基于虛擬仿真的光通信教學(xué)改革研究與實(shí)踐

孔維敬 倪曉昌 曲芳 趙文慧 劉盾

摘要：本文基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的特點(diǎn)，討論了虛擬仿真在電子通信專業(yè)教學(xué)中的意義。并以光通信技術(shù)課程為例，闡述了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立和工作過程，總結(jié)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提升教學(xué)質(zhì)量的重要作用。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；教學(xué)改革；實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）36-0119-02

近年來，為適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的要求、跟上時(shí)代發(fā)展的步伐，世界上很多國(guó)家都進(jìn)行了教學(xué)改革，比如英國(guó)、美國(guó)和印度等國(guó)，均取得了顯著的成果。隨著我國(guó)與國(guó)外經(jīng)濟(jì)、科學(xué)文化交流的進(jìn)一步加強(qiáng)，與國(guó)際接軌，借鑒國(guó)外先進(jìn)的教學(xué)理念和改革經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)新型人才的任務(wù)變得非常迫切。因此，我國(guó)高校近些年來也進(jìn)行了一系列的教學(xué)改革并取得了重要成果，教學(xué)改革幾乎涵蓋了所有的學(xué)科。伴隨著2017年我國(guó)作為成員國(guó)的《華盛頓協(xié)議》生效，“十三五”期間，為響應(yīng)國(guó)家智能制造、新工科建設(shè)、加強(qiáng)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練的號(hào)召，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)作為高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的一個(gè)發(fā)展平臺(tái)，在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神發(fā)揮著越來越重要的作用。依托信息化技術(shù)中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室是教育理念和模式改革的關(guān)鍵創(chuàng)新[1-3]。

一、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的教學(xué)意義

隨著電子通信技術(shù)的快速發(fā)展，由于受到資金及實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的限制，高校電子通信實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的升級(jí)和換代已經(jīng)明顯滯后于專業(yè)技術(shù)的發(fā)展速度。為了使學(xué)生跟上技術(shù)發(fā)展前沿，建立電子通信虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)高效實(shí)驗(yàn)教學(xué)的任務(wù)變得非常急迫[4-5]。建立電子通信虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，不僅可以使學(xué)生及時(shí)了解最新、最前沿的通信設(shè)備及技術(shù)，而且可以有效避免學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中誤操作而帶來的安全問題，還有利于學(xué)生提前進(jìn)行預(yù)習(xí)，建立從局部實(shí)驗(yàn)設(shè)備到整體實(shí)驗(yàn)的直觀感性認(rèn)識(shí)，有效地解決實(shí)驗(yàn)中盲目操作的問題。除此之外，對(duì)于實(shí)驗(yàn)室已有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)建立虛擬實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)，同樣有利于學(xué)生實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)以及實(shí)驗(yàn)后的復(fù)習(xí)，加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)中每一個(gè)操作步驟的了解，進(jìn)一步理解實(shí)驗(yàn)原理、明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，理解整個(gè)課程的實(shí)驗(yàn)體系。

本文以光通信技術(shù)中的光傳輸媒介的光纜接續(xù)為例，建立光傳輸虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過虛擬仿真實(shí)訓(xùn)及游戲闖關(guān)的考核模式，使學(xué)生了解光纖通信光纜接續(xù)的作用，掌握光纖熔接機(jī)的使用方法，掌握光纜接續(xù)及接頭盒的安裝方法。綜合教、學(xué)、練、控、考，闡述虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作過程。

二、光通信虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

同步光纖網(wǎng)（Synchronous Optical Network，SONET）和同步數(shù)字系列（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）是一種光纖傳輸體制，它以同步傳送模塊（STM-1，155Mbps）為基本概念，其模塊由信息凈負(fù)荷、段開銷、管理單元指針構(gòu)成，其突出特點(diǎn)是利用虛容器方式兼容各種PDH體系。光纖網(wǎng)的主要傳輸設(shè)備包括光發(fā)射機(jī)、光放大器和光接收機(jī)以及傳輸媒介光纜。光纜一般要求按端別次序敷設(shè)，因此應(yīng)掌握光纜端別的識(shí)別。對(duì)中心束管式光纜，因其纜芯只有一根松套管，無端別標(biāo)識(shí)的必要；對(duì)層絞式和骨架式光纜的纜芯，有多根絞合單元，為便于光纜接續(xù)時(shí)一一對(duì)應(yīng)不錯(cuò)纖，要求對(duì)光纜A端與B端進(jìn)行識(shí)別。光傳輸設(shè)備把各種各樣的信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)在光纖上進(jìn)行傳輸。通過對(duì)系統(tǒng)傳輸設(shè)備的配置、組網(wǎng)和調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)光纖傳輸信號(hào)的順利傳輸。下文為光纜接續(xù)虛擬仿真系統(tǒng)的工作步驟：

實(shí)驗(yàn)前幫助學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)的基本要求、實(shí)驗(yàn)步驟、注意事項(xiàng)，包括準(zhǔn)備工作、制備光纖端面、光纖熔接、接頭部位增強(qiáng)保護(hù)、盤纖固定。

1.準(zhǔn)備工作。啟動(dòng)軟件進(jìn)入場(chǎng)景，場(chǎng)景配備光纜、熔接機(jī)、光纜接續(xù)盒，米勒鉗、剝線鉗、光纖切割刀、光纖清潔紙、脫脂棉、酒精瓶、熱縮套管、工具箱。（虛擬場(chǎng)景中支持裝備認(rèn)知）。

2.制備光纖端面。剝纖：選取場(chǎng)景中的專用剝線鉗，去除光纖保護(hù)套。選取場(chǎng)景中的米勒鉗，去除光纖涂敷層長(zhǎng)度約3cm，整個(gè)過程自然流暢，一氣呵成；清潔裸光纖：選定熱縮套管，設(shè)定長(zhǎng)度為60mm，套入裸纖。選取場(chǎng)景中的光纖清潔紙或脫脂棉沾取酒精，夾住已剝覆光纖，利用鼠標(biāo)方向平移順光纖端面方向，從不同角度擦拭，擦拭發(fā)出“吱吱”響聲（2—3次）。切割光纖斷面：鼠標(biāo)選取場(chǎng)景中專用光纖切割刀，切割光纖后剩余長(zhǎng)度鍵盤輸入16mm。

3.光纖熔接。打開熔接機(jī)的防風(fēng)罩及光纖壓板；將制備好的兩根光纖分別放入熔接機(jī)的V型槽內(nèi)；注意將光纖放入熔接機(jī)的V型槽時(shí)，光纖端面不得觸及槽底和電極，以防止損傷及污損光纖端面；輕輕蓋上光纖壓板以壓住光纖，關(guān)閉防風(fēng)罩；按下“自動(dòng)”鍵，熔接機(jī)便自動(dòng)進(jìn)行清潔、光纖校準(zhǔn)、端面檢查、預(yù)熔、光纖推進(jìn)、放電、連接損耗估算、張力測(cè)試等操作。

4.接頭部位增強(qiáng)保護(hù)。把光纖從熔接機(jī)上取出，經(jīng)檢測(cè)光纖接續(xù)損耗滿足質(zhì)量要求；將熱縮管放在裸纖中心（接頭部位），放到熔接機(jī)專用加熱器上加熱。鍵盤輸入選用的熱縮套管為60mm，加熱為85秒。

5.盤纖固定。按照上述步驟進(jìn)行6次，熔接完成6根光纖，將接續(xù)后的光纖收冗余長(zhǎng)盤放在光纜接續(xù)盒內(nèi)的接續(xù)盤上；功能菜單輸入收容余長(zhǎng)的光纖盤繞彎曲的曲率半徑（設(shè)定大于40mm），光纖收冗余長(zhǎng)的長(zhǎng)度（設(shè)定小于1.2m）；先中間后兩邊，將熱縮后的套管逐個(gè)放置于固定槽中，然后再處理兩側(cè)余纖，從一端開始盤纖，然后再處理另一側(cè)余纖；根據(jù)實(shí)際情況采用多種圖形盤纖，順勢(shì)自然盤繞，光纖盤留按色譜順序收容，每根光纖貼上纖序標(biāo)記，以便今后檢測(cè)時(shí)備查。

盤纖方法：先中間后兩邊，先將熱縮后的套管逐個(gè)放置于固定槽中，然后再處理兩側(cè)余纖。優(yōu)點(diǎn)：有利于保護(hù)光纖接點(diǎn)，避免盤纖可能造成的損害。在光纖預(yù)留盤空間小、光纖不易盤繞和固定時(shí)，常用此種方法；從一端開始盤纖，固定熱縮管，然后再處理另一側(cè)余纖。優(yōu)點(diǎn)：可根據(jù)一側(cè)余纖長(zhǎng)度靈活選擇熱縮管安放位置，方便、快捷，可避免出現(xiàn)急彎、小圈現(xiàn)象；如個(gè)別光纖過長(zhǎng)或過短時(shí)，可將其放在最后，單獨(dú)盤繞；帶有特殊光器件時(shí)，可將其置入另一盤處理，若與普通光纖共盤時(shí)，應(yīng)將其輕置于普通光纖之上，兩者之間加緩沖襯墊，以防止擠壓造成斷纖，且特殊光器件尾纖不可太長(zhǎng)。

根據(jù)實(shí)際情況采用多種圖形盤纖。按余纖的長(zhǎng)度和預(yù)留空間大小，順勢(shì)自然盤繞，且勿生拉硬拽，應(yīng)靈活地采用圓、橢圓、“CC”、“～”多種圖形盤纖（注意R≥4cm），盡可能最大限度利用預(yù)留空間和有效降低因盤纖帶來的附加損耗。

在以上虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的操作過程中，學(xué)生進(jìn)入軟件后，即進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。學(xué)生可以選擇新手上路了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、軟件操作方式等。以第一視角的體驗(yàn)、交互模式對(duì)光纜接續(xù)及接頭盒安裝實(shí)驗(yàn)步驟及要點(diǎn)進(jìn)行練習(xí)，利用鼠標(biāo)選擇正確的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，觸發(fā)相應(yīng)的運(yùn)行效果。最后軟件將對(duì)學(xué)生的操作過程形成考核評(píng)價(jià)。

三、結(jié)束語

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以配合其他數(shù)字化資源（如微課、課程資源包、試題）等進(jìn)行教學(xué)，作為學(xué)生學(xué)習(xí)、鞏固、掌握知識(shí)的有效手段，完成被動(dòng)學(xué)習(xí)到主動(dòng)學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)化，促進(jìn)教學(xué)形式的優(yōu)化。并且虛擬仿真系統(tǒng)提供考核手段，能夠輸出準(zhǔn)確、高效的形成性評(píng)價(jià)，供任課教師參考。此外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)兼容性和可擴(kuò)充性較強(qiáng)，可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的更新進(jìn)行持續(xù)建設(shè)與更新，改善實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，提升實(shí)驗(yàn)質(zhì)量，優(yōu)化教學(xué)效果，提升教學(xué)效率。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由于不受物理空間的限制，可以與其他實(shí)驗(yàn)者共享，實(shí)現(xiàn)對(duì)外開放，拓寬教育領(lǐng)域，作為專業(yè)宣傳推廣的素材，以及校企合作協(xié)同育人的素材，為加強(qiáng)校企合作提供一條橋梁。

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