生学习兴趣并阻碍实践创新能力的培养。因此，急需开展课程群教学建设工作，通过打造有机融合、有效衔接的知识链条，进而构建完备的知识体系，营造“学知其用，能用所学”的创新型工科人才培养宗旨[2-3]。

“光纤通信”作为电子信息类本科培养方案中的核心课程，正面临着教学内容亟待更新、学科交叉融合的新挑战。过去几年光纤通信技术从直接检测迈入相干检测的时代，光纤传输的频谱效率与传输距离得到长足的发展。在这一产业跨越式发展驱动之下，现代的光纤通信技术正在吸收应用着无线通信领域的各种先进调制、编码、网络管理技术[4]。因此“光纤通信”课程建设中，一方面需要更新教学内容，同时还需特别注重与其他关联课程的内容整合、知识点衔接。这一客观需求与课程群建设宗旨正好契合，因此，以课程群建设为抓手，从“光纤通信”课程的视角出发，探索构建脉络清晰的知识链条的教学方法，将有利于建设完备电子通信知识体系，进而支撑学生创新实践能力的培养。

主要介绍以课程群建设目标的“光纤通信”课程教学方法探索，主要思路是梳理“光纤通信”与关联课程(“信号与系统”“通信原理”“随机信号分析”)的知识衔接关系，在教学过程中通过概念辨析、技术比较、方法应用等多个教学手段，将“光纤通信”场景下的教学知识与已先修课程理论概念、方法结合。经过实际教学检验，这一方法特别有利于强化学生在理论概念方面的理解深度，可搭建理论知识点与应用之间的有机联系，有效形成“从应用角度理解理论，从应用需求使用知识”的目标导向型教学体系，可有力夯实创新实践工科人才的培养基础。

1 教学实例

下面介绍在面向课程群建设的知识点讲授方法的探索工作，包括了基于辨析、类比、应用的三个教学实例：

1.1 学实例一(辨析)：光信噪比

光信噪比是光通信技术领域一个重要参数，定义为光功率与某个特定带宽内的光噪声功率的比率。学生初次接触这一参数时，容易与“通信原理”课程的信噪比定义相混淆，并产生诸多疑问，如光信噪比与信噪比的区别和联系，光通信领域定义这一参数的主要目的等。因此这就需要教师从课程群建设目标出发，以概念辨析手段进行讲解。具体来说，首先指出这两个关键参数的应用场合不同，信噪比是在分析通信系统理论性能时所提出的关键参数，而光信噪比参数，主要面向表征光纤通信系统中光信号受噪声损伤程度的实验参数，可借助光谱仪进行实地测量，基于该实验参数，还可便利地去实验表征接收机灵敏度与其他的信号畸变代价。接着，进一步推导两个参数之间的关系表达式，指出两个重要参数之间的关联，最后阐述这一关系式在实际工作中的应用，利用“通信原理”课程中算的信噪比灵敏度，可得到光纤通信系统下的理想的光信噪比灵敏度，将其与实测的光信噪比灵敏度相比较，差值即为系统实现代价。通过上述循序渐进的讲解，学生可有效辨析两门课相近参数之间的区别，建立关联课程内容之间的有效衔接，生动地掌握在实际场景下如何应用关联知识。

1.2 教学实例二(对比)：功率预算与光信噪比预算

系统预算是通信系统设计中的关键环节，是确保获得预期通信性能的必要手段。在“通信原理”课程中，主要考虑功率受限的场景条件，噪声主因是放大器或者接收机中的热噪声，而“光纤通信”课程，既包括功率受限的光接入场景，也有光信噪比受限的长距离传输场景，前者的噪声主因来自热噪声或者光电探测器噪声，而后者的主导噪声来自光放大器的自发辐射噪声。因此，有必要将两门课内容以对比手段进行讲解，首先理清各自场景条件的差别，以及在接收方案以及噪声主因的差异，然后比较分析各自的功率预算和光信噪比预算方法的共同点与差异，最后引申强调在系统预算背后，各自系统设计的重点和关键环节，以及可能提升系统性能的手段。通过上述对比讲解，学生将深入掌握不同应用场景下的系统预算方法，清晰了解功率预算与光信噪比预算的差异之处，将更为扎实掌握系统设计的基本方法。

图1 光信噪比与信噪比的辨析讲解幻灯片

1.3 教学实例三(应用)：拍频噪声分析

在普通电路中，拍频指的是两个正弦信号源叠加后，使得信号幅度出现高低震荡，完整的震荡过程称为一拍，而震荡的频率则称为拍频。在光通信系统接收机，信号光与自发辐射噪声共同进入光电探测器后，根据平方率探测原理，在探测电流成分中存在信号与自发辐射，以及自发辐射与自发辐射之间的电场复共轭相乘项，也称为拍频噪声项，这与电路系统中信号加性叠加有所不同。开展光接收机中的拍频噪声分析，是进行光接收性能优化与设计的关键步骤，旨在算出噪声时域方差，进而为后续计算系统Q值和误码率做准备。这一应用场景下的噪声分析，可直接借鉴“随机信号过程”课程中的分析计算方法。在讲授中，可引导学生回忆已学的分析方法，先求得频域内的各个频谱分量的表达式，然后进行频域积分算出时域噪声功率或者方差值。当然，从课程群建设角度出发，这一场景的噪声分析前置放入“随机信号过程”的讲授内容，这将更有利于学生面对实际场景进行分析方法的掌握，也为后续学习“光纤通信”课程打下了良好的基础。

图2 拍频噪声讲解幻灯片

上述给出的三个典型的教学案例，分别展示了辨析、对比以及应用三种教学方法在“光纤通信”课程的探索。通过课堂实践与学生反馈发现，主要取得多方面的教学成果：①在课堂采取提问方式，引导学生回答本课程与已修课程中类似概念、原理之间的差异与相通之处，明显提升了课堂讨论气氛，极大调动了学习主动性；②在知识掌握方面，通过随堂测试证实学生在概念辨析、原理分析以及基本方法理解方面，取得较好的教学评估效果；③在知识应用方面，上述教学方法的实践与探索，有效帮助学生在光与电、光纤通信与通信理论之间建立有效知识链接与关联，提升了学生在后续仿真实践课程中的建模、仿真与分析能力。因此，提出的教学方法探索，可有效构建课程群建设背景下全景知识图谱，提升学生概念比析、原理分析、知识应用方面的能力与素养。最后简单列出在“光纤通信”课程其他重要知识点的讲解方法供同行在课程群建设中参考，包括光MZ干涉仪的讲解，可借助信号与系统的时频变换方法相结合；光纤色散的数值仿真，可与快速傅里叶变换的应用相结合；偏振模效应的统计分析，可与门特卡罗仿真方法相结合；“通信原理”课程的热噪声受限的接收机灵敏度，可与基于散粒噪声的光接收机进行对比分析；传统无线通信的非线性畸变，可与光纤非线性效应进行对比分析等等。

2 结论

围绕目前电子信息类本科培养的课程群建设目标，从“光纤通信”课程教学视角出发，提出了辨析、对比与应用三种可行有效的教学方法，通过光信噪比、系统预算以及拍频噪声分析三个具体的知识点教授过程实例，充分展示了在课程群建设路线下，利用知识点融合方法，有效强化“光纤通信”课程与相关课程之间的内容衔接与联系，建立在覆盖各个课程的知识链条与关联网络。经过近两年的教学实践，通过分析教学效果与学生反馈，提出的面向课程群建设的知识点教学探索，有利于学生深度掌握电子信息大类的知识概念，能够有效构建电子信息大类培养下的完备知识体系结构，将有力、全方位地夯实学生的知识应用与创新实践能力。