一、实验项目建设的必要性

1、掌握专业实践必备技术，提升复杂问题解决能力

光纤是长距离、高速率、大容量信息传输的核心媒介，其行业发展亟需掌握光纤制备全流程知识和工程实践技术与能力的专业人才。然而，光纤的制备由单向的高温制造过程实现，复杂而精细，不允许逆向解构，使深入了解和掌握光纤制造流程面临巨大挑战。该虚拟实验弥补了传统教学重理论轻实践的短板， 有效弥合产业需求与传统教学之间的断层 。实验平台使光纤抽象理论具象化，制备过程可视化，特性反馈实时化，形成了一套完整的闭环教学体系。学生能切实掌握光纤制备及分析的专业必备知识和实践核心技术，在交互实验中能发现问题—分析问题—解决问题—验证解决方案， 提升学生运用知识解决复杂问题的能力。

2、打破实体实验教学制约，构建高效安全仿真智能化平台

如下为光纤制备实体实验教学的制约因素，对于开展大规模的实验教学带来了严重的困扰：

特种光纤制备须严格控制实验环境，要求真空、超净、高温高压等实验条件；涉及易燃易爆气体（如氢气、含磷气体），有毒气体（如氯气、硫化氢）等危险用气，现场教学实验危险系数极大。

光纤的制备流程从源材料掺杂、高温塌缩到成棒，再经熔融拉丝成纤，整个周期通常需一至两天，而复杂的生产步骤和精细的过程调控难度，使得光纤的性能复现具有挑战性，研制周期耗时长。光纤特性的线下分析与制备过程相脱节，无法实现精确实时的工艺反馈，导致高性能光纤研制效率低。

光纤制备是一个高度专业化的过程，实验设备多、场地需求大、投入成本高，需沉积设备、大型拉丝塔和高精度分析设备等；需大量前驱体源材料、石英基管、载气等耗材；精密仪器操作需专业培训，线下设备仅容单人操作，限制了学生的亲身实践机会。实验教学受益面极小，开展光纤制备分析全流程的实践教学不具有可行性。

本课程利用先进的虚拟仿真技术打破了传统课堂与实验室的时空制约，让更多的学生享受实验教学资源，通过网络实现资源共享促进教育公平。学生可多角度观察核心设备的内部结构和制备反应的细微变化。借助系统智能化实时反馈特点，使学生能够不断优化实验参数，打磨工匠精神，帮助学生实现对理论知识的深刻洞察和实验技能的精准把控。

3、激发学生创造活力，培养大国工匠精神

光纤材料掺杂过程中，材料的均一性、分散性依赖于原子量级的自限制表面沉积，无法观察其微观反应；光纤高温成形涉及应力场与应变场的动态原理，受视线限制，设备内材料流动、变形无法直接观测。光纤微观机制和内部变化在传统教学中难以展示，限制了理论教学的具象化。本课程通过虚拟仿真直观、交互地融汇了光学、信息、材料等多学科领域知识，注入立德树人教育理念

，极大地激发了学生的学习兴趣和探索热情。实验内容紧跟国家战略需求和学术前沿，拓展全波段通信光纤智能制造、涡旋光纤5G/6G超快通信、保偏光纤航空航天监测等前沿科技研究。虚拟仿真平台提供光纤特性分析实时反馈，使学生与时俱进地不断优化工艺流程，培育学生精益求精的大国工匠精神。

综上，本课程构建了一个高效、安全、绿色、经济、可重复的特种光纤制备及模式分析智能化实验平台，使复杂的制备流程变得透明可视、便于理解和操作，学生可自由探索和调整光纤制备的关键参数，即时获取实验数据，分析光纤特性细微变化。其创新实验教学模式不仅增强学生学习动力、解决复杂问题能力，也培育工匠精神、应用型人才。对于重基础、强实践、可复制、易推广的大规模实验教学具有重要实用价值。

二、教学方法创新

本课程为了实现“深化实验教学、提高复杂问题解决能力、增强制造强国素养”的教学目的，设计了特种光纤知识储备、光纤制备及特性分析、组合实验及技术应用三个实验模块，以达到专业知识掌握、实践能力培养、工程应用能力提升的实验目的。通过以下方法进行实验教学：

1）采用“点—面—体系”（知识点—知识面—知识体系）任务驱动式将光学物理知识点扩展成特种光纤专业知识面，实验环节紧扣光纤制备及特性分析，以点带面实现特种光纤制备及特性分析闭环教学。

2）通过先进的虚拟仿真技术“以虚补实”，使学生交互体验式进行原子层掺杂、预制棒制备、光纤拉丝和模式分析实验操作。

3）系统智能化参数调节以及即时测试分析反馈制备工艺，促进自主探究式的综合创新实验教学，进而夯实学生专业知识和提升学生实验技能；结合多元综合智能评估，以评定学生专业知识掌握程度及创新实践能力水平，实现“智能导学”。教学设计脉络如图1所示。

图1 教学设计脉络图

三、评价体系创新

本课程实施定性与定量相结合的评价机制，虚拟仿真系统根据学生交互实验关键步骤得分对教学目标进行精确量化评估；通过学生自评、师生互评以及实验报告等定性等级以评价学生的技能应用水平。

建立理论知识、实践操作、探索创新的多元三维评价标准，以评价学生受益情况：

1）根据交互实验关键步骤得分以及实验报告“实验原理”模块，定量定性地考察学生对需求分析、知识理解、知识实践应用水平。

2）根据学生在实践操作中的表现来评定学生实践操作水平。学生自评环节，达到反馈实验操作难点和学习自检自查目的。

3）团队合作，教师引导开展创新实验任务，通过实验报告“总结分析”、“应用场景”、“新型光纤结构设计”模块以及师生讨论情况，综合评定学生的探索创新水平。从而形成多元课程评价体系，提升学生的实践能力与创新水平，促进学生形成与社会行业发展相适应的动态系统知识与能力。

四、传统教学的延伸与拓展

本课程遵循“通信工程”与“光电信息科学与工程”专业人才培养方案及教学大纲，采用“点—面—体系”任务驱动教学模式，构建从专业知识到实验技能再到工程应用全链条的教学闭环，全面提升学生的专业素养。课程内容从物理光学专业知识点，拓展至原子层掺杂、预制棒制备、光纤拉丝、模式分析等知识实践面，进而延展至特种光纤制备分析应用的综合知识体系，以点带面形成特种光纤制备及特性分析闭环体系。利用虚拟仿真技术将微观光学现象“化隐为显”地直观展示，将有分子运动规律“化无为有”地交互展开，起到“以虚补实”的作用，赋予学生身临其境的实验操作体验。通过“智能导学”实现个性化智能评估和反馈,学生可自由开展新型特种光纤实验，满足教学对象的多层次需求，结合前沿科技开展实际应用教学讨论，提高学生综合创新能力。

五、平台支撑

本实验系统依托于国家一流专业“通信工程”和特种光纤与光接入网省部共建国家重点实验室培育基地，拥有500平方米特种光纤研制实验室、一流软硬件条件，已构建了一整套涵盖原子层掺杂技术、预制棒制备技术、光纤拉丝技术以及光纤模式测量分析技术的国际先进实验平台，为虚拟仿真实验建模提供了真实样本。光纤制备是高度专业化的过程，本课程结合先进的实验设备，建立了光纤制备核心技术的数字化实践平台，为学生提供沉浸式操作专业化设备的机会。