基于虚拟仿真的光通信教学改革研究与实践

孔维敬 倪晓昌 曲芳 赵文慧 刘盾

摘要：本文基于虚拟仿真实验教学系统的特点，讨论了虚拟仿真在电子通信专业教学中的意义。并以光通信技术课程为例，阐述了虚拟仿真实验系统的建立和工作过程，总结了虚拟仿真实验系统提升教学质量的重要作用。

关键词：虚拟仿真；教学改革；实践

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）36-0119-02

近年来，为适应社会发展的要求、跟上时代发展的步伐，世界上很多国家都进行了教学改革，比如英国、美国和印度等国，均取得了显著的成果。随着我国与国外经济、科学文化交流的进一步加强，与国际接轨，借鉴国外先进的教学理念和改革经验，培养新型人才的任务变得非常迫切。因此，我国高校近些年来也进行了一系列的教学改革并取得了重要成果，教学改革几乎涵盖了所有的学科。伴随着2017年我国作为成员国的《华盛顿协议》生效，“十三五”期间，为响应国家智能制造、新工科建设、加强大学生创新创业训练的号召，虚拟仿真实验系统作为高校实验室建设的一个发展平台，在创新实验中培养学生的创新精神发挥着越来越重要的作用。依托信息化技术中的虚拟现实技术，构建虚拟仿真实验室是教育理念和模式改革的关键创新[1-3]。

一、虚拟仿真实验系统的教学意义

随着电子通信技术的快速发展，由于受到资金及实验场地的限制，高校电子通信实验室设备的升级和换代已经明显滞后于专业技术的发展速度。为了使学生跟上技术发展前沿，建立电子通信虚拟实验系统、实现高效实验教学的任务变得非常急迫[4-5]。建立电子通信虚拟实验系统，不仅可以使学生及时了解最新、最前沿的通信设备及技术，而且可以有效避免学生在实验中误操作而带来的安全问题，还有利于学生提前进行预习，建立从局部实验设备到整体实验的直观感性认识，有效地解决实验中盲目操作的问题。除此之外，对于实验室已有的实验设备系统建立虚拟实验操作系统，同样有利于学生实验前的预习以及实验后的复习，加深学生对实驗中每一个操作步骤的了解，进一步理解实验原理、明确实验目的，理解整个课程的实验体系。

本文以光通信技术中的光传输媒介的光缆接续为例，建立光传输虚拟仿真实验系统。通过虚拟仿真实训及游戏闯关的考核模式，使学生了解光纤通信光缆接续的作用，掌握光纤熔接机的使用方法，掌握光缆接续及接头盒的安装方法。综合教、学、练、控、考，阐述虚拟仿真实验系统的工作过程。

二、光通信虚拟仿真实验系统

同步光纤网（Synchronous Optical Network，SONET）和同步数字系列（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）是一种光纤传输体制，它以同步传送模块（STM-1，155Mbps）为基本概念，其模块由信息净负荷、段开销、管理单元指针构成，其突出特点是利用虚容器方式兼容各种PDH体系。光纤网的主要传输设备包括光发射机、光放大器和光接收机以及传输媒介光缆。光缆一般要求按端别次序敷设，因此应掌握光缆端别的识别。对中心束管式光缆，因其缆芯只有一根松套管，无端别标识的必要；对层绞式和骨架式光缆的缆芯，有多根绞合单元，为便于光缆接续时一一对应不错纤，要求对光缆A端与B端进行识别。光传输设备把各种各样的信号转换成光信号在光纤上进行传输。通过对系统传输设备的配置、组网和调试，最终实现光纤传输信号的顺利传输。下文为光缆接续虚拟仿真系统的工作步骤：

实验前帮助学生了解实验的基本要求、实验步骤、注意事项，包括准备工作、制备光纤端面、光纤熔接、接头部位增强保护、盘纤固定。

1.准备工作。启动软件进入场景，场景配备光缆、熔接机、光缆接续盒，米勒钳、剥线钳、光纤切割刀、光纤清洁纸、脱脂棉、酒精瓶、热缩套管、工具箱。（虚拟场景中支持装备认知）。

2.制备光纤端面。剥纤：选取场景中的专用剥线钳，去除光纤保护套。选取场景中的米勒钳，去除光纤涂敷层长度约3cm，整个过程自然流畅，一气呵成；清洁裸光纤：选定热缩套管，设定长度为60mm，套入裸纤。选取场景中的光纤清洁纸或脱脂棉沾取酒精，夹住已剥覆光纤，利用鼠标方向平移顺光纤端面方向，从不同角度擦拭，擦拭发出“吱吱”响声（2—3次）。切割光纤断面：鼠标选取场景中专用光纤切割刀，切割光纤后剩余长度键盘输入16mm。

3.光纤熔接。打开熔接机的防风罩及光纤压板；将制备好的两根光纤分别放入熔接机的V型槽内；注意将光纤放入熔接机的V型槽时，光纤端面不得触及槽底和电极，以防止损伤及污损光纤端面；轻轻盖上光纤压板以压住光纤，关闭防风罩；按下“自动”键，熔接机便自动进行清洁、光纤校准、端面检查、预熔、光纤推进、放电、连接损耗估算、张力测试等操作。

4.接头部位增强保护。把光纤从熔接机上取出，经检测光纤接续损耗满足质量要求；将热缩管放在裸纤中心（接头部位），放到熔接机专用加热器上加热。键盘输入选用的热缩套管为60mm，加热为85秒。

5.盘纤固定。按照上述步骤进行6次，熔接完成6根光纤，将接续后的光纤收冗余长盘放在光缆接续盒内的接续盘上；功能菜单输入收容余长的光纤盘绕弯曲的曲率半径（设定大于40mm），光纤收冗余长的长度（设定小于1.2m）；先中间后两边，将热缩后的套管逐个放置于固定槽中，然后再处理两侧余纤，从一端开始盘纤，然后再处理另一侧余纤；根据实际情况采用多种图形盘纤，顺势自然盘绕，光纤盘留按色谱顺序收容，每根光纤贴上纤序标记，以便今后检测时备查。

盘纤方法：先中间后两边，先将热缩后的套管逐个放置于固定槽中，然后再处理两侧余纤。优点：有利于保护光纤接点，避免盘纤可能造成的损害。在光纤预留盘空间小、光纤不易盘绕和固定时，常用此种方法；从一端开始盘纤，固定热缩管，然后再处理另一侧余纤。优点：可根据一侧余纤长度灵活选择热缩管安放位置，方便、快捷，可避免出现急弯、小圈现象；如个别光纤过长或过短时，可将其放在最后，单独盘绕；带有特殊光器件时，可将其置入另一盘处理，若与普通光纤共盘时，应将其轻置于普通光纤之上，两者之间加缓冲衬垫，以防止挤压造成断纤，且特殊光器件尾纤不可太长。

根据实际情况采用多种图形盘纤。按余纤的长度和预留空间大小，顺势自然盘绕，且勿生拉硬拽，应灵活地采用圆、椭圆、“CC”、“～”多种图形盘纤（注意R≥4cm），尽可能最大限度利用预留空间和有效降低因盘纤带来的附加损耗。

在以上虚拟实验系统的操作过程中，学生进入软件后，即进入虚拟实验场景。学生可以选择新手上路了解实验目的、软件操作方式等。以第一视角的体验、交互模式对光缆接续及接头盒安装实验步骤及要点进行练习，利用鼠标选择正确的实验设备，触发相应的运行效果。最后软件将对学生的操作过程形成考核评价。

三、结束语

虚拟仿真实验系统可以配合其他数字化资源（如微课、课程资源包、试题）等进行教学，作为学生学习、巩固、掌握知识的有效手段，完成被动学习到主动学习的转化，促进教学形式的优化。并且虚拟仿真系统提供考核手段，能够输出准确、高效的形成性评价，供任课教师参考。此外，虚拟仿真实验系统兼容性和可扩充性较强，可以根据教学内容的更新进行持续建设与更新，改善实验环节，提升实验质量，优化教学效果，提升教学效率。虚拟仿真实验系统由于不受物理空间的限制，可以与其他实验者共享，实现对外开放，拓宽教育领域，作为专业宣传推广的素材，以及校企合作协同育人的素材，为加强校企合作提供一条桥梁。

参考文献：

[1]周世杰.虚拟仿真实验教学中心建设与实践[J].计算机教育，2015，（9）：5-11.

[2]王金岗.工学结合模式下虚拟仿真教学系统设计[J].职教论坛，2013，（17）：26-29.

[3]王卫国.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J].实验室研究与探索，2015，34（5）：214-219.

[4]张登玉.物理专业光电类课程虚拟仿真实验教学体系的构建[J].教育教学论坛，2015，（47）：245-246.

[5]孔维敬.光纤通信与传输一体化教学改革探究[J].科教文汇，2017，（6）：47-48.