趙同剛， 任建華

（北京郵電大學電子工程學院，北京 100876）

光信息科學與技術的專業(yè)實驗教學改革和探索

趙同剛， 任建華

（北京郵電大學電子工程學院，北京 100876）

光信息科學與技術的專業(yè)實驗課程在學生學習基本理論、基本知識、基本技能，培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力等諸多方面發(fā)揮了重要的作用。論文從教學內(nèi)容、體系建設改革等幾個方面入手，總結(jié)了北京郵電大學“光信息科學與技術專業(yè)實驗”教學改革的經(jīng)驗。改革后，該課程豐富并完善了具有通信專業(yè)特色的實驗內(nèi)容。通過該專業(yè)實驗課程學習，學生將不僅全面了解光纖通信系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)的相關技術，光通信器件的工作機理、特性和基本參數(shù)，而且掌握光通信領域熱門前沿技術和實現(xiàn)方法等。實踐表明:學生在應用能力，設計能力方面都有了較大提高。

光信息科學;綜合設計;專業(yè)實驗;教學改革

0 引言

光信息科學與技術是物理學、電子學、光學和計算機多學科的交叉學科。該專業(yè)的專業(yè)實驗是我校該專業(yè)在大學四年級必須要進行的一門涵蓋基礎、設計、系統(tǒng)、綜合的一門重要實驗課程。旨在通過該實驗課程，可以使學生全面了解光纖通信系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)的器件及其相關技術。該課程實驗內(nèi)容涉及:器件的工作機理和特性，基本參數(shù)及其檢測技能;掌握光通信系統(tǒng)中的相關技術和實現(xiàn)方法;熟練使用和掌握常用通信測試設備的使用方法及其工作原理，如光功率計、光譜儀等。在這門課程上，同學們結(jié)合理論，通過多種實踐活動可以提高自身的理論水平和動手能力，同學們的科研水平將進一步提升，為繼續(xù)深造和就業(yè)都將打下堅實基礎。通過這門豐富多彩的專業(yè)實驗課程，學生可以把實驗現(xiàn)象和大學前3年的一些課程內(nèi)容進行自主結(jié)合，將受到跨學科的綜合實踐訓練。

這幾年來，我們對該專業(yè)實驗的課程體系、教學內(nèi)容、教學方法、教學手段等方面進行了教學探索和改革。通過研究國內(nèi)外光信息科學技術專業(yè)的實驗教材和有關教學材料［1-4］，在教學內(nèi)容與教材建設上完善了課程教學大綱，不斷更新實驗環(huán)節(jié)內(nèi)容，形成了具有北郵通信特色的一整套實驗教學體系和講義。在教學方法與采取的實驗手段上，采取理論教學與實驗教學相結(jié)合的方式，也不斷推陳出新。實踐表明，改革實驗內(nèi)容后的專業(yè)實驗課程提高了學生的設計實驗、動手能力，取得了比較好的實驗教學效果。

1 課程體系及實驗教學內(nèi)容的改革

光信息科學與技術專業(yè)的專業(yè)實驗課程是實踐性很強的課程，要求學生不僅從理論上掌握激光原理，光纖通信系統(tǒng)，光電檢測原理，光電子學等重要課程所涉及的基礎理論，還要求學生能很好地綜合電路分析、數(shù)字電路、模擬電路、射頻電路、電磁場與電磁波等相關知識，使學生最終具備較強的實際應用能力。為此，本實驗課程雖是完全實驗課，但在每次課前，老師都采取理論教學與實驗教學相結(jié)合的方式，專業(yè)實驗前先回顧理論知識，然后再進行實驗，要求學生實驗中能自主做到理論和實踐結(jié)合，能通過理論知識來正確指導自己的實驗過程，同時如果在實驗中遇到的一些問題，也能運用理論知識以求自主解決［1-4］。

現(xiàn)在光信息領域發(fā)展非?？?，我們安排的實驗教學內(nèi)容既要能夠體現(xiàn)經(jīng)典實驗與現(xiàn)代實驗的結(jié)合、又能將基礎性與前沿性、理論性與實踐性的統(tǒng)一。這是專業(yè)實驗教學改革的立足點。通過實驗要求學生牢固掌握光器件的物理機制，掌握和了解光信息科學與技術專業(yè)信號處理領域的熱點課題的現(xiàn)狀和未來的發(fā)展趨勢，具備能夠運用現(xiàn)有的知識去研究光信息科學與技術的能力。改革后在實驗內(nèi)容上，我們按照圖1所示來進行專業(yè)實驗實驗科目的規(guī)劃［5-7］:

圖1 實驗體系的優(yōu)化設計

(1)實驗技能培訓。這包括光譜儀，穩(wěn)定激光光源，光功率計的相互校準，儀器設備的使用，組織同學們自行進行光纖端面處理、光纖切割、熔接、光時域反射儀測量熔接損耗等動手性操作，這個過程下來，同學們基本的操作和動手能力得到提高，儀器儀表使用正確，為以后的實驗環(huán)節(jié)打下一基礎;

(2)基本型的驗證實驗。包括半導體激光器靜態(tài)特性測量;PIN管的靜態(tài)特性測量;LD和PIN管動態(tài)特性測量;插入損耗與回波損耗測量;光開關轉(zhuǎn)換時間測量;光纖光柵傳感的特性測量;聲光效應與聲光調(diào)制綜合實驗;電光效應與電光調(diào)制綜合實驗;光纖M－Z干涉儀綜合實驗等。通過這些實驗可對光通信領域常用的核心光器件的原理、工作特性有全面認識;

(3)設計型和綜合型實驗。實驗教學是培養(yǎng)學生能力的重要途徑，我們認為實驗教學改革的關鍵在于設計性和綜合性實驗內(nèi)容的設定。在這個階段我們安排了以下內(nèi)容:全光波長變換綜合實驗;可見光OADM綜合實驗系統(tǒng);摻鉺光纖放大器(EDFA)綜合實驗;喇曼光纖放大器綜合實驗;可調(diào)諧光纖激光器綜合實驗;光纖通信系統(tǒng)綜合實驗?？梢钥闯?，這部分實驗都是光信息專業(yè)所有老師結(jié)合這幾年的科研成果和光通信發(fā)展的主流，自主開發(fā)的實驗系統(tǒng)。目的是在于使學生們通過實驗不僅提高其動手能力，從而更加能夠?qū)I(yè)知識深刻把握，并不斷激發(fā)出同學們的創(chuàng)新能力。設計型的實驗主要針對北京郵電大學電子、信息類的本科生和研究生的學科特點設計，內(nèi)容上都有著濃郁的通信特色。為同學們以后進入研究生階段學習和盡快適應未來工作需要，這部分實驗內(nèi)容的安排對同學們實現(xiàn)這兩個環(huán)節(jié)的過渡非常有益;

(4)綜合創(chuàng)新性實驗。綜合和創(chuàng)新是一名工科學生成為優(yōu)秀工程師所必備的能力。光信息科學與技術專業(yè)的同學要同時做好光學類、電路設計類的綜合與銜接也是比較困難的。這不僅需要光學知識，還需要對光電處理電路相關知識的學習，沒有一定的光、電方面的實踐基礎是很難做到這一點。為了達到這個目的，我們設計了兩大類的實驗內(nèi)容，讓同學們通過自己選題、自我實踐去完成一套激光光電信息處理電路設計。我們在這一環(huán)節(jié)，提供給學生的實驗內(nèi)容［8-9］包括:①半導體激光測距實驗，同學們自己設計電路，選擇單片機或者FPGA信號處理單元，完成測距，要求測距長度10 m左右。②利用從科研轉(zhuǎn)換過來的SDH綜合實驗系統(tǒng)，進行WDM系統(tǒng)測量以及光傳送網(wǎng)SDH性能的測試;需要測試的主要指標包括:波長中心頻率和波長間隔的測量，光信噪比的測量，光監(jiān)控通道誤碼和抖動特性的測量，SDH信號誤碼率和抖動特性的測量。通過這部分知識的綜合，學生更容易加深各個課程的聯(lián)系，特別是彌合不同學科知識體系的縫隙，掌握如何將不同課程所學知識相互滲透與融合，提高綜合多門學科知識的能力。

2 實驗教學方法及設備的創(chuàng)新

現(xiàn)階段，著眼于光通信發(fā)展的美好前景，各兄弟院校通信相關專業(yè)都開設了光纖通信系統(tǒng)，光電子技術，光纖通信器件，激光原理，光信息處理等相關理論課程。然而，相關的測量和實驗課程卻相對薄弱。因為專業(yè)性較強，市場上這類實驗教學儀器和平臺種類不僅少而且通信特色體現(xiàn)不明顯。教學改革這幾年，結(jié)合北京郵電大學所重點發(fā)展的光通信系統(tǒng)和光電子器件測量領域開展的專業(yè)實驗課，我們開發(fā)了一整套的實驗平臺，例如在基礎實驗部分，包括半導體激光器、光電探測器器靜態(tài)和動態(tài)特性測試平臺，光纖回波損耗測試平臺等，如圖2所示［10-11］。

圖2 自主研發(fā)的專業(yè)實驗平臺

除此之外，為緊跟科研發(fā)展的平臺還有自主研發(fā)的光開關轉(zhuǎn)換時間的測量，電光效應與電光調(diào)制綜合實驗，聲光效應與聲光調(diào)制綜合實驗，馬赫－曾德光纖干涉儀綜合實驗，光纖光柵傳感的特性測試，光纖激光器綜合實驗，OADM綜合實驗和EDFA綜合實驗平臺，這些實驗平臺，主要進行設計性，綜合型實驗，它們涉及的知識涵蓋了現(xiàn)階段光通信的主流技術，對現(xiàn)階段通用光纖、關鍵核心光器件的特性，同學們都可以自行進行實驗設計后，進行相關測量，實驗過程中，都涉及了器件包括光源、探測器、波長轉(zhuǎn)換器、光開關、光放大器、耦合器等等。實踐表明這些平臺性能可靠，可靠性高，誤差小。同時，在開發(fā)這些測試平臺過程中，每種實驗都緊密結(jié)合了光通信發(fā)展現(xiàn)狀，又充分反映了核心光器件所涉及的重點知識內(nèi)容。讓同學們通過實驗，對現(xiàn)代光通信，光電檢測技術不僅從理論，而且從應用和動手環(huán)節(jié)中，多個層面上多能有深刻理解。

綜合型實驗中，老師以半導體激光器測距為題目，布置綜合選題，讓同學們自行設計系統(tǒng)，選取芯片，完成一套脈沖測距或者激光測距系統(tǒng)搭建和調(diào)試，設思路計自選后再和老師交換意見。測距題目相對較難，對有鉆研精神的同學來講是個挑戰(zhàn)。布置給學生的參考實驗系統(tǒng)如圖3及圖4所示［12-13］。

實驗要求:激光測距最遠可以達到10 m，精度達10 mm，這個題目要求同學畫出原理圖，印刷電路版圖，根據(jù)設計結(jié)果制作和調(diào)試系統(tǒng)，最后測量后完成實驗報告，老師在指導過程中，不斷鼓勵同學在不偏離專業(yè)方向的前提下，按自己的設計思路設計并完成。

圖3 激光脈沖測距原理參考圖

圖4 相位測距參考方案設計原理圖

實踐表明，在激光測距創(chuàng)新性實驗的設計結(jié)束后，學生參與設計的主動性和積極性有了很大提高，激光脈沖測距的實現(xiàn)相對相位測距的實驗方案來說，實現(xiàn)起來還是相對輕松。對廣大同學，在規(guī)定時間內(nèi)完成相位測距，在電路調(diào)試方面還有一定難度。

3 專業(yè)實驗全方位進行改革探索

我們在改革光信息科學與技術專業(yè)實驗內(nèi)容、方法、教學手段的同時，將現(xiàn)代化教學手段引入課堂，例如信號的產(chǎn)生，我們自主研發(fā)的實驗平臺，不僅有傳統(tǒng)的多頻率正弦信號，方波信號，現(xiàn)階段，在很多實驗平臺中，我們更加引入了聲音，圖像信號作為調(diào)制源，進行光調(diào)制和光解調(diào)。這樣的實踐環(huán)節(jié)相對原來的實驗內(nèi)容更具有趣味性，更容易激發(fā)學生的創(chuàng)新興趣。多媒體的教學手段以其直觀生動、信息量大、交互性強等特點充分調(diào)動學生的學習興趣，取得了良好學習效果。

實驗教學改革后，我們的實驗教學內(nèi)容將更加注重其開放性、綜合性、設計性。開放性主要指實驗內(nèi)容的開放性和管理手段的開放性。綜合性和設計性主要是指實驗內(nèi)容上不再局限于課程教學所限定的范圍，可以超出教學基本要求和大綱，可以由學生自主設計實驗方案和內(nèi)容，以培養(yǎng)學生綜合能力和創(chuàng)新精神。

通過激光測距的實驗題目，我們發(fā)現(xiàn)對學生具備了一些基礎技能后，在創(chuàng)新環(huán)節(jié)中，同學們自主性很強，實驗報告不再是簡單的傳抄、而是學生的研究成果的匯報。學生的科研能力獲得很大提升［14-15］。

4 結(jié)語

在光信息科學與技術的專業(yè)實驗課里，我們經(jīng)過多年的改革和積累，結(jié)合了專業(yè)教師這些年的科研成果和光通信發(fā)展的主流，建設的嶄新專業(yè)實驗課程，不僅滿足同學們對測量常用儀器儀表的使用和原理掌握;而且同學們很好學習了光纖和常用通信光電子器件的工作原理和特性測量和光通信系統(tǒng)網(wǎng)絡相關測量原理，包括SDH系統(tǒng)特性、WDM特性等知識。最后，通過激光測距等創(chuàng)新設計的鍛煉，學生們更容易做到融會貫通。學生們通過實驗，對光電子器件、光通信系統(tǒng)、光電檢測三大光信息核心內(nèi)容從實驗角度進行梳理，并通過相應實踐環(huán)節(jié)，學生動手能力得到加強。實踐表明，每位學生通過一學期專業(yè)實驗的鍛煉，動手能力都有明顯提高，為大四畢業(yè)后更好地投入工作和繼續(xù)進行研究生階段，打下一個堅實基礎。當然，實驗教學改革是一個任重道遠的課題，需要在今后的實踐教學中不斷摸索、不斷改進。

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Teaching Reform and Exploration for Professional Experiments of Optical Information Science and Technology

ZHAO Tong-gang，REN Jian-hua
(School of Electronic＆ Engineering，Beijing University of Posts and Telecommunications，Beijing，100876，China)

The professional experiments of optical information science and technology have important effect on students studying the elementary theory，the elementary knowledge，the basic experimental skill，and train the student for their analyzing the question and solving the question ability.In this paper，from some aspects，such as education ideas，teaching content，the teaching reformation experiences are summed up in professional experiments.The professional experimental contents are enriched after reformation.By studying and practicing，the students in this major can not only understand the optical transmission system principles and measurement methods of optoelectronic components by experiments，but also grasp the frontier technologies used in optical transmission system and photoelectric detection skills in optical communication.The practice shows that the abilities of students have been improved greatly in some aspects，such as comprehensive design and application.

optical information science;comprehensive design;professional experiment;education reform

G 642.0

A

1006－7167(2014)05－0175－04

2013－07－04

北京郵電大學教改基金項目

趙同剛(1972－)，男，河北廊坊人，博士，副教授，電子工程學院實驗中心主任，主要從事光信息科學與技術專業(yè)實驗教學以及光電檢測與傳感方面的研究。

Tel.:13810354225;E-mail:zhaotg@bupt.edu.cn