光电类课程虚拟仿真实验教学系统的构建与应用*

陈琳

金陵科技学院 网络与通信工程学院 江苏 南京 211169

引言

中华人民共和国教育部《教育信息化十年发展规划》指出虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物，是实验教学方式的重要补充[1]。此外，教育部先后下发了《关于 2017-2020 年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》（教高厅[2017]4号）[2]和教育部《关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》（教高函[2018]5号）[3]等文件，足见对虚拟仿真教学的重视。近年来国内各高校也积极响应教育部的号召，广泛开展虚拟仿真实验教学项目申报，竞争激烈。虚拟仿真实验教学越来越受到各大高校的欢迎和重视。

光电技术产业拥有巨大的发展潜力和广阔的应用前景[4-6]。我国是光电技术产业大国，随着新技术和相关产业的迅速发展，光电技术产业已经成为新的经济增长点和国家的支柱产业。光电技术行业的飞速发展，意味着企业对光电技术相关人才的高度需求，因此，为了满足社会需求，近10年来，许多高校先后创办了光电技术相关专业。

光电技术相关专业多为新兴专业，普遍存在专业办学时间短、实验教学条件不够完善的问题，加上专业自身存在的一些常规实验教学条件下无法开展的、高成本的、不可及及不可逆的实验，如：①光电器件及材料的研究和教学过程中，大量的微观结构及变化过程需要深入原子、电子和分子等微观层次，常规实验条件难以观测。②教学及研究中涉及的新光电器件及材料，存在开发过程耗时长、难以实现等问题。如光电器件的开发，通常需要理论模拟设计及优化、实物研制的过程，研究周期长，并且需要投入大量的人力物力财力，常规实验条件难以实现。③行业最新成果转化到本科教学的周期长，往往需要成果成熟并投入市场之后才可以实现，造成教学和产业需要的脱轨。④光电器件与材料的研制，需要用到易燃、易爆等危险性材料，难以保证学生在安全的前提下，顺利完成实验，无法在本科教学中开展。⑤光电器件性能的研究，涉及其工作时内部发生的光、电、热、力等过程，这些过程难以直观地展示给学生，只能通过外部测试加虚拟仿真实验的手段来分析。由此可见，在光电技术相关专业教学中引入虚拟仿真实验教学尤为必要也势在必行。

1 虚拟仿真教学系统

当前，各高校虚拟仿真实验内容上通常是针对某一门课或某一组相近实验，本项目将光电技术相关专业的相关知识点综合提炼为一个工程系统，包括3个光电模块（如图1）：①光信息的产生（电光转换）；②光信息的传输（光通信）；③光信息的探测（光电转换）。学生在学习过程中既可以巩固光电的专业基础知识，又接触到综合知识以及行业产业的最新成果，促进学生知识能力素质的有机融合，培养学生解决复杂问题的综合能力。

图1 光电工程系统

模块一：光信息的产生。

此模块解决的主要问题就是电信号到光信号的转换过程，可实现电光转换的器件有发光二极管、激光器、液晶显示器、阴极射线管以及等离子显示板等器件，其中最具代表性的当属激光器，它功率很高，激光射出沾到易燃物引起火灾，在运行时会可能会产生有害气体，最重要的是激光会对人的眼睛和对皮肤造成损害，而且对眼睛的伤害是永久性的，正因为它的高危险性，不可能将激光器引入本科实验教学中，此外，激光器结构及工作原理较复杂，仅凭二维图片讲解，教学手段较生硬，教学过程较枯燥，教学效果不理想，因此需要构建虚拟仿真实验系统，CST STUDIO SUIT 是适于模拟激光器进行的一个专业软件。

CST STUDIO SUIT（CST）是一款专业的三维电磁场模拟仿真软件，该软件在有限积分法的基础上，实现了复杂结构下的多物理场的数值求解。相比于其他的电磁仿真软件，CST具有操作简单、功能全面、界面友好等诸多优势。

利用CST对激光器进行三维结构建模，如图2所示，学生和教师一起观察器件内部结构及其工作情况，不仅形象生动，也可以使学生的在学习中更具主动性，调动学生的积极性，达到更好的教学效果。

图2 激光器三维结构

模块二：光信息的传输。

此模块解决的主要问题是光通信技术，即将模块一产生的光信号进行传输，其主要载体是光纤，从1991年起，我国开始大力发展光纤通信，同时十分重视光通信器件的研发，通过国家技术发展计划安排专题，组织技术攻关，跟踪国际先进技术等措施的实施，极大地推动了光通信器件的研究开发和产业化工作。然而，1970年以前，由于光纤的传输损耗非常大，光学通信技术只是一个在学术上讨论的问题。1970年，研究人员首次公开表示可以制造低损耗的光纤。在过去，光纤的传输损耗为 2000dB/km，而现在这一损耗已降至20dB/km。低损耗的光纤仍然是目前研究的热点，然而，传输损耗涉及大量的微观结构及过程，需要从原子核、电子、原子和分子等微观粒子的层次出发，传统实验手段无法观测及评估不同材料的传输损耗，利用COMSOL Multiphysics进行虚拟仿真可以解决这一问题。

COMSOL Multiphysics是一款数据仿真软件，具有集成度高、仿真速度快等优点。在材料微观特性如光传播、热特性以及电导率等方面，COMSOL表现出明显的优势。

利用COMSOL建立石英玻璃制成的单个阶跃折射率波导模型。内部纤芯由折射率为 n1=1.4457的纯石英玻璃制成，包层添加了其他物质，折射率为n2=1.4378。图3是仿真结果，该图是在有效模式折射率为1.4444时绘制的。将该虚拟仿真实验引入教学中，从微观角度观测光纤传输损耗，激发学生的学习兴趣。

图3 电场z分量的表面图

模块三：光信息的探测。

此模块解决的主要问题就是光信号到电信号的转换过程，即接收模块二传输来的光信号并将其转化为电信号，可实现光电转换的器件有光敏电阻、光电池、PIN管、CCD、光电管以及光电倍增管等器件，其中最能代表光电行业发展的最新成果的当属电倍增管，它种类繁多、结构复杂、价格昂贵，不可能大量购买投入到教学中，因此应用虚拟仿真实验教学显得很有必要。

以一款国内光电行业的尖端器件--大面积微通道板型光电倍增管为例，该光电倍增管拥有完全自主知识产权，用于江门中微子探测实验，具备探测面积大、增益高以及探测效高等优点，目前虽已批量生产，但仅用于科研实验，暂时无法投入到日常教学当中。若采用虚拟仿真软件，教师在参阅文献的基础上，可对该光电管进行建模并运行，结果如图4。学生即可通过电脑，观察该器件的三维结构，也可以观察到实际中不可能看到的电子从光电阴极到阳极的运行轨迹，该模型实现了将行业的最新发展成果到教学内容的即时转化，使教学内容“不过时”。

图4 CST模拟的大面积微通道板型光电倍增管的三维模型

以上内容仅为三个模块的几个虚拟仿真实验部分实例，构建虚拟仿真实验教学系统，既需要大量的教学模型保证系统的完整性，又要求选取的模型可以涵盖较全面的专业的知识点。

2 结束语

积极响应国家号召，开展虚拟仿真教学，不仅遵循教师教学和学生学习规律，做到理论和实践相结合，让学生不断试错中学习和实践，循序渐进，真正实现学生的探究性学习和自主学习，实现理论和实践能力的双重提升，而且可将行业发展的最新成果、技术及时投入到本科教学中，确保教学内容的精彩，实现教学对科研的实时更进，适应经济社会快速发展对人才培养的新要求，达到立德树人的教学目的。