光纤通信课程教学中的思政元素及运用

摘  要：课堂思政是高校工科课程教学的重要组成部分，但容易出现挖掘不深、设计不精以及方式单一的问题，导致德育效果不佳。该文梳理总结光纤通信课程在家国情怀、科学精神、职业素养、哲学思维、国防与法律意识等方面的思政元素，将其与专业知识和教学过程有机融合，既满足立德树人要求，还使教学内容和形式更加丰富，形成德育和智育正反馈，取得较好的教学效果。

关键词：课堂思政；光纤通信；思政元素；教学效果；教学内容

中图分类号：G642     文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）17-0189-04

Abstract： "Curriculum ideological and political education" is an important part of engineering course teaching in colleges and universities， whereas the teaching effect is likely not good due to the problems of poor mining， poor design and single method. The elements of ideological and political education in Optical Communications course are sorted and summarized in terms of national feelings， scientific spirit， professional quality， philosophical thinking， national defense and legal awareness. These elements are integrated with professional knowledge and teaching process， which not only meets the requirements of moral education， but also enriches the teaching content and form， resulting positive feedback with intellectual education and achieving good teaching effectiveness.

Keywords： curriculum ideological and political education; Optical Communications; elements of ideological and political education; teaching effectiveness; teaching content

党的二十大报告明确提出，要“落实立德树人根本任务，培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人”。高等教育落实立德树人，除了思想政治课堂发挥主渠道作用，专业课的课堂思政也是重要环节。光纤通信是通信工程专业一门必修课，如何发掘该课程蕴含的思政元素，并将专业知识与思想教育有机融合值得深入研究[1-4]。本文结合现有研究成果和教学实践，将光纤通信课程思政元素分为家国情怀、科学精神、职业素养和哲学思维四大类，并分别予以阐释。

一  家国情怀

家国情怀主要包括激发爱国主义精神和树立社会主义核心价值观，这是学生对祖国的一种最深厚的感情，与为国奉献、对国尽责紧紧地联系在一起。光纤通信课程中激励家国情怀的思政点比较多，主要是从国家在相关领域取得成就和部分前沿科技暂时被国外打压的角度进行融合，提高民族自豪感，增强学生的道路、理论、制度和文化自信心，激发实现中华民族伟大复兴中国梦的责任感和使命感。

在讲授光纤通信应用、光纤发展趋势等知识点时，介绍我国光纤产业发展历史和现状。1998年我国建成“八纵八横”格状光缆骨干网，覆盖全国省会以上城市和70%地市，全国长途光缆达到20万公里，形成以光缆为主的长途骨干通信网络。截至2022年底，我国光缆线路总长度达5 958万公里，其中长途光缆线路、本地网中继光缆线路和接入网光缆线路长度分别达109.5万、2 146万和3 702万公里。我国光纤通信较国外起步晚，但是国内的一些领军企业，例如华为、中兴、中国信科等奋起直追，已经跻身于光纤通信领域前列，部分产品的市场竞争力和占有率也在不断提高[5]。

在介绍学习相干光通信技术时，引入我国的实际应用和研究现状。目前，基于密集波分复用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）技术，我国的相干光通信系统在商业领域中的应用处于世界领先水平，中国电信集团有限公司和华为技术有限公司已经实现偏振复用16QAM信号50 GHz间隔、200 Gbit/s单路传输速率的1 142 km传输，单纤传输总容量达到16 Tbit/s，华为还利用C+L波段的掺铒光纤放大器（Erbium Doped Fiber Application Amplifier，EDFA）实现了124 Tbit/s信号600 km传输[5]，2019年我国完成了1.06 Pbit/s超大容量波分复用及空分复用的光传输系统实验，可以同时传输近300亿人的通话信息。

在学习光量子通信系统时，突出我国在世界量子通信领域的领先地位。量子通信具有绝对保密性的独特优势，以潘建伟、郭光灿、龙桂鲁等为代表的中国科学家在量子通信领域取得伟大成就，使中国成为世界量子通信产业的领跑者。我国已经建成“合肥量子通信网”“济南量子通信试验网”“京沪干线”等地面量子通信网，成功发射世界首颗量子通信科学实验卫星“墨子号”，并于2021年构建了世界上首个集成700多条地面光纤量子密钥分发链路和两个星地自由空间高速量子密钥分发链路的天地一体化量子通信网。《自然》杂志也曾评价“在量子通信领域，中国用了不到十年时间，由一个不起眼的国家发展成为现在的世界劲旅”。

除了上述巨大成就，我国在光纤通信领域仍然存在短板与弱项，最典型的就是高端光芯片，这也能从另一个角度增强学生的危机感，将爱国热情转化为使命责任。众所周知，我国在电子芯片领域正在遭受美国等西方国家的出口限制，在光芯片领域我们的形式也不容乐观。目前，中国低速光通信芯片市场（10 G及以下）已呈现高度竞争的格局，现阶段中国已有30多家企业实现10 G及以下光通信芯片的销售，低速芯片市场趋近饱和。但我国的高端光模块上游光芯片仍然受限于海外领先企业，以100 Gbit/s@10/40 km光模块核心光芯片53 G Baud为例，我国大部分头部企业仍在研发阶段，而以SEDI等为代表的际领先厂家已经基本度过样品阶段实现了规模化量产。回想20世纪60年代世界红宝石激光器诞生不到一年时间，我们老一辈科学家就制作出了相同水平的国产激光器，我们更应该承担起自己的历史责任，砥砺前行，为科技强国做出自己的贡献。

二  科学精神

科学精神包含刻苦钻研、勇于创新、严谨求实、坚忍不拔、精益求精、自强不息和大胆质疑等诸多品质，培养学生的科学精神对其现在学习和将来工作都大有裨益。光纤通信课程的思政元素可从著名科学家的相关事例入手，也可从培养科学思维和解决问题能力切入，还可将科学与人文知识融为一体，使学生体会科学之美。菲尔兹奖得主丘成桐在多个公开演讲中说道，科学和人文有很多相同点，文学艺术和感情培养在科学创造中起到了重要作用[6]。

在讲授光纤通信概述时，教师一般都会介绍“世界光纤之父”高锟和“中国光纤之父”赵梓森院士的事迹[5，7-8]。1966年，高锟发表了一篇题为《光频率介质纤维表面波导》的论文，开创性地提出光纤在通信上应用的基本原理，但当时并没有获得社会的广泛认同，直到1981年第一代光纤通信系统问世。无独有偶，20世纪70年代初赵梓森刚开始进行光纤通信研究时，也受到了许多权威专家的质疑，认为光信号经光纤传输后衰减太大，影响中继距离，但他却坚信自己的判断，认为光纤玻璃的损耗是由过渡金属离子产生，如果降低含量并且改进工艺就可以大大减少损耗。赵梓森在一无技术、二无设备、三无人员的情况下开始了中国的光纤攻关：在单位厕所旁边改造出一间实验室，找来几位年轻同事做帮手，采用最简易的实验设备、最简单的工艺和最基础的原料，经过一年多时间数千次的试验制造出了一台光纤拉丝机，并最终于1976年制成了我国第一根实用型、短波长和阶跃型石英光纤。此事例可以鼓励学生学习赵梓森院士艰苦奋斗、勇于创新以及不盲从权威的科学精神。

光纤传输原理中的射线理论分析是课程教学重点和难点，通过先不断分析问题、再提出问题到最终解决问题的过程可以启发学生创新思维意识，使学生勇于面对问题并解决问题[9]。我们的基本思路是从光纤全反射原理出发提出问题“是否进入光纤的所有光线都能被远距离传输”引出“最大入射角和数值孔径”的概念，从“数值孔径越大进入光纤的光越多，传输距离就越远”的结论引出问题“是否数值孔径越大越好”；再从光纤多径传输的角度定性分析传播时延会带来码间串扰问题，定量的推导不产生码间串扰的最低条件，即“带宽距离积”，发现它与数值孔径的要求正好相反，数值孔径（其中的相对折射率差）越小，理论传输带宽和距离越远。由此出现了工程中经常出现的现象：某个（些）关键参数能够影响系统的不同方面，需要进行平衡或采取其他措施。

光纤通信对现代社会的影响是巨大的，这一点从与其相关的诺贝尔奖就可见一斑。传统的课堂思政一般只提到“光纤之父”高锟于2009年获得了诺贝尔奖，但实际上相关成果远不止于此，将这些融入教学可以使学生体验科学发展过程，拓展视野，陶冶情操，还能加深重要知识点的理解。1905年爱因斯坦提出光电效应理论并在此基础上于1917年提出了光与物质的三种作用：受激辐射、自发辐射和受激吸收，1922年因光电效应理论获得诺贝尔物理学奖（补发1921年空缺），这三种效应也是激光器、发光二极管、光放大器和光检测器的物理基础。产生激光的前提条件是物质中存在“粒子数反转分布”，布洛赫（F. Bloch）在水样品中进行的核磁共振实验有可能是首次人为粒子数反转，珀塞尔（E. M. Purcell）在实验中意外地观察到了频率为50 kHz的受激辐射，1952年二人获得了诺贝尔物理学奖。1954年，汤斯（C. Townes）、普罗霍洛夫（A. Prokhorov）和巴索夫（N. Basov）分别发明了工作于微波波段的氨分子微波激射放大器（Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation），三人获得了1964年诺贝尔物理学奖。汤斯与其学生肖洛（A. L. Schawlow）于1958年发表了重要文章《红外与光学激射器》（Infrared and Optical Masers），突破了激光器的关键技术，肖洛也获得了1981年物理学奖。值得一提的是著名美剧《生活大爆炸》中主角Leonard的人物原型就是肖洛。1963年，阿尔费罗夫（Z. Alferov）率先提出半导体双异质结构并在1970年与同事们研制成功了世界上第一只可室温连续运转的半导体激光器，2000年获得诺贝尔物理学奖。2022年，诺贝尔物理学奖授予了阿斯佩（A. Aspect）、克劳泽（J. Clauser）和蔡林格（A. Zeilinger），以表彰他们利用纠缠光子实验检验贝尔不等式以及在开拓量子信息科学方面做出的卓越贡献。

三  职业素养

职业素养涵盖了职业态度、职业规划、职业道德、专业技能、敬业精神和团结协作等方面。通过思政元素的融入，提升学生对本专业的认同感和荣誉感，激励学生学习的积极性和主动性，将来能够热爱岗位，把本职工作当成自己的事业去经营，以饱满的工作热情，严谨的工作态度，全身心地投入到工作中去，实现自己的人身价值。此类元素可从重要知识点、著名人物事迹、课程实验、课题研究中发掘。