陳琳

金陵科技學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)與通信工程學(xué)院 江蘇 南京 211169

引言

中華人民共和國教育部《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃》指出虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的重要補(bǔ)充[1]。此外，教育部先后下發(fā)了《關(guān)于 2017-2020 年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》（教高廳[2017]4號(hào)）[2]和教育部《關(guān)于開展國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知》（教高函[2018]5號(hào)）[3]等文件，足見對(duì)虛擬仿真教學(xué)的重視。近年來國內(nèi)各高校也積極響應(yīng)教育部的號(hào)召，廣泛開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目申報(bào)，競(jìng)爭(zhēng)激烈。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)越來越受到各大高校的歡迎和重視。

光電技術(shù)產(chǎn)業(yè)擁有巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應(yīng)用前景[4-6]。我國是光電技術(shù)產(chǎn)業(yè)大國，隨著新技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，光電技術(shù)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)和國家的支柱產(chǎn)業(yè)。光電技術(shù)行業(yè)的飛速發(fā)展，意味著企業(yè)對(duì)光電技術(shù)相關(guān)人才的高度需求，因此，為了滿足社會(huì)需求，近10年來，許多高校先后創(chuàng)辦了光電技術(shù)相關(guān)專業(yè)。

光電技術(shù)相關(guān)專業(yè)多為新興專業(yè)，普遍存在專業(yè)辦學(xué)時(shí)間短、實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件不夠完善的問題，加上專業(yè)自身存在的一些常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件下無法開展的、高成本的、不可及及不可逆的實(shí)驗(yàn)，如：①光電器件及材料的研究和教學(xué)過程中，大量的微觀結(jié)構(gòu)及變化過程需要深入原子、電子和分子等微觀層次，常規(guī)實(shí)驗(yàn)條件難以觀測(cè)。②教學(xué)及研究中涉及的新光電器件及材料，存在開發(fā)過程耗時(shí)長(zhǎng)、難以實(shí)現(xiàn)等問題。如光電器件的開發(fā)，通常需要理論模擬設(shè)計(jì)及優(yōu)化、實(shí)物研制的過程，研究周期長(zhǎng)，并且需要投入大量的人力物力財(cái)力，常規(guī)實(shí)驗(yàn)條件難以實(shí)現(xiàn)。③行業(yè)最新成果轉(zhuǎn)化到本科教學(xué)的周期長(zhǎng)，往往需要成果成熟并投入市場(chǎng)之后才可以實(shí)現(xiàn)，造成教學(xué)和產(chǎn)業(yè)需要的脫軌。④光電器件與材料的研制，需要用到易燃、易爆等危險(xiǎn)性材料，難以保證學(xué)生在安全的前提下，順利完成實(shí)驗(yàn)，無法在本科教學(xué)中開展。⑤光電器件性能的研究，涉及其工作時(shí)內(nèi)部發(fā)生的光、電、熱、力等過程，這些過程難以直觀地展示給學(xué)生，只能通過外部測(cè)試加虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的手段來分析。由此可見，在光電技術(shù)相關(guān)專業(yè)教學(xué)中引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)尤為必要也勢(shì)在必行。

1 虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)

當(dāng)前，各高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上通常是針對(duì)某一門課或某一組相近實(shí)驗(yàn)，本項(xiàng)目將光電技術(shù)相關(guān)專業(yè)的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)綜合提煉為一個(gè)工程系統(tǒng)，包括3個(gè)光電模塊（如圖1）：①光信息的產(chǎn)生（電光轉(zhuǎn)換）；②光信息的傳輸（光通信）；③光信息的探測(cè)（光電轉(zhuǎn)換）。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中既可以鞏固光電的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，又接觸到綜合知識(shí)以及行業(yè)產(chǎn)業(yè)的最新成果，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)能力素質(zhì)的有機(jī)融合，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力。

圖1 光電工程系統(tǒng)

模塊一：光信息的產(chǎn)生。

此模塊解決的主要問題就是電信號(hào)到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換過程，可實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換的器件有發(fā)光二極管、激光器、液晶顯示器、陰極射線管以及等離子顯示板等器件，其中最具代表性的當(dāng)屬激光器，它功率很高，激光射出沾到易燃物引起火災(zāi)，在運(yùn)行時(shí)會(huì)可能會(huì)產(chǎn)生有害氣體，最重要的是激光會(huì)對(duì)人的眼睛和對(duì)皮膚造成損害，而且對(duì)眼睛的傷害是永久性的，正因?yàn)樗母呶ｋU(xiǎn)性，不可能將激光器引入本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，此外，激光器結(jié)構(gòu)及工作原理較復(fù)雜，僅憑二維圖片講解，教學(xué)手段較生硬，教學(xué)過程較枯燥，教學(xué)效果不理想，因此需要構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，CST STUDIO SUIT 是適于模擬激光器進(jìn)行的一個(gè)專業(yè)軟件。

CST STUDIO SUIT（CST）是一款專業(yè)的三維電磁場(chǎng)模擬仿真軟件，該軟件在有限積分法的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)下的多物理場(chǎng)的數(shù)值求解。相比于其他的電磁仿真軟件，CST具有操作簡(jiǎn)單、功能全面、界面友好等諸多優(yōu)勢(shì)。

利用CST對(duì)激光器進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)建模，如圖2所示，學(xué)生和教師一起觀察器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其工作情況，不僅形象生動(dòng)，也可以使學(xué)生的在學(xué)習(xí)中更具主動(dòng)性，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，達(dá)到更好的教學(xué)效果。

圖2 激光器三維結(jié)構(gòu)

模塊二：光信息的傳輸。

此模塊解決的主要問題是光通信技術(shù)，即將模塊一產(chǎn)生的光信號(hào)進(jìn)行傳輸，其主要載體是光纖，從1991年起，我國開始大力發(fā)展光纖通信，同時(shí)十分重視光通信器件的研發(fā)，通過國家技術(shù)發(fā)展計(jì)劃安排專題，組織技術(shù)攻關(guān)，跟蹤國際先進(jìn)技術(shù)等措施的實(shí)施，極大地推動(dòng)了光通信器件的研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化工作。然而，1970年以前，由于光纖的傳輸損耗非常大，光學(xué)通信技術(shù)只是一個(gè)在學(xué)術(shù)上討論的問題。1970年，研究人員首次公開表示可以制造低損耗的光纖。在過去，光纖的傳輸損耗為 2000dB/km，而現(xiàn)在這一損耗已降至20dB/km。低損耗的光纖仍然是目前研究的熱點(diǎn)，然而，傳輸損耗涉及大量的微觀結(jié)構(gòu)及過程，需要從原子核、電子、原子和分子等微觀粒子的層次出發(fā)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段無法觀測(cè)及評(píng)估不同材料的傳輸損耗，利用COMSOL Multiphysics進(jìn)行虛擬仿真可以解決這一問題。

COMSOL Multiphysics是一款數(shù)據(jù)仿真軟件，具有集成度高、仿真速度快等優(yōu)點(diǎn)。在材料微觀特性如光傳播、熱特性以及電導(dǎo)率等方面，COMSOL表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。

利用COMSOL建立石英玻璃制成的單個(gè)階躍折射率波導(dǎo)模型。內(nèi)部纖芯由折射率為 n1=1.4457的純石英玻璃制成，包層添加了其他物質(zhì)，折射率為n2=1.4378。圖3是仿真結(jié)果，該圖是在有效模式折射率為1.4444時(shí)繪制的。將該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)引入教學(xué)中，從微觀角度觀測(cè)光纖傳輸損耗，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

圖3 電場(chǎng)z分量的表面圖

模塊三：光信息的探測(cè)。

此模塊解決的主要問題就是光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換過程，即接收模塊二傳輸來的光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的器件有光敏電阻、光電池、PIN管、CCD、光電管以及光電倍增管等器件，其中最能代表光電行業(yè)發(fā)展的最新成果的當(dāng)屬電倍增管，它種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，不可能大量購買投入到教學(xué)中，因此應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)顯得很有必要。

以一款國內(nèi)光電行業(yè)的尖端器件--大面積微通道板型光電倍增管為例，該光電倍增管擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，用于江門中微子探測(cè)實(shí)驗(yàn)，具備探測(cè)面積大、增益高以及探測(cè)效高等優(yōu)點(diǎn)，目前雖已批量生產(chǎn)，但僅用于科研實(shí)驗(yàn)，暫時(shí)無法投入到日常教學(xué)當(dāng)中。若采用虛擬仿真軟件，教師在參閱文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，可對(duì)該光電管進(jìn)行建模并運(yùn)行，結(jié)果如圖4。學(xué)生即可通過電腦，觀察該器件的三維結(jié)構(gòu)，也可以觀察到實(shí)際中不可能看到的電子從光電陰極到陽極的運(yùn)行軌跡，該模型實(shí)現(xiàn)了將行業(yè)的最新發(fā)展成果到教學(xué)內(nèi)容的即時(shí)轉(zhuǎn)化，使教學(xué)內(nèi)容“不過時(shí)”。

圖4 CST模擬的大面積微通道板型光電倍增管的三維模型

以上內(nèi)容僅為三個(gè)模塊的幾個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)部分實(shí)例，構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，既需要大量的教學(xué)模型保證系統(tǒng)的完整性，又要求選取的模型可以涵蓋較全面的專業(yè)的知識(shí)點(diǎn)。

2 結(jié)束語

積極響應(yīng)國家號(hào)召，開展虛擬仿真教學(xué)，不僅遵循教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)規(guī)律，做到理論和實(shí)踐相結(jié)合，讓學(xué)生不斷試錯(cuò)中學(xué)習(xí)和實(shí)踐，循序漸進(jìn)，真正實(shí)現(xiàn)學(xué)生的探究性學(xué)習(xí)和自主學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)踐能力的雙重提升，而且可將行業(yè)發(fā)展的最新成果、技術(shù)及時(shí)投入到本科教學(xué)中，確保教學(xué)內(nèi)容的精彩，實(shí)現(xiàn)教學(xué)對(duì)科研的實(shí)時(shí)更進(jìn)，適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展對(duì)人才培養(yǎng)的新要求，達(dá)到立德樹人的教學(xué)目的。