Matlab應用于電類課程教學改革的探討

張 華，李莉莉，劉玉良，單海校

（浙江海洋學院機電工程學院,浙江舟山 316000）

Matlab(矩陣實驗室)是美國Mathworks公司開發的一種使用簡便的工程計算語言，具有繪圖功能，能方便地繪制二維、三維圖形，可視化的仿真環境Simulink為用戶提供了方便的圖形化模塊功能，簡化了設計流程，是工科特別是電類專業學習的最佳仿真工具之一。Matlab軟件是以數學為基礎的仿真性軟件，能夠用語言進行編程，也可以采用其專門提供的工具箱進行。Matlab有三十多個工具箱大致可分為兩類：功能型工具箱和領域型工具箱。功能型工具箱主要用來擴充Matlab的符號計算功能、圖形建模仿真功能、文字處理功能以及與硬件實時交互功能，能用于多種學科。而領域型工具箱是專業性很強的。如控制系統工具箱(Control System Toolbox)、信號處理工具箱(Signal Processing Toolbox)、財政金融工具箱(Financial Tool－box)等[1，2]。

針對電類專業特點，按照人才培養的規律和需要對課程進行統籌優化，合理安排，推動matlab在電類課程中的廣泛應用，對提高學生綜合設計能力、工程實踐能力和創新能力發揮了積極有效的作用，產生意義深遠的影響。傳統的實驗教學以硬件驗證、設計和制作為主，隨著軟件技術的發展和軟件功能的健全，越來越多的實驗室引入各種各樣的仿真軟件來豐富實驗內容，從而提高實驗教與學的效率，matlab軟件就是其中的佼佼者。本文從電類專業的基礎課和專業課入手，并通過舉例為matlab的教學改革進行了有益的嘗試。

1 在基礎課中的教學改革及應用

1.1 matlab在基礎課中教學應用現狀

電類專業，如電子信息工程和電氣工程專業，日常教學、科研中離不開一些重要的仿真軟件，如Protel,Matlab,Multisim,Solidworks,其中根據重要性還常常專門開設的課程就有matlab。在以往的教學中，包括實驗實踐性教學，主要采用灌輸性講授方式，學生往往不具備感性的認識，學習比較吃力，也難以深入理解。比如基礎課《電路分析》中的受控源知識，學生一聽就懂，一做就錯，其實說到底，還是沒有掌握受控源實質。

采用matlab軟件的編程方式，建立受控源的數學模型，并能進行快速求解。通過仿真計算及參數的變更，讓學生能夠加深對理論知識的理解，領會其內涵，從而提升教學質量。Matlab作為一門獨立課程宜盡早開設，以便讓學生在基礎課就開始使用該軟件，幫助學生從感性、理性兩個方面深入理解所學課程。

1.2 仿真實例

基礎課《電路分析》中，含受控源類電路屬于學生比較難以理解的內容，我們以此為例，用matlab軟件進行仿真。

例：如圖1所示為典型的直流電阻電路,含有電壓控制的受控電流源 VCCS，其中，R1=24 Ω，R2=32 Ω，R3=8 Ω，US=20 V,IS=0.15 A,VCCS=0.25 U2，現需分析計算電流I1和電壓U2[1]。

對電路進行分析的基本方法是先建立數學模型如方程組，通過方程組的求解，得到各支路電壓和電流。電阻電路采用的分析方法比較多，如支路電流法，網孔電流法，回路電流法，節點電壓法等?，F對圖1采用回路電流法，根據《電路分析》理論，可列出如下方程組：

圖1 《電路分析》中受控源電路Fig.1 Circuit of controlled source in Circuit Analysis

整理以上方程(1)到(7)，寫成形如AX=BU的矩陣方程形式，可得：

進行數學方程求解即可得到計算結果，但是對方程的計算很麻煩，需要進行大量的數學計算，導致學生常常將《電路》課程當成數學課，而不是學習電路方面的理論知識，進而導致學習質量的嚴重下降，對后繼課程的學習產生畏懼心理。

顯然，采用matlab大大簡化了計算過程，能夠直接得到所求結果，而編寫程序的過程又是對原理的復習過程，通過對參數的修改，進一步體會到各變量之間的控制關系，從而加深學生對當前所學知識的理解。極大地滿足學生的感性認識，刺激學生的主觀能動性，從而調動學生的獲取知識的欲望，也彌補了實驗、實踐環節方面的不足。

利用matlab對電路進行仿真分析，有如下的優點：1.實驗后再進行軟件仿真，仿真結果更加直觀，與實驗情況相驗證，有助于學生加深記憶，也為后繼課程的學習打下良好的理論基礎；2.軟件仿真中，電路或電路參數可隨意設置，靈活機動，為電路的分析計算提供了更多更高效方法；3.節約了學生用于計算數學的時間，避免了學生把學習《電路分析》變成學習數學計算。從實踐實驗教學來看，采用matlab軟件后，絕大部分同學能夠較深入的理解電路理論，能熟練建立電路模型，正確的分析電路。

2 在專業課中的教學改革及應用

2.1 matlab在專業課中的應用現狀

目前，有些專業課程依然沒有開設仿真性軟件，專業課的理論性很強，實踐或者實驗課也只是驗證性，學生在學習專業課時比較吃力，難以深入理解所學知識。有些課程雖然開設了仿真軟件，但學生需要學習新的應用軟件，對于學時量固定的課程開設仿真軟件，將極大的壓縮理論教學課時，且各軟件不相關聯，消耗了學生較大的精力，學生必然對所學知識一知半解。matlab軟件能夠對很多專業進行仿真，有的專業還能使用工具箱，既能解決仿真問題，也能減少學生在學習軟件所消耗的精力。

根據電類專業課程的內容不同，使用的matlab工具箱也各有不同，如電氣專業，《自動控制原理》[3]、《信號與系統》[5]、《計算機控制技術》等課程，可將matlab軟件的“smiulink”和“control system toolbox”等模塊作為重點；而電信專業，《通信原理》[4]、《數字信號處理》、《數字圖像與語音處理》等課程，可將matlab軟件的“communications blockset”、“rf blockset”和“real-time workshop”等模塊作為學習重點。

2.2 仿真實例

《數字信號處理》課程有專門的應用軟件，但其與其他課程不具備關聯性[7]。下面采用matlab軟件中的Filter Design工具箱對《數字信號處理》課程中的FIR濾波器進行設計，實例如下。

例：采用等紋波法設計一個FIR濾波器，參數如下：采樣頻率fs＝8 KHz，通帶截止頻率fpass＝1.2 KHz，阻帶截止頻率fstop＝1.5 KHz，通帶帶最小衰減Apass＝3 dB；阻帶最小衰減Astop1＝20 dB，阻帶最大衰減Astop2=35 dB。

FIR數字濾波器的數學傳遞函數為

由此得到濾波器系統的差分方程描述形式：

如果濾波器單位沖激響應序列為y（n），表征為濾波器系數向量h（k）[9]。

對濾波器設計采用軟件進行仿真，避免對專業理論的學習淹沒在大量煩瑣的數學計算中，matlab軟件，特別是其工具箱易于上手，并能解決實際需求，下面是以matlab軟件的FDATOOL工具箱進行濾波器設計的實例，具體如下。

進入matlab軟件，在命令窗口下鍵入FDATOOL命令，調出界面。在Filter Type選項中選擇Bandpass在Design Method中選擇FIR濾波器；接著在FIR中選擇Equiripple，然后在Filter Order中選擇Minimum Order，這時，程序會根據所選擇的濾波器類型自動使用最小階數。在Frequency Specification選項中，將fs fstop1、fpass1、fpass2、fstop2 中分別鍵入 8 KHz、2 KHz、2.2 KHz、3.4 KHz 、3.7 KHz。再對 Magnitud Specification 進行設定，使 Apass＝3 dB；Astop1＝20 dB，Astop2=35 dB。最后點擊下方的 Design Filter即可得到所設計的FIR濾波器。設計完成后，可以通過菜單選項Analysis來分析濾波器的幅頻響應、相頻響應特性。點擊Analysis中的Phase Response和Magnitude Response對相頻和幅頻響應進行仿真，其輸出的相頻響應及幅頻響應特性結果如下。

圖2 相位響應圖Fig.2 Phase response

圖3 幅度響應圖Fig.3 Magnitude response

圖2和圖3分布是FIR濾波器的相位響應和幅度響應，非常清晰直觀。由此可以看出，matlab很方便的解決了濾波器的仿真問題：通過圖形顯示的方式能夠對所設計的濾波器進行詳盡深入的性能分析；通過修改輸入參數，可以得到不同的實驗數據，有助于學生更深入的理解所學理論知識，體會到各參數對設計性能的影響；同時，matlab軟件采用了工具箱式的設計，省略了程序設計過程，直接進行仿真設計，把學生的全部精力集中到對濾波器本身的理解上，使得學習更加充分，理解更加深入。

3 船舶通信領域的應用

浙江海洋學院地處海島，具有獨特的海洋環境，將電類專業跟船舶緊密結合，如電子信息與船舶相結合，一定能夠推動船舶通信[8]方面的經濟發展；電氣工程與船舶緊密結合，一定能夠推動船舶電氣方面的經濟發展。

為了滿足實際需要，傳統方式是購置大量的專業實驗設備，甚至分別建立船舶通信、船舶電氣專業實驗室或實訓基地，那將花費巨資（保守估計，花費經額至少是數千萬元人民幣），這是一個巨大經濟壓力，也是不切實際的。matlab軟件能夠將這些需要實物形式達到的效果在軟件中仿真實現，將在軟件中實現的科研成果拿到當地數量龐大的船舶上進行試驗，從而能夠節約科研成本，促進學校科研水平的提高，推動地方船舶經濟發展。

4 結束語

本文論述了matlab在電類專業的基礎課程和專業課程中的應用現狀，提出了相應的教改方案，給出了具體的仿真實例，對于理論性較強的工科課程通過引入matlab仿真手段，使得抽象的系統理論形象化，有助于培養學生的工程意識和創新能力。使用matlab軟件進行船舶通信的仿真研究，能夠節約科研成本，提高科研水平，促進地方經濟的發展。

[1]邱關源.電路[M].第5版.北京:高等教育出版社，2006.

[2]陳懷琛，吳大正，高西全.matlab及在電子信息課程中的應用[M].第2版.北京:電子工業出版社，2006.

[3]馬向國，劉同娟，張旭鳳.基于MATLAB的自動控制原理虛擬實驗仿真平臺[J].中國現代教育裝備，2010(1):45-47.

[4]程 鈴.基于MATLAB的多進制數字調制仿真[J].現代電子技術，2009(22):60-62.

[5]馬逸新.獨立學院“信號與系統”課程的教學探討[J].中國電力教育，2009(8):67-68.

[6]李秀娟，劉 偉.電力電子技術課程改革思考[J].電氣電子學報，2009，31(6):30-31.

[7]劉玉良，趙秋亮，張 華，等.等利用仿真技術對數字信號處理教學改革的研究[J].浙江海洋學院學報：自然科學報，2008，27(3):301-305.

[8]劉玉良，張艷春，胡 瞿.基于n渦卷蔡氏電路的混沌保密通信的同步研究 [J].浙江海洋學院學報：自然科學版，2007，26(4):413-416.

[9]俞一彪，孫 兵.數字信號處理[M].南京:東南大學出版社，2005.