光通信技术课程虚拟实验教学改革研究
摘 要：引入虚拟实验教学是缓解省属地方高等院校科研设备短缺的有效方法。本文以光通信技术课程为例，研究了虚拟实验课程开设的背景与意义，详细阐述了对应的课程内容与具体的实验室建设与实施方法。最后，依据所取得的成果评价了虚拟实验课程的效果，证实了该教学改革的可行性。
关键词：虚拟实验教学;教学改革;光通信技术
光通信技术是当今信息技术领域的前沿与支撑技术之一。2013年，国务院颁布“宽带中国”计划，进一步提升了光通信技术在国家发展战略中的地位。简言之，光通信技术是光纤技术与通信技术的综合体，它具有高速、大容量的优点，但亦存在高成本、高复杂度和多学科交叉的特点。这成为该门课程实践教学开展的主要困难。而且，对于省属地方高等院校，同时面临生源基数大、实验教学经费短缺、设备更新缓慢等难题，使得该问题更加凸显。为缓解这一问题所带来的影响，基于专业光通信仿真软件，引入虚拟实验教学时必然趋势。
一、虚拟实验教学改革的背景与意义
作者所在的黑龙江大学电子工程学院，《光通信技术》实验需为两个本科专业(光电子技术系和通信工程系)学生(约180人/年)提供课程资源。原有《光通信技术》包含“光纤低损耗熔接”“光纤纤芯分布测量”“光纤微弯损耗测量”“光时域分布反射测量”和“可视光通信传输系统演示”5个基础专业实验，仅能覆盖《光纤技术》和《光通信技术》两门专业必修课程的实验教学任务，学生缺乏对“光电子器件”应用的认知。而且，光纤与光通信技术是本专业最重要的两个研究方向之一，是专业学生就业与求学的主要支撑技术。近10年来，光通信技术在“光传输”“光交换”“光接入”和“可见光电力线通信”等领域高速发展。然而，现有实验教学设备多购置于2001年，部分已陈旧、老化。与此同时，面临教学经费不足，设备台套数有限，仪器价格昂贵，由于普通高校扩招导致生源剧增的双重压力，对应的实验内容无法得到更新，课程讲授内容与实验教学脱节，学生学习兴趣低下。
图1 原有专业基础实验方案
与之相比，专业仿真软件具有价格低廉，覆盖领域广，专业性强，灵活性、操作性好等系列优点，可实现光放大器设计，光电转换器件测试，多光通信系统实时在线模拟等功能，与本专业光纤技术、光电器件与检测、光通信技术课程内容吻合。鉴于此，将虚拟实验与原有的专业实验相结合，以专业实验为基础，虚拟实验为进阶，二者相互补充、取长补短，将可有效缓解专业实验教学中所面临的困难。
二、虚拟实验教学改革的具体实施方法
(一)方案设计与实验室建设
1、保留原有的“光纤低损耗熔接”“光纤纤芯分布测量”“光纤微弯损耗测量”作为基础实验，删除“光时域分布反射测量”和“可视光通信传输系统演示”两个实验，节省6学时的.课程资源。
2、开设“光通信仿真设计”课程设计，以虚拟实验教学方式提高学生对于“光通信系统架构”“光纤放大器设计”“光电子器件工作特性”的掌握能力。课程设计采用机房集中教学模式，包含“光发射机/光接收机的实现”，“误码率与质量因子评价”“色散补偿特性测试”“光放大器性能优化”“格式生成与转换”五个模块，共计32学时。其中，讲授学时8学时，实验学时24学时，第一、二模块为必选，后三个模块至少任选其一。
3、将原有机房进行升级与改造，新购置计算机50台套，服务器1台套，投影教学设备1台套。更新原有网络布线与系统，实现教师与学生互动能力，提升学生间的交互学习能力，改善学生个人的实验学习的平台环境。购置专业光通信仿真软件OptiSystem(12、0版)1套，可同时满足30人在线仿真需求。
图2 虚拟实验设计方案
(二)虚拟实验教学实施方法
在实际的教学过程中，该门课程对于光电子技术专业学生(年均60人)为必修课程，分成2个教学班级循环教学;对于通信工程专业学生为选修课程，根据以往统计，选修课程人员约60―80人，亦分成2个教学班级循环教学。除讲授8学时外，学生需在2周内完成24实验学时，教学资源采用开放模式提供，学生可自行安排学习时间，学时计算由智能管理系统完成。教学模式除课上教学、实验外，还包括师生在线交流与在线答疑。课程考试采用报告模式提交，3人一组，需分工明确，格式统一，数据与分析清楚有效。
图3 虚拟实验教学的实施与执行
三、效果与评价
对于通信工程专业，该门课程设置在第六学期，需学习前期的光纤基础实验。对于光电子技术专业，该门课程设置在第七学期。作为中间环节，他是专业实验的进阶，同时作为本科毕业设计的前期训练，起到承上启下作用。运行一年来，效果显著。主要体现在：(1)增加了实验教学资源，缓解了实验设备台套数少的困难，提升了学生的实践实训能力;(2)完成了课堂教学与实验教学的完整对接，教学内容与深度得到进一步提升;(3)激发学生学习兴趣，为教师的科学研究提供有效辅助。截至2014年12月，已有11名专业学生参与到教师的科研团队中，并在光通信设计领域发表EI检索科研论文3篇，申报发明专利1项，获授权实用新型专利2项，获批省级、校级创新创业课题2项。
四、结论
针对省属高等院校理工科实验教学的实际情况，以“光通信技术”课程为例，引入了虚拟教学环节，有效弥补了原有专业基础实验教学在内容更新、基础设备受限等方面的不足。虚拟实验教学作为专业实验的进阶，可有效提升本科学生毕业设计的质量，成为二者间连接的纽带，承上启下。此外，虚拟实验教学还具有投入低、见效快的特点，它应作为一种重点的教学模式在今后的理工科实验教学课程中得到广泛推广。
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