“光纤通信”课程实验的探索与实践

摘要：为了培养通信工程专业学生的实践能力，光纤通信实验课经过八年的实践，探索了结合课堂理论知识的教学方法和课程实验的设置基本思路。从光纤通信实验课题目的选择、调动学生积极参与实验的具体做法、保证实验效果的具体措施等方面对实验教学进行了探讨。并对今后光纤通信实验更新的趋势加以概括，总结了教学过程中提高学生实践能力的一些经验和体会。

关键词：光纤通信；课程实验；实践能力

作者简介：董光辉（1978-），男，黑龙江哈尔滨人，东北林业大学机电工程学院，讲师；乔世坤（1970-），女，黑龙江哈尔滨人，东北林业大学机电工程学院，工程师。（黑龙江哈尔滨150040）

基金项目：本文系东北林业大学教育教学研究项目（DGY2009-015）的研究成果。

中图分类号：G642.423     文献标识码：A     文章编号：1007-0079（2012）08-0103-02

中国光通信设备产业近年来一直保持30%～40%的较高增长速度，成为中国发展最快的产业之一。预计国家“十二五”期间整体投资总额会达到2000亿元。由此可见，社会对光通信专业技术人才必定有更大的需求。[1]光纤通信是通信工程专业的一门专业选修课，课程总学时是48学时，包括4个实验。从2003年至今已经为八届学生500余人开设光纤通信相关实验。光纤通信的实验课程一直很受同学们的喜爱。在实验的设置中，能够根据课程重点和难点内容选择合适的实验题目，在实验进行的过程中注重调动学生积极参与实验的热情，对实验的效果认真帮助学生总结，并采用合理办法对实验过程严格规范，保证学生在实验中都能有所收获，加强了实验在加深学生理解理论知识方面发挥的作用。在实验中，学生可以见到真实的光纤，可以在模拟的环境下进行通话，可以用到光功率计，还可以用到波分复用器。下面结合多年来的授课经验，谈谈课程实验开设的一点体会。

一、实验要与课程内容紧密结合

课程实验开设的目的是要加深学生对理论知识的理解和认识。实验题目的选择一定要与课程所讲授的内容相配套。光纤通信的课程教材选用的是西安电子科技大学出版社的21世纪高等学校通信类教材。[2]该教材的特点是，系统介绍光纤通信的发展历程，从光纤通信的传输介质到光通信的基本器件，再到光纤通信系统、光网络，教材由点到面，全面阐述了光纤通信的必备知识。因此课程实验也要本着从点到面的思想，循序渐进地从基本仪器的使用开始，过渡到光纤通信系统、光纤通信新技术的应用。在课程的开设过程中也参考了其他编者的著作。[3-6]

“工欲善其事，必先利其器。”实验仪器性能的优劣是实验成功与否的关键，更是实验教学效果好坏的根本原因。[7]在对比多家实验装置之后，我们选择了湖北众友科技实业股份有限公司生产的光纤通信原理实验。该实验箱不仅能够实现简单的光纤通信基本参数测量，而且能够通过配套的光纤传输介质实现传输系统的搭建，还能通过相应的CPLD下载模块实际验证编写程序是否正确。

高质量地完成实验教学除了要求有先进合理的实验硬件平台外，还要求系统性地进行实验教学内容的优化以及实验教学管理的改革，这都是实验教学软件建设中亟待解决的问题。[8]下面结合课程内容将实验开设的一些思想进行总结。

1.实验一：单模光纤弯曲损耗测试实验

本次实验主要是利用光功率计，测量被测光纤的弯曲损耗特性。在理论课程中，光纤传输介质的两个基本特性是损耗和色散。这样的两个参数都会影响到系统构建过程中无中继传输距离。对于损耗，会受到多方面因素的影响，如光纤制成过程中引入的杂质、光纤中可能有结构缺陷、瑞丽散射等等。损耗对于远距离传输而言是要着重考虑的一个参数。

因此，对于这样一个重要的参数，如何在实践中加深学生对它的认识呢？为此我们设计了单模光纤弯曲损耗测试实验。由于实验室条件下不可能存有任意长度的光纤，而实际施工过程中的光缆在铺设过程中可能由于地下掩埋的实际情况，光缆存在一定的弯曲。在实验室对定长光纤在一定弯曲情况下的损耗进行测试较有意义。而损耗和弯曲损耗的计算公式是不同的，通过比较讲解的方式，便于学生区别记忆，使实践和理论知识既有联系又有区别。公式如（1）、（2）所示。

（1）

（2）

其中：α为损耗系数，β为弯曲损耗系数，pi为输入光功率，po为输入出光功率，L为光纤的长度。

在实验讲授的过程中，首先带领学生回顾理论课中讲解的公式（1），然后介绍实验测试的参量弯曲损耗系数β的影响因素，并指导学生完成相应的测试工作。这样讲解之后，学生既巩固了理论知识又明确了实验内容，通过对比加深了对理论知识的掌握。

2.实验二：半导体激光器P-I特性曲线测试

光纤是系统构成的传输媒介，而激光器作为光源是系统构成中发射机的关键组成部分，此实验在加深学生对光发射机原理的理解上很有帮助。

在理论课程的学习中，重点介绍了两种类型的光源，即半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）。二者在发光原理上有很大的区别，反映到P-I特性曲线上差别就更明显，如图1所示。

从图中可以很直观地看出在驱动电流I变化时相应输出光功率P的变化情况。LED的线性更好，而在较大驱动电流的作用下，LD输出的光功率越大，即LD的电光转换效率较高。

在理论课已经掌握两种光源的特性之后，通过测试LD的P-I特性，体会阈值电流Ith的意义。

3.实验三：电话光纤传输系统实验

实验三是在学生了解并掌握了基本的光纤传输知识之后，再上一个层次到系统级的实验。实验以数字光纤传输和模拟光纤传输为平台，搭建语音信号的传输通道。

本次实验是综合性实验，要求对通信原理的知识、程控交换的知识有足够的掌握，因此，学生不仅要有光纤通信的知识储备，还要预习相关的课程知识。在实验的过程中，详细体会PCM编码原理和时隙互换原理。

4.实验四：光波分复用技术实验

光纤通信的广泛应用源于现代通信大容量高速数据传输的客观要求，而作为光纤通信新技术之一的波分复用技术是有别于其他复用技术的光复用技术。对于波分复用，在理论课程中是一个非常重要的内容，在实现复用的过程中要利用光波分复用器。而波分复用器在使用的过程中可以模拟实现单纤双向和双纤单向的不同工作方式。如图2、3所示。

通过实验四，学生不仅可以深入理解波分复用器的互易性，还可以了解光纤通信的工作方式。

从课程实验的设置来看，以课程的进度为主线，涉及课程的重点内容，但又不局限于单独的知识点，在讲授实验的过程中注重相关知识的融合，在比较教学的方法上提高学生对课程知识的认识。

二、实验要充分调动学生的参与热情

实验对于学生提高理论知识的学习兴趣尤为重要，因此，在实验课中要充分调动学生的积极性。

在实验中，首先介绍学生认识光纤作为传输媒介，光纤非常的细小，实验室中的光纤纤芯必须仔细观察才能看到。实验用的光功率计更是同学们之前没有用过的测试仪器。利用学生对于新事物的好奇心，调动他们积极性，详细介绍仪器的使用方法和注意事项。

实验课中学生通过实际动手，虽然很认真，但也难免由于实验仪器的差异在测试数据以及结论上有所偏差。建议学生本着科学的态度，认真分析总结实验存在误差的原因，在实验课结束后的下一次理论课中利用课前时间总结不同班级、不同组在实验中出现的问题，帮助学生分析实验误差出现的一些原因。这样做不仅解决了学生对实验的困惑，对于组织课堂教学也很有帮助。

三、实验中注重学生实践能力的培养

实验过程要注重学生独立思考、解决问题能力的培养。实验和理论课程有所不同，从之前的阐述中可以看出，实验的设置注意同课程紧密结合，但又不同于课堂知识。因此，当学生遇到困难时，不要马上就告诉他们答案，而是采取积极引导启发的方式，让学生通过思考找到问题的解决方法。

注意培养学生实验的目的性。比如在实验四中，在波分复用器不同的工作方式下，如何方便快捷地测试出两种情况下的实验数据，有的学生比较盲目。在做完图2的实验后把所有的线都拆掉了，然后再一步一步连接图3的实验方式。而实际上，只需把连接波分复用器的一对输入和输出调换一下位置就可以进行实验数据的测试。鉴于此情况，笔者先在讲授实验的过程中启发学生，让他们不要盲目，要先思考实验的目的，然后再动手。

在实验数据的处理上培养学生认真严谨的态度。在做实验的过程中，对实验数据的处理是一种很常见的事情，不过往往在小的事情上，学生们总会犯错误。在实验一和实验二中都要对测试的数据进行处理，尤其是在实验二中，在绘制P-I特性曲线的时候，好多同学将每一个坐标点简单地连接起来，构成P-I特性曲线。而从科学处理数据角度，应该让坐标点均匀地分布在曲线两侧，然后计算出P-I特性曲线的斜率效率。在实验报告中，发现此类问题时要要求同学认真修改。

四、保证实验效果的具体举措

课程实验是实践能力培养的基础环节，也是最重要的一个环节，学生只有在小的课程实验中不断积累和提高自己，才能在今后大的设计项目中发挥动手能力，顺利完成设计任务。

因此，我们制定了实验成绩的评价标准，保证实验的良好效果。

验证性实验要求学生在实验室独立完成，多人一组的每个人都要参与实验过程。

实验完成后，指导教师马上对结果进行检查，并提出问题，验证测试数据及结果的真实性。

在实验报告的评价上，注重学生对实验结论的分析和总结，对实验数据有偏差，但能很合理地分析出原因的给予肯定。对实验数据与结论不符合的给予批评，并要求其改正。

五、实验内容更新的趋势

通信技术日新月异，随着光纤通信的发展，光同步网（SDH）网络在宽带网络的建设中发挥着重要的作用。而我们的实验基本上还是在实验箱上完成的，学生缺乏大型设备的认识和实践机会。在参观实习中也无法亲自动手操作。

2010年，参加深圳讯方光网络技术培训之后，对于光纤通信的实验笔者又有了新的认识。决定在引进新的华为光纤传输平台之后，对实验内容进行更新，增加实验中的设计成分。让学生在了解现代通信设备及网络运行原理的同时，对真实的光通信设备进行实际的操作，达到“实验、实训、实际、实践”的4“S”的教学目标。[9]

SDH网络最大的一个特点是网络的自愈能力，可以根据设计的不同，实现通道层或者复用段层的自愈环。而要实现环型组网[10]，至少要三台SDH网络设备。在组网的过程中可以通过在计算机上进行模拟的配置，调试通过之后再将配置命令下载到具体的SDH设备中。这样的一个过程，学生不仅要了解SDH网络设备配置的语言，还要了解SDH网络硬件的具体连接方法。通过这样的实验，学生可以将软硬件设计结合起来，为学生今后从事相关工作奠定好的基础。

因此，在实验条件允许的情况下，我们实验室会积极地对新的实验方案进行尝试，从而更好地培养学生的实践动手能力。

六、结束语

通过七年光纤通信课程实验的开设，能够严格按照课程教学大纲的要求，使实验真正促进理论知识的理解。在课堂中能积极引导学生参与实验，并通过一定考核机制保证实验效果。在实践教学中不断总结经验，提出今后课程实验的发展趋势。

在实践能力培养上，通过每一个小实验培养学生严谨的科学态度和良好的动手能力，为课程设计、大学生创新项目的顺利实施奠定基础。

参考文献：

[1]钱胜,王天枢,周雪芳.“光纤通信”课程实践教学环节探索[J].中国电力教育,2011,(14):118-119.

[2]刘增基.光纤通信(第二版)[M].西安:西安电子科技大学出版社,2009.

[3]顾婉仪,李国瑞.光纤通信[M].北京:人民邮电出版社,2006.

[4]方志豪,朱秋萍.光纤通信[M].武汉:武汉大学出版社,2004.

[5]马军山.光纤通信原理与技术[M].北京:人民邮电出版社,2004.

[6]延凤平,裴丽,宁提纲,等.光纤通信系统[M].北京:科学出版社,2006.

[7]康小平,仲元昌.现代通信实验室建设与实验教学改革[J].实验室研究与探索,2004,23(12):75-76.

[8]李书旗,朱昌平,陈小刚.光纤通信实验教学的改革与探索[J].中国电力教育,2010,(36):132-133.

[9]孙捷,杨佳,任德昊.光纤通信实验教学的改革实践[J].实验技术与管理,2009,26(7):122-124.

[10]张淑娥,李永倩,杨再旺.“光纤通信原理”精品课程实验建设探究[J].实验技术与管理,2010,27(5):165-166,169.