摘 要：引入虛擬實驗教學是緩解省屬地方高等院校科研裝置短缺的有效方法。本文以光通訊技術課程為例，研究了虛擬實驗課程開設的背景與意義，詳細闡述了對應的課程內容與具體的實驗室建設與實施方法。最後，依據所取得的成果評價了虛擬實驗課程的效果，證實了該教學改革的可行性。
關鍵詞：虛擬實驗教學;教學改革;光通訊技術
光通訊技術是當今資訊科技領域的前沿與支撐技術之一。2013年，國務院頒佈“寬頻中國”計劃，進一步提升了光通訊技術在國家發展戰略中的地位。簡言之，光通訊技術是光纖技術與通訊技術的綜合體，它具有高速、大容量的優點，但亦存在高成本、高複雜度和多學科交叉的特點。這成為該門課程實踐教學開展的主要困難。而且，對於省屬地方高等院校，同時面臨生源基數大、實驗教學經費短缺、裝置更新緩慢等難題，使得該問題更加凸顯。為緩解這一問題所帶來的影響，基於專業光通訊模擬軟體，引入虛擬實驗教學時必然趨勢。
一、虛擬實驗教學改革的背景與意義
作者所在的黑龍江大學電子工程學院，《光通訊技術》實驗需為兩個本科專業(光電子技術系和通訊工程系)學生(約180人/年)提供課程資源。原有《光通訊技術》包含“光纖低損耗熔接”“光纖纖芯分佈測量”“光纖微彎損耗測量”“光時域分佈反射測量”和“可視光通訊傳輸系統演示”5個基礎專業實驗，僅能覆蓋《光纖技術》和《光通訊技術》兩門專業必修課程的實驗教學任務，學生缺乏對“光電子器件”應用的認知。而且，光纖與光通訊技術是本專業最重要的兩個研究方向之一，是專業學生就業與求學的主要支撐技術。近10年來，光通訊技術在“光傳輸”“光交換”“光接入”和“可見光電力線通訊”等領域高速發展。然而，現有實驗教學裝置多購置於2001年，部分已陳舊、老化。與此同時，面臨教學經費不足，裝置臺套數有限，儀器價格昂貴，由於普通高校擴招導致生源劇增的雙重壓力，對應的實驗內容無法得到更新，課程講授內容與實驗教學脫節，學生學習興趣低下。
圖1 原有專業基礎實驗方案
與之相比，專業模擬軟體具有價格低廉，覆蓋領域廣，專業性強，靈活性、操作性好等系列優點，可實現光放大器設計，光電轉換器件測試，多光通訊系統實時線上模擬等功能，與本專業光纖技術、光電器件與檢測、光通訊技術課程內容吻合。鑑於此，將虛擬實驗與原有的專業實驗相結合，以專業實驗為基礎，虛擬實驗為進階，二者相互補充、取長補短，將可有效緩解專業實驗教學中所面臨的困難。
二、虛擬實驗教學改革的具體實施方法
(一)方案設計與實驗室建設
1、保留原有的“光纖低損耗熔接”“光纖纖芯分佈測量”“光纖微彎損耗測量”作為基礎實驗，刪除“光時域分佈反射測量”和“可視光通訊傳輸系統演示”兩個實驗，節省6學時的.課程資源。
2、開設“光通訊模擬設計”課程設計，以虛擬實驗教學方式提高學生對於“光通訊系統架構”“光纖放大器設計”“光電子器件工作特性”的掌握能力。課程設計採用機房集中教學模式，包含“光發射機/光接收機的實現”，“誤位元速率與質量因子評價”“色散補償特性測試”“光放大器效能優化”“格式生成與轉換”五個模組，共計32學時。其中，講授學時8學時，實驗學時24學時，第一、二模組為必選，後三個模組至少任選其一。
3、將原有機房進行升級與改造，新購置計算機50臺套，伺服器1臺套，投影教學裝置1臺套。更新原有網路佈線與系統，實現教師與學生互動能力，提升學生間的互動學習能力，改善學生個人的實驗學習的平臺環境。購置專業光通訊模擬軟體OptiSystem(12、0版)1套，可同時滿足30人線上模擬需求。
圖2 虛擬實驗設計方案
(二)虛擬實驗教學實施方法
在實際的教學過程中，該門課程對於光電子技術專業學生(年均60人)為必修課程，分成2個教學班級迴圈教學;對於通訊工程專業學生為選修課程，根據以往統計，選修課程人員約60―80人，亦分成2個教學班級迴圈教學。除講授8學時外，學生需在2周內完成24實驗學時，教學資源採用開放模式提供，學生可自行安排學習時間，學時計算由智慧管理系統完成。教學模式除課上教學、實驗外，還包括師生線上交流與線上答疑。課程考試採用報告模式提交，3人一組，需分工明確，格式統一，資料與分析清楚有效。
圖3 虛擬實驗教學的實施與執行
三、效果與評價
對於通訊工程專業，該門課程設定在第六學期，需學習前期的光纖基礎實驗。對於光電子技術專業，該門課程設定在第七學期。作為中間環節，他是專業實驗的進階，同時作為本科畢業設計的前期訓練，起到承上啟下作用。執行一年來，效果顯著。主要體現在：(1)增加了實驗教學資源，緩解了實驗裝置臺套數少的困難，提升了學生的實踐實訓能力;(2)完成了課堂教學與實驗教學的完整對接，教學內容與深度得到進一步提升;(3)激發學生學習興趣，為教師的科學研究提供有效輔助。截至2014年12月，已有11名專業學生參與到教師的科研團隊中，並在光通訊設計領域發表EI檢索科研論文3篇，申報發明專利1項，獲授權實用新型專利2項，獲批省級、校級創新創業課題2項。
四、結論
針對省屬高等院校理工科實驗教學的實際情況，以“光通訊技術”課程為例，引入了虛擬教學環節，有效彌補了原有專業基礎實驗教學在內容更新、基礎裝置受限等方面的不足。虛擬實驗教學作為專業實驗的進階，可有效提升本科學生畢業設計的質量，成為二者間連線的紐帶，承上啟下。此外，虛擬實驗教學還具有投入低、見效快的特點，它應作為一種重點的教學模式在今後的理工科實驗教學課程中得到廣泛推廣。
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