MATLAB 图形用户界面在光纤模式理论课堂教学中的应用

胡新广，程健，邓子豪

MATLAB 图形用户界面在光纤模式理论课堂教学中的应用

胡新广，程健，邓子豪

（黄山学院 信息工程学院，安徽 黄山 245041）

光纤模式理论是光纤通信教学中的重点和难点，如何运用现代科学技术将抽象的理论概念形象化具体化来提高教学效果，是课程教学面临的一个迫切问题．MATLAB常被广泛应用于数值计算、数据可视化及分析等领域，将其用户图形界面设计引入到光纤模式理论的教学中，可以通过图像来展示抽象的理论和概念，有助于调动学生学习和探讨知识的积极性，提高教学效果．

光纤模式理论；MATLAB；图形用户界面；仿真

光纤通信是光电、通信类专业本科生的重要专业课程．在光纤通信中，对光纤模式概念的建立和理解是本门课程教学的重点和难点，它是研究光信号在光纤中传播的理论基础，在理论和实验研究中均扮演着十分重要的角色．然而，如同大多数的电磁理论领域一样，光纤模式理论内容往往涉及大量的数学推导和高超的电磁求解方法，对数学物理功底要求较高；同时其结果较为复杂抽象，不利于学生理解和掌握．

科学计算方法和技术的发展，为人们求解复杂问题带来了便利，利用其中的可视化编程界面，将复杂数学公式的物理图像直观化、形象化，对于提高教学质量[1]和培养学生的基本编程素养以及科学计算能力[2]，是十分有益的．MATLAB在工程分析、科学计算、数据可视化等方面具有十分强大的功能[3]，近年来，其在辅助光学类课程教学方面得到了广泛应用[4-6]．利用MATLAB软件提供的图形用户界面（Graphical User Interface，GUI），通过任务分解和编程，设计了可用于直观显示光纤端面模场分布的仿真界面，实现了对光纤模式的可视化仿真，进而实现了将抽象的理论和概念转化为形象的视图化界面，既调动了学生学习的积极性，又提高了教学效果．

1 光纤模式理论

图1 光纤结构示意图及其折射率分布

在纤芯和包层的折射率差值较小的情况下（称为弱导光纤[9]，一般光纤均满足），式（3）可近似简化为

在弱导光纤中，EHm+1、HEm-1模式简并为线偏振模LPm[10]，其横向电场为

显然，无论是描述弱导光纤特征方程的式（4），还是描述弱导光纤模场横截面分布的式（5）都是较为复杂的，如果不采用科学计算和绘图手段将其形象化具体化处理，是无法透彻理解光纤的模式理论及其所对应的物理含义和物理图像的．同时，也会使课堂教学显得枯燥、空洞，降低学生学习的积极性，进而影响对后续内容的理解和掌握．MATLAB提供的图形用户界面，恰好可以将复杂抽象的概念和理论进行视图化处理，为解决光纤模式理论的形象化具体化提供了便利．式（4）（5）是利用MATLAB通过GUI设计分析光纤模式的理论依据．

2 MATLAB图形用户界面设计辅助光纤模式理论教学

2.1 弱导光纤中光纤模式值的数值计算

2.2 光纤模场分布的GUI界面设计与仿真

图2 弱导光纤部分模式的色散曲线

图3 光纤模场分布的GUI设计界面

对光纤模式色散曲线和模场分布的视图化分析表明，将MATLAB的GUI界面设计应用到光纤模式理论的课堂教学中，可以将抽象的模式理论概念通过图示参数的变化而加以直观化显示，加深了学生对光纤模式理论的理解和认知．同时，GUI界面设计中涉及的绘图技能有利于培养学生的科学计算和数据处理能力，GUI界面设计面板的灵活性和回调函数的运用则调动了学生学习的积极性，提升了教学效果．

图4 利用GUI设计界面绘制的不同模式的模场分布

3 结语

通过MATLAB的GUI界面设计，实现了对部分光纤模式模场分布的可视化仿真．通过对该设计界面的任务分解和编程，有助于使学生准确认识和理解光纤中的模式概念，激发学生对人机交换界面设计的兴趣；有助于进一步激发学生学习和练习使用GUI界面设计的热情，同时培养学生具备基本的科学计算和绘图能力．此外，由于该GUI设计避免了课堂教学中直接面对程序代码的枯燥，使教师授课方式更为生动灵活，提高了教学效率和质量．

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Application of MATLAB graphical user interface in classroom teaching of optical fiber mode theory

HU Xinguang，CHENG Jian，DENG Zihao

（School of Information Engineering，Huangshan University，Huangshan 245041，China）

The theory of optical fiber mode is the key and difficult point in the teaching of optical fiber communication．How to visualize and embody the abstract theoretical concepts by using of modern science and technology is an urgent problem in course teaching．MATLAB is widely used in the fields of numerical calculation， data visualization，and analysis．By introducing the graphical user interface in MATLAB into teaching course，it is convenient to understand abstract theoretical concepts through visualization，which will arouse enthusiasm for learning and exploring knowledge among students，and to the end，improve teaching result．

optical fiber mode theory；MATLAB；graphical user interface；simulation

1007-9831（2020）07-0070-04

TN252∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.07.017

2020-02-13

安徽省重点教研项目（2016jyxm0974）；教育部光电信息科学与工程专业教学指导委员会2019年教学研究项目（gdxgk28）

胡新广（1981-），河南商水人，讲师，博士，从事光纤通信教学及微纳器件设计的研究．E-mail：hxgxtu@hsu.edu.cn