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光学前沿技术范文1
关键词：仿真技术光纤通信实验技术应用
随着通信技术的迅猛发展，光纤通信作为通信专业的一门重要必修课程，在培养通信人才能力的角色中扮演着越来越重要的作用[1]。光纤通信是一门物理学和通信学的交叉学科，其中涉及很多物理学和通信学科的基础理论和基础知识，这给学生学习掌握好这门课程带来很大的挑战。
光纤通信作为一门工程学科，不仅仅教授理论内容，其实践内容也占有非常重要的地位。由于资金的限制，电信级的设备无法购入，因此光纤通信实验课基本以试验箱为主，再配合其他测试仪器完成实验教学，这种模式存在诸多问题，比如实验设备具有使用寿命、易老化；实验项目方法单一、缺乏灵活性；很难进行综合性开发、二次开发；难以深入了解其内部工作原理等。随着计算机仿真技术的发展，国内外高校越来越重视该技术在实验教学中的应用，目前各大高校已经陆续开始建设虚拟仿真实验室。本文将Optisystem和Matlab联合仿真技术引入光纤通信实验教学中，不仅克服了传统实验教学的弊端，还带来了实验开设的便利性、重复性、精准性等优势，取得了良好的教学效果。
1.Optisystem仿真系统
Optisystem是加拿大Optiwave公司推出的一款计算机仿真系统[2]，主要用于光纤通信系统的器件仿真、系统设计等。Optisystem提供了良好的可扩展性，可与Matlab进行联合仿真，只需要在仿真系统中添加一个Matlab组件即可，使用起来方便简单[3]。在使用Optisystem与Matlab协同仿真的时候，首先要了解Optisystem的信号输入Matlab工作空间的格式。
其数据格式如图1所示。
图1Matlab空间数据格式
由图1（a）可以看出，Optisystem的信号格式包括“TypeSignal”，字符类型，表示该信号的类型为光信号、电信号或二进制信号；“Sampled”，结构体，Optisystem的信号就包含在该字段当中。“Parameterized”，结构体，参数化字段，表示一些与时间平均有关的量，如平均功率、中心波长、偏振态等；“Noise”，结构体，表示噪声数据；“Channels”，表示该信号的波长，是指中心波长。
如果选择的是频率抽样信号，则Sampled的数据格式如图1（b）所示。如果选择的是时间抽样信号，则Sampled的数据格式如图1（c）所示。到底是时间信号还是频率信号，由具体问题决定。使用Matlab在时域对信号处理时，就选择时域抽样，否则，选择频域抽样。由图1（b）、图1（c）看出，Smapled包含两个字段，一个是Signal字段，该字段是信号在抽样点的值，另一个是Frequency或Time字段，该字段是抽样点的频点或时间点。
2.频域的Optisystem与Matlab联合仿真
为了进一步说明Optisystem与Matlab联合仿真技术在光纤通信实验教学中的应用，用以下例子做说明。本部分是频域的联合仿真，第3部分是时域的联合仿真。在本部分的例子中，我们使用Matlab代码，对连续波激光器的输出光谱进行右移1THz的操作。其搭建的Optisystem系统如图2所示。
图2光谱右移Optisystem系统
图2中，连续波激光器发出的激光，输入Matlab组件，使用Matlab组件对其进行频移操作。注意：需要把Matlab组件中的“Sampledsignaldomain”设置为“Frequency”，表示在频域采集信号。把Matlab组件中的“RunCommand”设置为Matlab脚本的名字。以下是编写的Matlab脚本代码，名字为frequench_shift.m
OutputPort1=InputPort1；
f=InputPort1.Sampled.Frequency；%输入光信号的频谱
OutputPort1.Sampled.Frequency=f+1e+12；%输出光谱频率右移1THz
使用光谱仪分别测试连续波激光器的输出光谱和经过Matlab组件处理过后的光谱，分别如图3（a）和（b）所示。
（a）（b）
图3（a）连续波激光器光谱；（b）Matlab组件输出光谱
通过比较图3（a）和（b）可以看出，连续波激光器的输出光谱中心频率位于193.1THz处，而Matlab组件的输出光谱位于194.1THz处，这说明光谱被Matlab组件右移了1THz。仅仅使用了三行Matlab代码即实现了频移操作，非常简洁方便有效。
3.时域的Optisystem与Matlab联合仿真
在时域的Optisystem与Matlab联合仿真中，以光信号的幅度调制为例。搭建的Optisystem系统如图4所示。
图4Matlab实现的光信号幅度调制
在图4中，连续波激光器输出的光信号和调制信号输入Matlab组件，Matlab组件完成对信号的光幅度调制。搭建Matlab组件时，需要设置两个输入端口，其中一个电端口，一个光端口。调制信号采用1Gbit/s的伪随机序列，使用NRZ模块产生1Gbit/s的NRZ格式的伪随机序列。把伪随机序列和连续波激光器输出的光信号同时输入Matlab组件，用来产生幅度调制光信号。对于光信号的幅度调制，其数学表达式为：
Eout（t）=Ein（t）.[modulation（t）]1/2
其中Eout（t）是输出的光幅度调制信号，Ein（t）是输入的连续波光信号，modulation（t）是调制电信号。
Matlab脚本代码如下，名字为am.m
OutputPort1=InputPort1；
[is，cs]=size（InputPort1.Sampled）；
len=length（InputPort1.Sampled）；
forcounter=1：cs
OutputPort1.Sampled（1，counter）.Signal=...
InputPort1.Sampled（1，counter）.Signal.*...
sqrt（InputPort2.Sampled（1，counter）.Signal）；
end
（a）（b）
图5（a）伪随机序列时域波形；（b）光幅度调制时域波形
运行Optisystem系统，进行仿真，仿真结束，使用电域示波器（OscilloscopeVisualizer）观测1Gbit/s的伪随机序列NRZ码时域波形。使用光域示波器（OpticalTimeDomainVisualizer）观测Matlab组件的输出时域波形，如图5所示。
其中图5（a）是伪随机序列的时域波形，图5（b）是经过Matlab处理之后的光幅度调制时域波形。通过对比图5（a）和（b）可以知道，使用Matlab组件实现的幅度调制器，能够正常地把伪随机序列码调制到光波上，从而实现数字光信号的幅度调制。
4.结语
本文以Optisystem和Matlab联合仿真为例，介绍了仿真技术在光纤通信实验教学中的应用。通过频域联合仿真和时域联合仿真两个实例，分析了在Optisystem中如何使用Matlab组件进行联合仿真。使用联合仿真技术，可以大大拓展Optisystem的使用范围，学生通过使用仿真技术，不仅能够把课堂上学习的理论知识应用于实践，知其然也知其所以然，还能够巩固学习效果，提高能力，为培养应用型人才打下良好的基础。
参考文献：
[1]王秋光，张亚林，胡彩云，赵莹琦. OptiSystem仿真在光纤通信实验教学中的应用[J].实验室科学，2015（2）.
[2]韩力，李莉，卢杰.基于Optisystem的单模光纤WDM系统性能仿真[J].大学物理实验，2015（10）.
光学前沿技术范文2
关键词：教学方法 课堂气氛 教学效果
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）09（a）-0109-02
1 课程介绍
《光纤通信技术与设备》课程是光纤通信专业的专业核心课程之一，主要给学生建立光纤通信的基本概念、基本理论和基本分析方法。该课程教师通过加强与企业的联系，及时了解企业对人才在知识、能力等方面的需求变化，适时调整课程具体的教学内容。考虑到学生的接受能力以及实际工作岗位需求，经过学术委员会开会讨论，人才培养方案修订，课时数由原来的78课时调整成72课时，理论课时54，实践课时18。
2 课堂气氛沉闷的主要原因
作为实现教学目标、保证教学质量的方式、手段与途径，高校教学方法引起了国内外学者的关注与研究[1]。所谓教学方法就是围绕着一定的教学目标，依据教学内容和学生身心发展的特点以及手段条件因素，设计教学要采用的策略、方法和组合[2]。在新一轮教学改革的促进下，职业教育正由注重知识的传授向注重能力的培养转变，课堂教学中也要求教师要改变过去的教学模式，营造一种轻松、活跃的教学气氛。课堂教学气氛，又称班级社会气氛、课堂教学心理气氛。课堂教学心理气氛是在课堂教学中，教育者、受教育者和教育情境相互作用的结果，是教师在科学的教学思想指导下，通过行之有效的调节方式引导的结果[3]。教师在授课过程中发现课堂气氛沉闷，教学效果差，针对这些问题，与学生在课下进行了交流，原因大致有四个方面，现罗列出来，并进行了分析。
2.1 专业基础薄弱
光纤通信专业招收的学生，高中的数学和物理基础不是很好，对原子能级的基本概念不是很清楚，对半导体PN结的形成原理掌握得不是很好，二进制数和十进制数的转换原理不清楚。因此在课堂教学中要对相关高中知识进行补充。与学生进行交流，在确认学生在听懂了前面的内容之后再进行后面的教学，因为知识讲究一个逻辑性，前面的内容学生没有搞懂，再讲后面的内容，学生也无法掌握。
2.2 注意力不集中
课程的上课时间是每周三下午的5、6节课，学生状态不好，大部分学生在听课过程中容易困倦。教师在上课的过程中要走下讲台，调动学生的学习积极性。要注意课程纪律的把控，遇到有睡觉的同学要进行提醒。
2.3 电子设备干扰
电子设备的普及导致部分学生带手机和PAD上课，干扰了部分学生的听课效果。学生带手机进课堂，无法集中精力学习。手机对学生有着不同程度的负面影响。学生的自制力较差，一旦带了手机就控制不住自己。学生在上课期间QQ聊天、玩游戏、发短信息所带来的声响将直接影响教师授课的质量。经过实际调研，学生很少用手机软件来进行学习。手机更多的是用于同学之间联系、上网闲聊、玩游戏、听音乐等。因此，教师要把课上得精彩，与学生进行互动，让学生跟着教师的节奏走，这样学生无暇去玩手机。
2.4 成绩评定标准模糊
学生对平时成绩的构成不清楚，觉得听与不听一个样，只要来到班级点名点到就能拿到平时成绩。学生来到课程只是凑个人数，并不关心教师的教学内容。因此，要细化平时成绩，将课堂提问纳入平时成绩。积极回答问题的同学会得到更高的平时成绩。
3 课堂气氛活跃方法
针对课堂气氛沉闷的原因，对授课过程做了相应的调整。在教学方法上，坚持以“学生为本位”、以“能力为核心”的职业教育理念，通过实施多种教学方法，教学效果有了改进，学生的听课积极性得到了提高。下面结合实际教学中的部分案例，谈下如何改善课堂教学。
3.1 沟通情感法
课堂上教师的感情主要流露在语言、神态、手势等方面。专科学生可以说是高考中的失败者，本身就带有高中阶段的一些不良学习习惯，如果教师一味地批评，会导致学生的逆反心理，更加不愿意学习，进而放弃自己，沉迷于网络和游戏。有经验的教师都很注意满怀激情，进入角色，带动课堂气氛。同时教师要幽默风趣，在教学的过程中穿插一些知识典故、笑话和时事新闻，也能吸引学生的注意力。此外，利用课前时间或课后时间和学生交谈，了解学生的学习状态，进行有针对性的指导。教师采用简短的攻心战术，以加深感情沟通。一般来说，学生喜欢一位教师，就会喜欢这位教师所讲授的内容。反之，如果学生不喜欢授课教师，他很难从心理上接受课堂教学内容。所以与学生的沟通交流比课堂上的说教更有用处，因为在校的学生是大学生，已经成年，有着自己的独立思维，喜欢平等的交流，不喜欢居高临下的说教。教师与学生要打成一片，成为朋友，这样更有利于课堂教学的开展。
3.2 挑起矛盾法
矛盾是打开学生思维大门的钥匙。有了矛盾，才能激发学生思考的兴趣。这里所说的矛盾，通俗地说就是学习中的疑惑和不解。对这些疑惑和不解，教师要根据学生的解开能力一层一层地逐步挑起，也可由学生自己挑起，教师再有选择地交给学生。这好比平静的水面投入一颗石子，学生思考、争辩、究底的兴趣被激发起来了。
3.3 激励竞争法
每个学生都有着较强的好胜心和进取心，他们渴望自己的闪光点能够在同学、教师面前展露出来。根据这种心理，把课堂当作赛场，引进竞争机制，可以激发他们浓厚的兴趣。具体实施的方式是多样的，如对学生解答、练习等情况进行打分评比，对优胜者或优胜组予以语言表扬、平时成绩加分、实物（纪念品）奖励等。
以下是结合《光纤通信技术与设备》课堂教学实例。
（1）教学内容：复结学习过的内容。
（2）教学过程：①在幻灯片上显示出：“为了庆祝新年的到来，该节课最后设置有奖问答，5个问题全答对者可以获得教师送出的神秘纪念品。”②逐次显示出5个问题。第一，光纤通信的概念？第二，光纤的结构和分类？第三，光与物质的作用方式？第四，我们学过的无源光器件有哪些？（说出5种）第五，SDH网元有哪些？③选出一位成绩较好的，预计5个问题能够全部回答上来的同学回答问题。
（3）教学效果：同学们的情绪被调动起来，为了保证纪念品能正常送出，教师最后选择了一位平时学习比较认真的同学回答问题。第一、第二个问题难度一般，所以学生迅速回答出来，第三个问题有点难度，学生采取了场外求助，在另一位同学的帮助下也回答上来了，第四个问题，每位同学至少可以说出一种无源光器件，因此在全班的提示下也回答上来了。最后一个问题比较简单，全班同学都回答上来了，在送出纪念品的那一刻，全班的课堂气氛达到，获得了良好的教学效果。
4 结语
教无定法，无论采用什么方法，其目的都在于激发学生的学习兴趣，点燃他们智慧的火花，让他们积极地、主动地学习。当然，各种方法并不是孤立的，而是相互联系的。在实际的教学中应当是随机应变的灵活运用各种方法。盲目的、随心所欲的、游离于教学内容之外的方法，教学效果将适得其反。
参考文献
[1] 姚利民.高校教学方法研究述评[J].大学教育科学，2010（1）：21.
光学前沿技术范文3
在电子专业硕士研究生教学中，信息论课程是必修基础理论课程，但由于其与数学联系密切、理论性强、内容抽象，导致学生缺乏学习兴趣和效率低下。为促进学生更好地掌握课程内容，笔者从课程的教学内容、教学方法与考核方式三方面进行一系列教学探索，提出“三个强化、三个联系、三个引入”的改革措施。实践结果表明，这些措施有效地改善了课程教学效果，提高了学生的学习积极性、知识掌握程度和应用知识解决实际问题的能力。
关键词：
信息论；研究生教学；教学改革
《信息论》是本校电子科学与工程学院电路与系统专业硕士研究生（学术型）的专业必修理论课程，也是一般高等院校通信与信息工程、计算机科学与技术、电子科学与技术等一级学科下相关专业的本科生、研究生的主修专业课程[1-5]。通过对本课程的学习，使学生掌握有关信息论的基本理论以及编码的理论、实现原理和具体应用。虽然人们在本科生的《信息论》教学改革方面做了一定的工作[6-9]，但其改革内容不符合电路与系统学科特点，更不符合研究生教学需要。笔者结合本学院学生基础、学校政策及本人近年来的教学实践，在学校研究生教学改革项目支持下，开展了本门课程的教学改革与实践。
一、课程特点
1.需要坚实的数学基础。该课程存在大量的公式推导与证明，与概率论、随机过程、近世代数等数学知识密切相关。若无扎实的数学基础，学生无法看懂推导过程，更无法从根本上理解信息论的数学意义及物理含义。
2.学生学习兴趣不高。由于电子专业硕士研究生的数学基础仅限于本科生学过的概率论与随机过程，对近世代数的了解几乎为零。学生面对繁杂、抽象的理论问题时，无法宏观地理解和把握，致使学生无法提高学习兴趣。
3.课程联系实际困难。课程抽象概念多、定理证明多，与实际应用有一定距离，且与其他课程联系较少。多数学生在学习过程中觉得内容枯燥、难度大，而且与将来就业方向联系较少。鉴于以上问题，为了激发学生学习的积极性和主动性，促进学生更好地掌握本门课程，笔者从课程的教学内容、教学方法与考核方式三方面入手，提出了教学改革的相应措施。
二、教学内容改革———三个强化
1.强化离散信息论的基础作用。信息论的主要内容是信源概念、信息度量方式及三个香农基本定理，相应的内容又分别面向连续信源与离散信源。二者的区别在于，连续信源/信道及相应的定理一般需要结合随机过程知识来学习，而离散信源/信道及相应的定理是建立在概率论、线性代数的基础上。从推导过程和公式形式来看，二者具有内在的统一性。这可从连续信源信息熵的推导过程看出：将连续信源进行离散化，变为离散信源后再利用离散信源信息熵的求解公式并求解极限得到。因此笔者重点强化了对离散信源、离散信道及其容量、无失真信源编码定理、无失真的信源编码的内容。这对学生进一步掌握连续信源、信道及相关问题奠定了基础。
2.强化信息论的现实物理意义。笔者从课程本源出发，让学生理解公式或定理蕴含的深刻物理含义，使理论结果可视化，概念直观化。例如，在讲解离散信源的极值性定理时，可提炼出如下物理含义：第一层含义是，当信源各取值的概率相等时，人们对信源取何值的不确定性最大，由于各信源服从等概率分布，信源的平均不确定性即为各事件的不确定性，因此信息熵也越大；第二层含义是，对于具有不同数量事件的两个信源，若二者同时满足等概率分布，则预测数量较多事件的信源的难度较大，因此该信源的信息熵也较大。
3.强化教学案例的实用性。在本次教学改革中，共自创或搜集教学案例11例，每个教学案例都与教材内容有关，将晦涩难懂的理论内容变为鲜活的例子，让学生去感受和体会案例中蕴含的问题，从而为更好地理解教学内容奠定基础。以引入的六个视频教学案例为例，该案例以美国国家航天局发射的新火星探测器为背景，讲解了信息如何传播、如何加密等问题。通过这部分教学案例的学习，学生深刻地认识到了信息论的价值与实践意义。
三、教学方法改革———三个联系
1.联系计算机仿真。笔者鼓励学生应用MATLAB中SIMULINK工具设计具体的通信系统模型，如基于开关键控或正交频分复用的射频通信系统。让学生看到实验现象的同时，更加深刻地体会信息的传递过程，了解信源、信宿、信道的构成，学习信源编码、信道编码、加密、信道译码、信源译码等信息处理过程，加强学生对信道容量、信息传输速率、误码率等概念的把握。笔者督促学生将上述问题作为课程设计的作业，使其结合信息论所学的知识，提炼出相关问题、建立模型，加以认真分析解决；再将提炼问题和解决问题的过程以及结论进行汇总，撰写成研究报告。这既巩固了学生的基础知识，又锻炼了学生运用计算机进行建模和仿真的能力。
2.联系工程实际。由于研究生日常的工作大多在实验室从事工程项目的研究或开发工作，若能将这些工作与信息论知识联系到一起，无论对信息论的学习还是科研都将起到促进作用。笔者首先开展了调查研究工作，统计了各个学生从事科研项目的情况，然后让学生结合课程知识，从信息获取、处理、传输、存储的角度去解释。例如，在讲述信息不增性原理时，笔者结合温度传感器的设计问题：将大气环境温度看成连续信源，将传感器系统看作信道，将显示终端看作信宿。因此，设计该系统的关键问题———如何设计传感器才能最大化地得到信息而不丢失信息？学生带着这个问题去思考，就可以真正地体会传感器中信息传递过程。
3.联系科学前沿。为鼓励学生大胆创新，笔者尝试将科学前沿技术引入信息论课程，例如，室内、外可见光通信技术。笔者结合自己近年来从事可见光通信研究的经历，向学生讲授了可见光通信系统的设计、研制、实验测试等一系列过程；然后结合信息论课程所学的知识，将其与研制的可见光通信系统联系在一起。笔者也鼓励学生探索与信息论相关的科学前沿问题，开展课堂讨论与课下交流。让学生查询保密学、光学信息论等方面的文献，详细阅读并做总结。然后，切实提出自己的想法，再予以验证，从而将学生所学知识真正地和科学前沿结合在一起。
四、考核方式改革———三个引入
该课程原来采取任课教师命题、纸质考试方式。其弊端在于，教师命题规律和出题形式规定，学生只要做一遍往年考试题目，就可得到较高的分数。虽然这种考核形式能在一定程度上反映出学生的知识水平，但却无法体现其学术水平和实践能力。为此，笔者在考核方式上做了三个引入的变化。
1.引入随堂能力测验。随堂能力测验是考查学生运用所学信息论知识分析解决实际问题的能力。由于采取随堂考试形式，因此，对学生课堂学习效率和前期积累提出了较高的要求。例如，在学习香农公式时，笔者考查了学生运用香农公式计算射频通信所需带宽的问题；在学习无失真的信源编码时，笔者考查了应用霍夫曼编码对离散信源进行编码的能力。该测验在总成绩中占10%的比例，从而激励学生很好地利用课堂来学习知识。
2.引入学术论文加分。提升学术水平是研究生教学的任务之一。笔者针对信息论教学中每章的重点问题，均设置开放性的论题供学生选择，让其查阅文献、资料，进行认真的设计、理论推导、计算机仿真、现场实验，并将其总结成文，然后以学术论文的形式提交。笔者根据学生在文中阐述的观点、论证的严密性、结论的正确性与普遍性等方面予以考核。学术论文在总成绩中占20%的比例，是本次教学改革的重点。
3.引入上机考试。往年的信息论期末考试中，题目是由任课老师自行拟定。由于种种原因，考试题目重复率高、知识点考查单一，这给学生突击考试并取得好成绩提供了可能。为此，笔者将期末教师出题测试改为上机随机抽题考试。笔者建立了试题库，题型包括：客观题（选择、判断）、主观题（概念、简答、计算、综合）。在本校计算机学院协助下，建成了信息论上机考试系统，学生登陆系统后，按照教师设定的题目数量和难度，随机抽取试题。上机考试的在总成绩中占据70%的比例，也是这次教学改革的重点。该考核方式经试运行后，效果良好。
五、结语
笔者根据电路与系统专业信息论课程的特点以及目前教学中存在的问题，从教学内容、教学方法及考核方式三个方面提出了相应的改革措施。通过本次的教学实践证明，采取的这些措施有效地改善了课程教学效果，提高了学生的学习积极性、知识掌握程度和应用知识解决实际问题的能力。
参考文献：
[1]陈运.信息论与编码[M].北京：电子工业出版社，2007.
[2]叶中行.信息论基础[M].北京：高等教育出版社，2002.
[3]李梅.信息论基础教程（2版）[M].北京：北京邮电大学出版社，2003.
[4]曹雪虹.信息论与编码[M].北京：清华大学出版社，2003.
[5]吴伟陵.信息处理与编码[M].北京：人民邮电出版社，2005.
[6]李迎春，等《.信息论与编码》教学改革探讨[J].科技信息，2010，（20）：18-20.
[7]邓家先.信息论与编码课程教学改革探讨[J].电气电子教学学报，2007，29（2）：111-114.
[8]高宏峰，彭勃.信息论基础课程教学改革探究[J].洛阳师范学院学报，2010，29（2）：160-161.
