光通信技術(shù)課程虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究
摘 要：引入虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)是緩解省屬地方高等院校科研設(shè)備短缺的有效方法。本文以光通信技術(shù)課程為例，研究了虛擬實(shí)驗(yàn)課程開設(shè)的背景與意義，詳細(xì)闡述了對應(yīng)的課程內(nèi)容與具體的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與實(shí)施方法。最后，依據(jù)所取得的成果評價(jià)了虛擬實(shí)驗(yàn)課程的效果，證實(shí)了該教學(xué)改革的可行性。
關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué);教學(xué)改革;光通信技術(shù)
光通信技術(shù)是當(dāng)今信息技術(shù)領(lǐng)域的前沿與支撐技術(shù)之一。2013年，國務(wù)院頒布“寬帶中國”計(jì)劃，進(jìn)一步提升了光通信技術(shù)在國家發(fā)展戰(zhàn)略中的地位。簡言之，光通信技術(shù)是光纖技術(shù)與通信技術(shù)的綜合體，它具有高速、大容量的優(yōu)點(diǎn)，但亦存在高成本、高復(fù)雜度和多學(xué)科交叉的特點(diǎn)。這成為該門課程實(shí)踐教學(xué)開展的主要困難。而且，對于省屬地方高等院校，同時(shí)面臨生源基數(shù)大、實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)費(fèi)短缺、設(shè)備更新緩慢等難題，使得該問題更加凸顯。為緩解這一問題所帶來的影響，基于專業(yè)光通信仿真軟件，引入虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)必然趨勢。
一、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的背景與意義
作者所在的黑龍江大學(xué)電子工程學(xué)院，《光通信技術(shù)》實(shí)驗(yàn)需為兩個(gè)本科專業(yè)(光電子技術(shù)系和通信工程系)學(xué)生(約180人/年)提供課程資源。原有《光通信技術(shù)》包含“光纖低損耗熔接”“光纖纖芯分布測量”“光纖微彎損耗測量”“光時(shí)域分布反射測量”和“可視光通信傳輸系統(tǒng)演示”5個(gè)基礎(chǔ)專業(yè)實(shí)驗(yàn)，僅能覆蓋《光纖技術(shù)》和《光通信技術(shù)》兩門專業(yè)必修課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，學(xué)生缺乏對“光電子器件”應(yīng)用的認(rèn)知。而且，光纖與光通信技術(shù)是本專業(yè)最重要的兩個(gè)研究方向之一，是專業(yè)學(xué)生就業(yè)與求學(xué)的主要支撐技術(shù)。近10年來，光通信技術(shù)在“光傳輸”“光交換”“光接入”和“可見光電力線通信”等領(lǐng)域高速發(fā)展。然而，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備多購置于2001年，部分已陳舊、老化。與此同時(shí)，面臨教學(xué)經(jīng)費(fèi)不足，設(shè)備臺套數(shù)有限，儀器價(jià)格昂貴，由于普通高校擴(kuò)招導(dǎo)致生源劇增的雙重壓力，對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容無法得到更新，課程講授內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)教學(xué)脫節(jié)，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低下。
圖1 原有專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)方案
與之相比，專業(yè)仿真軟件具有價(jià)格低廉，覆蓋領(lǐng)域廣，專業(yè)性強(qiáng)，靈活性、操作性好等系列優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)光放大器設(shè)計(jì)，光電轉(zhuǎn)換器件測試，多光通信系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線模擬等功能，與本專業(yè)光纖技術(shù)、光電器件與檢測、光通信技術(shù)課程內(nèi)容吻合。鑒于此，將虛擬實(shí)驗(yàn)與原有的專業(yè)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，以專業(yè)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，虛擬實(shí)驗(yàn)為進(jìn)階，二者相互補(bǔ)充、取長補(bǔ)短，將可有效緩解專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所面臨的困難。
二、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的具體實(shí)施方法
(一)方案設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)室建設(shè)
1、保留原有的“光纖低損耗熔接”“光纖纖芯分布測量”“光纖微彎損耗測量”作為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，刪除“光時(shí)域分布反射測量”和“可視光通信傳輸系統(tǒng)演示”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，節(jié)省6學(xué)時(shí)的.課程資源。
2、開設(shè)“光通信仿真設(shè)計(jì)”課程設(shè)計(jì)，以虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式提高學(xué)生對于“光通信系統(tǒng)架構(gòu)”“光纖放大器設(shè)計(jì)”“光電子器件工作特性”的掌握能力。課程設(shè)計(jì)采用機(jī)房集中教學(xué)模式，包含“光發(fā)射機(jī)/光接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)”，“誤碼率與質(zhì)量因子評價(jià)”“色散補(bǔ)償特性測試”“光放大器性能優(yōu)化”“格式生成與轉(zhuǎn)換”五個(gè)模塊，共計(jì)32學(xué)時(shí)。其中，講授學(xué)時(shí)8學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)24學(xué)時(shí)，第一、二模塊為必選，后三個(gè)模塊至少任選其一。
3、將原有機(jī)房進(jìn)行升級與改造，新購置計(jì)算機(jī)50臺套，服務(wù)器1臺套，投影教學(xué)設(shè)備1臺套。更新原有網(wǎng)絡(luò)布線與系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)教師與學(xué)生互動(dòng)能力，提升學(xué)生間的交互學(xué)習(xí)能力，改善學(xué)生個(gè)人的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的平臺環(huán)境。購置專業(yè)光通信仿真軟件OptiSystem(12、0版)1套，可同時(shí)滿足30人在線仿真需求。
圖2 虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案
(二)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施方法
在實(shí)際的教學(xué)過程中，該門課程對于光電子技術(shù)專業(yè)學(xué)生(年均60人)為必修課程，分成2個(gè)教學(xué)班級循環(huán)教學(xué);對于通信工程專業(yè)學(xué)生為選修課程，根據(jù)以往統(tǒng)計(jì)，選修課程人員約60―80人，亦分成2個(gè)教學(xué)班級循環(huán)教學(xué)。除講授8學(xué)時(shí)外，學(xué)生需在2周內(nèi)完成24實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，教學(xué)資源采用開放模式提供，學(xué)生可自行安排學(xué)習(xí)時(shí)間，學(xué)時(shí)計(jì)算由智能管理系統(tǒng)完成。教學(xué)模式除課上教學(xué)、實(shí)驗(yàn)外，還包括師生在線交流與在線答疑。課程考試采用報(bào)告模式提交，3人一組，需分工明確，格式統(tǒng)一，數(shù)據(jù)與分析清楚有效。
圖3 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施與執(zhí)行
三、效果與評價(jià)
對于通信工程專業(yè)，該門課程設(shè)置在第六學(xué)期，需學(xué)習(xí)前期的光纖基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。對于光電子技術(shù)專業(yè)，該門課程設(shè)置在第七學(xué)期。作為中間環(huán)節(jié)，他是專業(yè)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)階，同時(shí)作為本科畢業(yè)設(shè)計(jì)的前期訓(xùn)練，起到承上啟下作用。運(yùn)行一年來，效果顯著。主要體現(xiàn)在：(1)增加了實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，緩解了實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺套數(shù)少的困難，提升了學(xué)生的實(shí)踐實(shí)訓(xùn)能力;(2)完成了課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的完整對接，教學(xué)內(nèi)容與深度得到進(jìn)一步提升;(3)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，為教師的科學(xué)研究提供有效輔助。截至2014年12月，已有11名專業(yè)學(xué)生參與到教師的科研團(tuán)隊(duì)中，并在光通信設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)表EI檢索科研論文3篇，申報(bào)發(fā)明專利1項(xiàng)，獲授權(quán)實(shí)用新型專利2項(xiàng)，獲批省級、校級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課題2項(xiàng)。
四、結(jié)論
針對省屬高等院校理工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)際情況，以“光通信技術(shù)”課程為例，引入了虛擬教學(xué)環(huán)節(jié)，有效彌補(bǔ)了原有專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在內(nèi)容更新、基礎(chǔ)設(shè)備受限等方面的不足。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為專業(yè)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)階，可有效提升本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)的質(zhì)量，成為二者間連接的紐帶，承上啟下。此外，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)還具有投入低、見效快的特點(diǎn)，它應(yīng)作為一種重點(diǎn)的教學(xué)模式在今后的理工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程中得到廣泛推廣。
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