创新能力培养引导的光纤通信课程教学改革探讨

毕美华， 周雪芳， 李齐良， 杨国伟， 卢 旸， 曾 然

（1．杭州电子科技大学通信工程学院，杭州310018；2．上海交通大学光纤区域网与新型光通信系统国家重点实验室，上海200240）

0 引 言

近年来，随着移动互联网络、大数据、人工智能以及高速率的5G甚至B5G／6G移动技术的不断发展和更新，大容量、高速率的光纤传输技术发挥着越来越重要的作用，并且该技术已俨然成为当前研究的热点方向［1-3］。为此，将光纤通信作为通信电子类本科教学中的一门专业基础课来教学就显得尤其重要。与此同时，随着各种新型技术不断涌入以及当前“互联网＋”“中国制造2025”等战略性新兴产业的不断兴起［4］，工科体系下的理工科教育尤其是专业基础教学工作受到了科学技术水平的高速发展和不断推陈出新的技术革命的严峻挑战［5-6］。此外，当前高速发展的社会主义市场经济，需要高校能够培养出全面的、能够适应和满足当前社会发展需求的高等人才［7-8］。与此同时，从国家教育发展的战略［9］可知，当前一些高校仍存在教育教学理念相对滞后、机制不够完善、内容方法陈旧单一、实践教学比较薄弱等问题。为了有效解决这些问题，教育部发布了相关文件［10］，要求：① 高等教育要贯彻落实《国务院办公厅关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》，坚持把深入推进创新创业教育改革作为中央高校教育教学改革的突破口和重中之重；②牢固树立科学的创新创业教育理念，把创新创业教育作为全面提高高等教育质量的内在要求和应有之义，将创新精神、创业意识和创新创业能力作为评价人才培养质量的重要指标；③改革教学方式方法。

1 传统光纤通信课程教学分析

光纤通信课程作为通信电子类本科生的一门重要专业课程，主要介绍光纤通信的基本知识和基本原理、光纤通信系统的组成、数字光纤通信系统设计、光纤通信的新技术等相关知识。在课程体系上，该课程起到承上启下的作用，在了解光纤通信之前需要知道通信原理、数字信号处理、信号系统等基础课程知识，这样才能更好地理解光纤收发端的调制和解调，学生才能更好地在此基础上进行创新性的思考，设计新型的适合未来通信网络系统发展需要的新型技术。然而，该课程当前的教学方式依然是老师讲授学生被动接收为主，没有充分地调动起学生学习的积极性。此外，该课程的目标依然是培养和提高学生的工程应用和工程问题处理能力，为本科毕业后的工作或继续深造奠定坚实的专业基础，而如何培养学生积极的创新能力却没有涉及。与此同时，学生在学习过程中，需要了解一些光学器件以及光学知识，但是在面对众多的光学器件和光传输概念时，往往会让学生无所适从［11］。为了有效处理上述问题，部分教师提出在课堂上适当引入案例分析或者进行案例分组讨论的教学改革方案［12］。这些方法虽然一定程度上提升了部分学生参与学习的积极性，但是并没有差异化对待不同学习层次的学生，比如没有充分考虑考研与就业同学的不同要求，而且简单的分组讨论易出现仅有少部分同学真正参与讨论，而另一些同学则乐于充当观众与听众的情况。

综上所述，在当前光纤通信课程的教学过程中存在的问题主要有：①不能较好地调动学生的积极主动性，简单的分组形式易使部分同学产生惰性心理，从而达不到原本教改的目的；②教学过程中没有差异化对待不同需求层次的学生，从而不能较好地适应毕业要求的差异性（工作，继续深造和自主创业等）；③ 教师授课模式被固化，不能够被灵活地调动等缺点。正是由于这些问题的存在，现行课程的教学不能较好地适应当下国家层面、技术发展层面对大学生创新能力教育的要求。

为了有效解决当前光纤通信课程存在的问题，以差异化地培养学生的创新能力为出发点，积极响应当前创新创业教育的要求，与时代同行，在习总书记关于创新驱动发展战略这一重要讲话精神的理论指导下，以光纤通信课程教学改革为着力点，将学生作为主体，从如何设计适合不同层次要求的课程内容为切入点，设计新型的教学方式和方法。对于积极就业的同学，首先分析其就业去向和职业岗位特点，适当调整教学内容并设计相应的以培养动手能力为主的小课题；对于计划继续深造考研的同学，设计相应科研为导向的小课题；另外，为了便于学生积极、随时随地地参与课程学习，对光纤通信课程进行信息化网络体系建设，并定时追踪最新的技术导向，不断地更新和更改课件。通过前期的探索和部分方法实施，近两年来，通过该课程参与到老师光纤通信方面相关科研项目的学生达到20名，并且都取得丰硕的成果，比如，申请并顺利完成浙江省大学生“新苗计划”，在SCI、一级期刊、核心期刊，EI收录的国际会议以第一作者发表学术论文；参加大学生创新创业训练项目和挑战杯项目等。这些结果表明，当前针对光纤通信课程制定的层次化对待方案是可行的。在此基础上，进而制定并建成一个全新的符合培养通信工程专业学生创新创业要求的完整“光通信”课堂教学体系，通过这一教学体系，使通信工程专业的学生具有自主创新创业能力，实现自我发展，达到社会对创新创业人才的需求。

2 创新能力为导向的教改方案

2.1 学生就业去向和职业岗位群分析

由表1可知，我校通信工程专业的毕业生去向主要分为两类：就业类和继续深造类。对于就业类同学来说，大部分同学选择了通信相关的企业。通过对这些企业以及相应的就业岗位进一步调研可知，大部分同学主要就职的岗位为软硬件技术支持类、设计开发类。鉴于此状况，核心专业的内容和教学方案的设计就要尽可能地与企业的需求接轨，要求学生能够一定程度上具备较好的动手能力、认知能力和设计能力。而光纤通信课程作为一门重要的通信类专业课，其培养方向应当满足能够从事光纤网络工程的规划建设、同步数字体系［13］（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）系统的调测维护、电信核心网络和接入网络的工程维护等工作的应用型人才的需求。因此，在设计教学内容时，应该理论实践相结合，并引入一些当前技术发展相关内容。比如，老师在课堂上展示一些实物光纤转接头、法兰盘、光纤跳线等，通过讲授各个器件不同的标准，让同学对于以后工作上的光器件有一个直观的认识；还可以增加一些新颖的实际工程上比较重要的光通信技术，例如智能光网络（Automatically Switched Optical Network，ASON）［14］、光纤到户（Fiber To The Home，FTTH）［15］、弹性分组网（Resilient Packet Ring，RPR）［16］等，从而使有志于继续从事科研的同学对光纤通信方向有一定的认识。

表1 2016-2018年杭州电子科技大学通信专业学生的毕业去向分析表

此外，适当调整教学内容，通过设计相应的小课题让学生分组完成，以此提升学生在光通信领域的专业性。例如在光通信网络中经常使用的光分插复用器（Optical Add-Drop Multiplexer，OADM），它是一种能够在光域上实现支路信号分插和复用的设备，在骨干网节点及本地接入中有着重要作用，并且OADM可以应用到波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）、光纤码分多址（Optical Code-Division Multiple Access，OCDMA）、光时分复用（Optical Time Division Multiplexing，OTDM）全光网络中。所以可以设计一个利用OADM搭建的光波分复用系统的课题，让学生利用实验室的器材亲手搭建并且测试性能，这样不仅提升了学生的动手能力，而且为以后学生工作和学习奠定了坚实的技术基础。此外，还可以发挥学生的主观能动性，让学生自行设计一个新型的OADM，这样学生就需要去查询了解相关的最新技术才能很好地完成课题，其创新能力就能得到很好的锻炼，从而为以后的科研和工作打下坚实的基础。

2.2 教学案例设计分析

教学案例设计分析的结构如图1所示，分为实验教学和科研教学两部分。其中在给学生讲授课程实验时，更要注重其对所理解知识的拓展，要激发学生对于实验的兴趣，把学生被动参与实验变为主动参与实验。比如，在开展光纤色散补偿实验时，可以先介绍光纤色散的定义、产生的原因以及造成的影响等，这样不仅可以引导学生加深对于色散的理解，还可以进一步帮助实现知识拓展，例如色散所造成的码间干扰。之后引入目前解决光纤色散的主要技术：电域色散补偿和光域色散补偿，电域色散补偿是通过某些算法对信号进行离线处理，光域色散补偿是通过色散补偿光纤直接对光信号进行补偿处理。

为了更好地使辅助光纤色散补偿实验展开，可引入光仿真软件Optisystem来进行光纤通信系统的搭建，见图2。通过该仿真软件，利用光域色散补偿技术，学生可灵活地修改光纤色散补偿参数以及色散补偿光纤长度来对色散补偿，之后可直接调用仿真软件上的眼图分析仪来观察眼图的好坏以此判断色散补偿能力，见图3。分别为10 Gb／s的信号经过80 km长度光纤后有无色散补偿的眼图，通过两个眼图的清晰度对比，可以直观地显示出色散补偿能力，避免了一味枯燥的数据处理，进一步提升了学生实验乐趣。

图2 基于光学仿真软件（Optisystem）的光传输系统搭建

图3 有无色散补偿的接收端眼图比较

电域色散补偿技术，则是在接收端通过Matlab对信号进行离线处理来完成色散补偿，由于色散造成的直接影响是码间干扰，所以离线处理主要是解决码间干扰的问题。这样就可以让学生尝试用信道均衡方法来解决色散所带来的码间干扰问题，充分发挥学生的主观能动性，实现知识点到实际应用的转换，让学生感受到利用知识解决问题的乐趣，提高学习的积极性。而且基于Optisystem的教学不仅可以提高学生对于知识点的联系和整体知识框架的把握，并且在教学过程中利用Optisystem仿真软件进行仿真演示，辅助课堂教学，可将抽象的内容予以直观展示，从而激发学生的学习兴趣。此外，在面对继续深造且有志于投身科学研究的学生，可以引导学生参加老师的科研，一定程度上实现科研反哺教学。例如目前光接入网中使用的正交频分复用-无源光网络（Orthogonal Frequency Division Multiplexing-Passive Optical Network，OFDMPON）系统，由于PON网络的巨大带宽，目前已经是光接入网的主流技术。但是OFDM采用的是多载波正交调制技术，在具有较高频谱效率的同时也很容易产生高峰均功率比，导致信号非线性失真，因此高峰均功率比是目前制约OFDM-PON系统大规模应用的一个主要因素，也是目前研究的热点。所以可以通过目前的研究热点吸引学生参与科研，在参与科研的过程中，学生可通过线下查找资料、与老师讨论等提出可行的方案，这些过程在让学生了解目前最新技术的同时也提升了自我思考能力，为以后的科研奠定了坚实基础。此外，PON带来巨大网络带宽的同时也带来了安全问题。由于PON采用的是拓扑结构，用户信息极易被入侵者窃听，所以在OFDM-PON系统中的安全问题也是一个目前研究的热点。这样在参与过上一个科研项目的学生就能很容易在下一个项目上实现无缝连接，在学生对于OFDM-PON系统有清晰认识的前提下，可以很好地发挥学生的创新性来提出相应的物理层加密方法实现用户信息的加密。所以吸引学生参与老师的科研项目，不仅可以帮助学生拓宽知识面，还加深了学生对于知识的理解和创新思维的培养，很好地弥补了课堂上时间短，学生对于知识点理解不透彻的问题。

2.3 课程信息化网络体系设计

创新教育模式下要求广泛开展启发式、讨论式、参与式教学，这就要求教师队伍加强本课程的信息化建设，便于学生充分利用网络资源进行线下学习与线上学习互补，提高学生自主学习能力，有助于培养学生的创新能力。近年来，MOOC等新型授课方式在世界范围内迅速兴起，正在促使教学内容、方法、模式和教学管理体制发生变革，给高等教育教学改革发展带来了新的机遇和挑战。所以在保证教学质量的前提下，可以适当推进在线开放课程学习视频和相应的线上学习考核制度。

在面对课堂教学时间不足以及学生对于知识点的理解程度欠缺等情况下，教师团队可以通过网络上传详细教学视频以及课堂PPT文件以便于学生课下对知识进行回顾总结；同时，老师还可以上传一些目前与光通信相关的最新前沿技术视频，让学生感受到信息技术快速发展的魅力，从而引导学生对于知识、学习、探索产生兴趣；此外，老师可以制作一些具体问题的案例分析上传到网上，让学生利用书上的知识点来分析设计整个系统案例，以助学生对于知识点的融会贯通。最后为了保障学生线上学习的施行，线上的网络学习可以采取分组形式，要求在一定时间内2人1组共同完成1个小课题，以保证学生可以真正地理解和掌握知识，避免了部分学生完不成任务，在组内滥竽充数的情况。

建立光纤通信线上学习资料和考核制度，不仅可以帮助学生在课下对课程进行预习和复习，还在一定程度上督促了学生的学习。因为教材的章节看似零散，不便于记忆，其实各知识点是串接在一起的，如若能够将知识条理化，将知识编织成网，那么对于学生的记忆和理解是有很大帮助的。但课堂上的时间是有限的，对于知识点的讲解和梳理并不能很详细，所以可将课堂上详细教学的视频放到网上供学生学习，全面提高学生的学习能力，有利于创新教育的实施。

2.4 教学改革的效果分析

目前，在创新能力培养下的部分学生已参加学院的创新创业项目以及浙江省大学生“新苗计划”等若干项科研项目，并且都取得了丰硕成果。在这些项目的支撑下已发表专利、一级期刊以及SCI论文多篇，见表2。其中，在参与老师科研项目OFDM-PON系统的物理层加密中，陈同学利用混沌映射和恒包络零自相关（Constant Amplitude Zero Auto Correlation，CAZAC）序列实现了OFDM-PON系统数据加密与高峰均功率比的降低，并通过拉格朗日插值法对系统的密钥进行加密，进一步提升了系统的安全性；并巧妙地利用混沌映射对导频的间隔和排列顺序进行加密，在没有任何冗余边带信息的条件下完成了对传输系统的加密；赵同学利用混沌映射所具有的随机特性来充分置乱OFDM信号时频域位置信息，在加密传输系统的同时获得了较大的密钥空间等。这些参与科研项目的同学，大部分人进入了国内985学校读研继续从事科学研究工作。目前，教学团队通过在课堂和实验上对学生的学术兴趣进行引导，并辅以学校的创新创业项目激发学生的自主学习和创新能力，再通过课下辅导和学习讨论提高学生自主解决问题和可持续发展的能力，从而为今后学习深造奠定了一定基础。

表2 教学设计案例下的部分学生成果

3 结 语

基于创新能力培养的教学改革是深化我国高校教育改革的必然趋势。本文以光纤通信课程为主体，从具体的教学实践出发，提出差异化培养学生创新能力的观点。对于积极就业的学生，设计教学内容时将理论与实践相结合，将当前的工程技术发展内容引入课堂上并通过在课堂上展示一些光器件实物，激发起学生的学习兴趣，同时设计相应的以培养动手能力为主的小课题或者实验，可以充分发挥学生主观能动性和创新性。对于继续深造的学生，以兴趣为导向，设计相应的以科研为主的课题，以此培养学生的创新性思维，同时可以吸引学生参加老师的科研项目，实现科研反哺教学，加强学生的自主学习能力科研素养。此外，进行光纤通信的信息化网络建设，便于学生充分运用课外的时间巩固知识点。实践表明，该教学方法可以很好地激发学生的学习兴趣，避免了传统枯燥的授课模式，且在完成教学要求的条件下，还进一步促进了学生创新性思维的培养。