光信息科学与技术的专业实验教学改革和探索

赵同刚， 任建华

（北京邮电大学电子工程学院，北京 100876）

光信息科学与技术的专业实验教学改革和探索

赵同刚， 任建华

（北京邮电大学电子工程学院，北京 100876）

光信息科学与技术的专业实验课程在学生学习基本理论、基本知识、基本技能，培养学生分析问题和解决问题的能力等诸多方面发挥了重要的作用。论文从教学内容、体系建设改革等几个方面入手，总结了北京邮电大学“光信息科学与技术专业实验”教学改革的经验。改革后，该课程丰富并完善了具有通信专业特色的实验内容。通过该专业实验课程学习，学生将不仅全面了解光纤通信系统的各环节的相关技术，光通信器件的工作机理、特性和基本参数，而且掌握光通信领域热门前沿技术和实现方法等。实践表明:学生在应用能力，设计能力方面都有了较大提高。

光信息科学;综合设计;专业实验;教学改革

0 引言

光信息科学与技术是物理学、电子学、光学和计算机多学科的交叉学科。该专业的专业实验是我校该专业在大学四年级必须要进行的一门涵盖基础、设计、系统、综合的一门重要实验课程。旨在通过该实验课程，可以使学生全面了解光纤通信系统的各环节的器件及其相关技术。该课程实验内容涉及:器件的工作机理和特性，基本参数及其检测技能;掌握光通信系统中的相关技术和实现方法;熟练使用和掌握常用通信测试设备的使用方法及其工作原理，如光功率计、光谱仪等。在这门课程上，同学们结合理论，通过多种实践活动可以提高自身的理论水平和动手能力，同学们的科研水平将进一步提升，为继续深造和就业都将打下坚实基础。通过这门丰富多彩的专业实验课程，学生可以把实验现象和大学前3年的一些课程内容进行自主结合，将受到跨学科的综合实践训练。

这几年来，我们对该专业实验的课程体系、教学内容、教学方法、教学手段等方面进行了教学探索和改革。通过研究国内外光信息科学技术专业的实验教材和有关教学材料［1-4］，在教学内容与教材建设上完善了课程教学大纲，不断更新实验环节内容，形成了具有北邮通信特色的一整套实验教学体系和讲义。在教学方法与采取的实验手段上，采取理论教学与实验教学相结合的方式，也不断推陈出新。实践表明，改革实验内容后的专业实验课程提高了学生的设计实验、动手能力，取得了比较好的实验教学效果。

1 课程体系及实验教学内容的改革

光信息科学与技术专业的专业实验课程是实践性很强的课程，要求学生不仅从理论上掌握激光原理，光纤通信系统，光电检测原理，光电子学等重要课程所涉及的基础理论，还要求学生能很好地综合电路分析、数字电路、模拟电路、射频电路、电磁场与电磁波等相关知识，使学生最终具备较强的实际应用能力。为此，本实验课程虽是完全实验课，但在每次课前，老师都采取理论教学与实验教学相结合的方式，专业实验前先回顾理论知识，然后再进行实验，要求学生实验中能自主做到理论和实践结合，能通过理论知识来正确指导自己的实验过程，同时如果在实验中遇到的一些问题，也能运用理论知识以求自主解决［1-4］。

现在光信息领域发展非常快，我们安排的实验教学内容既要能够体现经典实验与现代实验的结合、又能将基础性与前沿性、理论性与实践性的统一。这是专业实验教学改革的立足点。通过实验要求学生牢固掌握光器件的物理机制，掌握和了解光信息科学与技术专业信号处理领域的热点课题的现状和未来的发展趋势，具备能够运用现有的知识去研究光信息科学与技术的能力。改革后在实验内容上，我们按照图1所示来进行专业实验实验科目的规划［5-7］:

图1 实验体系的优化设计

(1)实验技能培训。这包括光谱仪，稳定激光光源，光功率计的相互校准，仪器设备的使用，组织同学们自行进行光纤端面处理、光纤切割、熔接、光时域反射仪测量熔接损耗等动手性操作，这个过程下来，同学们基本的操作和动手能力得到提高，仪器仪表使用正确，为以后的实验环节打下一基础;

(2)基本型的验证实验。包括半导体激光器静态特性测量;PIN管的静态特性测量;LD和PIN管动态特性测量;插入损耗与回波损耗测量;光开关转换时间测量;光纤光栅传感的特性测量;声光效应与声光调制综合实验;电光效应与电光调制综合实验;光纤M－Z干涉仪综合实验等。通过这些实验可对光通信领域常用的核心光器件的原理、工作特性有全面认识;

(3)设计型和综合型实验。实验教学是培养学生能力的重要途径，我们认为实验教学改革的关键在于设计性和综合性实验内容的设定。在这个阶段我们安排了以下内容:全光波长变换综合实验;可见光OADM综合实验系统;掺铒光纤放大器(EDFA)综合实验;喇曼光纤放大器综合实验;可调谐光纤激光器综合实验;光纤通信系统综合实验。可以看出，这部分实验都是光信息专业所有老师结合这几年的科研成果和光通信发展的主流，自主开发的实验系统。目的是在于使学生们通过实验不仅提高其动手能力，从而更加能够对专业知识深刻把握，并不断激发出同学们的创新能力。设计型的实验主要针对北京邮电大学电子、信息类的本科生和研究生的学科特点设计，内容上都有着浓郁的通信特色。为同学们以后进入研究生阶段学习和尽快适应未来工作需要，这部分实验内容的安排对同学们实现这两个环节的过渡非常有益;

(4)综合创新性实验。综合和创新是一名工科学生成为优秀工程师所必备的能力。光信息科学与技术专业的同学要同时做好光学类、电路设计类的综合与衔接也是比较困难的。这不仅需要光学知识，还需要对光电处理电路相关知识的学习，没有一定的光、电方面的实践基础是很难做到这一点。为了达到这个目的，我们设计了两大类的实验内容，让同学们通过自己选题、自我实践去完成一套激光光电信息处理电路设计。我们在这一环节，提供给学生的实验内容［8-9］包括:①半导体激光测距实验，同学们自己设计电路，选择单片机或者FPGA信号处理单元，完成测距，要求测距长度10 m左右。②利用从科研转换过来的SDH综合实验系统，进行WDM系统测量以及光传送网SDH性能的测试;需要测试的主要指标包括:波长中心频率和波长间隔的测量，光信噪比的测量，光监控通道误码和抖动特性的测量，SDH信号误码率和抖动特性的测量。通过这部分知识的综合，学生更容易加深各个课程的联系，特别是弥合不同学科知识体系的缝隙，掌握如何将不同课程所学知识相互渗透与融合，提高综合多门学科知识的能力。

2 实验教学方法及设备的创新

现阶段，着眼于光通信发展的美好前景，各兄弟院校通信相关专业都开设了光纤通信系统，光电子技术，光纤通信器件，激光原理，光信息处理等相关理论课程。然而，相关的测量和实验课程却相对薄弱。因为专业性较强，市场上这类实验教学仪器和平台种类不仅少而且通信特色体现不明显。教学改革这几年，结合北京邮电大学所重点发展的光通信系统和光电子器件测量领域开展的专业实验课，我们开发了一整套的实验平台，例如在基础实验部分，包括半导体激光器、光电探测器器静态和动态特性测试平台，光纤回波损耗测试平台等，如图2所示［10-11］。

图2 自主研发的专业实验平台

除此之外，为紧跟科研发展的平台还有自主研发的光开关转换时间的测量，电光效应与电光调制综合实验，声光效应与声光调制综合实验，马赫－曾德光纤干涉仪综合实验，光纤光栅传感的特性测试，光纤激光器综合实验，OADM综合实验和EDFA综合实验平台，这些实验平台，主要进行设计性，综合型实验，它们涉及的知识涵盖了现阶段光通信的主流技术，对现阶段通用光纤、关键核心光器件的特性，同学们都可以自行进行实验设计后，进行相关测量，实验过程中，都涉及了器件包括光源、探测器、波长转换器、光开关、光放大器、耦合器等等。实践表明这些平台性能可靠，可靠性高，误差小。同时，在开发这些测试平台过程中，每种实验都紧密结合了光通信发展现状，又充分反映了核心光器件所涉及的重点知识内容。让同学们通过实验，对现代光通信，光电检测技术不仅从理论，而且从应用和动手环节中，多个层面上多能有深刻理解。

综合型实验中，老师以半导体激光器测距为题目，布置综合选题，让同学们自行设计系统，选取芯片，完成一套脉冲测距或者激光测距系统搭建和调试，设思路计自选后再和老师交换意见。测距题目相对较难，对有钻研精神的同学来讲是个挑战。布置给学生的参考实验系统如图3及图4所示［12-13］。

实验要求:激光测距最远可以达到10 m，精度达10 mm，这个题目要求同学画出原理图，印刷电路版图，根据设计结果制作和调试系统，最后测量后完成实验报告，老师在指导过程中，不断鼓励同学在不偏离专业方向的前提下，按自己的设计思路设计并完成。

图3 激光脉冲测距原理参考图

图4 相位测距参考方案设计原理图

实践表明，在激光测距创新性实验的设计结束后，学生参与设计的主动性和积极性有了很大提高，激光脉冲测距的实现相对相位测距的实验方案来说，实现起来还是相对轻松。对广大同学，在规定时间内完成相位测距，在电路调试方面还有一定难度。

3 专业实验全方位进行改革探索

我们在改革光信息科学与技术专业实验内容、方法、教学手段的同时，将现代化教学手段引入课堂，例如信号的产生，我们自主研发的实验平台，不仅有传统的多频率正弦信号，方波信号，现阶段，在很多实验平台中，我们更加引入了声音，图像信号作为调制源，进行光调制和光解调。这样的实践环节相对原来的实验内容更具有趣味性，更容易激发学生的创新兴趣。多媒体的教学手段以其直观生动、信息量大、交互性强等特点充分调动学生的学习兴趣，取得了良好学习效果。

实验教学改革后，我们的实验教学内容将更加注重其开放性、综合性、设计性。开放性主要指实验内容的开放性和管理手段的开放性。综合性和设计性主要是指实验内容上不再局限于课程教学所限定的范围，可以超出教学基本要求和大纲，可以由学生自主设计实验方案和内容，以培养学生综合能力和创新精神。

通过激光测距的实验题目，我们发现对学生具备了一些基础技能后，在创新环节中，同学们自主性很强，实验报告不再是简单的传抄、而是学生的研究成果的汇报。学生的科研能力获得很大提升［14-15］。

4 结语

在光信息科学与技术的专业实验课里，我们经过多年的改革和积累，结合了专业教师这些年的科研成果和光通信发展的主流，建设的崭新专业实验课程，不仅满足同学们对测量常用仪器仪表的使用和原理掌握;而且同学们很好学习了光纤和常用通信光电子器件的工作原理和特性测量和光通信系统网络相关测量原理，包括SDH系统特性、WDM特性等知识。最后，通过激光测距等创新设计的锻炼，学生们更容易做到融会贯通。学生们通过实验，对光电子器件、光通信系统、光电检测三大光信息核心内容从实验角度进行梳理，并通过相应实践环节，学生动手能力得到加强。实践表明，每位学生通过一学期专业实验的锻炼，动手能力都有明显提高，为大四毕业后更好地投入工作和继续进行研究生阶段，打下一个坚实基础。当然，实验教学改革是一个任重道远的课题，需要在今后的实践教学中不断摸索、不断改进。

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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

北京邮电大学教改基金项目

赵同刚(1972－)，男，河北廊坊人，博士，副教授，电子工程学院实验中心主任，主要从事光信息科学与技术专业实验教学以及光电检测与传感方面的研究。

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