信號與系統實驗教學探索

郗艷華,李宗領,張 輝

(1.咸陽師范學院物理與電子工程學院,陜西咸陽 712000;2.咸陽師范學院教務處,陜西咸陽 712000)

信號與系統實驗教學探索

郗艷華1,李宗領2,張 輝1

(1.咸陽師范學院物理與電子工程學院,陜西咸陽 712000;2.咸陽師范學院教務處,陜西咸陽 712000)

本文從實驗教學和理論教學的關系、實驗方法、實驗內容等三個方面探討了信號與系統實驗課的改革,以幫助學生加深對理論的理解和掌握,培養學生動手能力和創新精神。

實驗教學;理論教學;實驗方法;實驗內容

信號與系統課程是電子信息類專業重要的學科基礎課,在其課程體系中起著承上啟下的作用,也是學習數字信號處理等諸多后續課程的基礎。該課程理論性很強,學生普遍感覺難學。因此,讓學生掌握好這門課程,除了加強理論課程教學外,實驗教學環節的質量也直接影響著該課程整體教學效果。所以,對實驗教學環節的探索與改革對于改善整個課程的教學效果,幫助學生加深對理論的理解和掌握,調動學生學習的積極性以及培養學生動手能力和創新精神都有重要作用。

1 將實驗教學與理論教學有機結合,以提高教學效果

1.1 依照課程理論體系,合理安排實驗教學計劃

理論教學與實驗教學各有側重,兩者相輔相成。因此如何將實驗教學與理論教學合理地結合起來成為信號與系統實驗教改的重要目標之一。傳統的信號與系統實驗教學與理論教學在教學內容方面或教學順序可能會有一定的出入,這容易造成實驗教學和理論教學脫節,影響學生的學習效果。因此我們對實驗教學內容和教學進程進行調整,保證其與理論課教學一致,這樣學生可以將理論課堂上抽象內容和實驗教學中的感性認識聯系起來進行比較和思考,加深學生對于理論內容的理解和掌握,提高學習效果。

1.2 將實驗原理和理論教學相結合,調動學生對實驗教學的積極性

將實驗教學中有關的實驗內容有機插入理論教學中。在傳統實驗教學中,學生只有在做實驗時才會考慮有關實驗內容,而且由于實驗時老師會給學生講解實驗原理并進行簡單演示,然后學生才自己動手做,這樣學生更容易忽視對實驗原理和目的的理解,更談不上對相關理論知識的深刻理解和思考;而且會造成學生自己不動腦筋,而只是模仿老師做實驗的過程或只需根據實驗指導書來完成實驗。這樣學生只是被動地完成任務,并沒有主動參與到實驗中,嚴重影響了學生主動參與實驗的積極性,更不能有效地培養學生主動思考問題和解決問題的能力。因此我們將與實驗相關的內容有機地插入到理論課教學中并特別加以強調,以引起學生的思考和重視。對于一些簡單的實驗直接在課堂上講解;對于一些稍微復雜的實驗,則將其理論難點以作業的形式布置給學生完成;對于大家普遍感覺困難的實驗,教師可以進行簡單講解。例如,在學習完傅利葉級數時留給學生的作業是完成周期性方波信號的分解,并分析其所含的頻率分量。這樣學生在做信號分解與合成實驗時,對于實驗原理已經很清楚,再做實驗時就會有一種急切心理,想從實驗中來觀察、判斷實驗結果并進行分析和思考,這將會提高教學效率和學生學習積極性。

2 充分發揮各種實驗方法優勢,提高教學效果

實驗教學的主要目的是使學生鞏固所學知識,鍛煉學生應用所學知識分析問題和解決問題的能力,培養科研素質和創新意識。在實驗教學過程中,將軟件仿真實驗與硬件實驗有機結合,充分發揮各自優勢。

軟件仿真實驗具有直觀、實時、逼真等特點,學生利用Matlab軟件進行仿真不僅對相關理論知識有了感性認識,而且加強對相關內容的理解和鞏固。如連續系統中傅里葉變換的性質比較抽象,是一個難點內容,也是重點內容,運用Matlab軟件進行簡單編程仿真,通過實際波形的觀察、比較和仿真,更容易理解該知識點。這種仿真實驗,有助于學生對本課程理論知識的理解和掌握,而且使學生掌握一些軟件工具的使用,這為后續的相關課程學習以及畢業設計奠定了基礎。

硬件實驗可以使學生認識到抽象的理論知識在現實中如何來實現,同時通過對實驗結果的分析及解決硬件實驗過程中遇到的問題,學生不僅可以加深對理論知識的理解和鞏固,而且在提高動手能力的同時,其分析問題和解決問題的能力也得到提高。例如通過信號分解和合成實驗,學生就會知道在理論中通過三角型傅立葉級數進行周期信號分解,利用信號求和來實現信號合成,而硬件實驗中是利用濾波器實現對信號的分解,利用加法器來實現對信號的合成;學生還會發現理論中方波信號只分解為其奇次諧波分量,而硬件實驗測試中其偶次諧波分量并不為零,這兩者之間好像是矛盾的。但經過分析、研究、討論后就會知道這是由于實際中濾波器的幅頻特性曲線的變化比較緩慢,其對其相鄰其奇次諧波分量并不會完全濾除,因此在偶次諧波濾波器中就會出現被衰減相鄰奇次諧波的合成波形。通過這個實驗,學生不僅深刻理解了有關傅立葉級數知識,而且對于實際的濾波器有了感性的認識。

在實際操作中,實驗分為軟件仿真試驗、硬件實驗和軟硬件都做的實驗。對于軟硬件都做實驗,要求學生在完成仿真實驗后緊跟著進行相應的硬件實驗,而且在做完實驗后分析其各自的特點及其區別。這樣可使學生在實驗的過程中,將理論知識、仿真結果與正在做的硬件實驗結果以及實驗過程中出現的問題聯系起來進行對比、分析,有利于提高學生動手能力,同時其分析問題和解決問題的能力也得到提高。如采樣定理實驗中,先讓學生利用Matlab提供的simulink,選擇模塊連成信號抽樣的系統結構 (如圖1)。適當地選擇輸入信號、抽樣信號以及濾波器的參數后進行仿真。通過雙擊各示波器,能看到輸入信號、抽樣信號、抽樣后的信號、濾波信號以及恢復信號的波形,學生對于采樣和恢復過程中信號的波形有了直觀的認識,有助于對采樣定理的理解和掌握。這樣學生做硬件實驗時就會知道如何連接線路,如何進行測試,判斷信號波形的正確與否,不會再出現以前只做硬件實驗時,信號波形已經調試出來了,可學生并不認識的情況。而且當他們遇到困難時知道分析問題可能出現在哪些地方,然后想辦法解決。

圖1 信號采樣及恢復仿真框圖

通過這種虛實結合的實驗模式,不僅加深了學生對理論知識的理解,而且提高了學生的實踐能力,調動了他們的學習積極性和主動性。

3 加強實驗內容的改革,提高學生學習興趣

傳統實驗方式比較單調,幾乎都是對于基本原理進行驗證的實驗,學生容易出現學習疲勞,影響學習效果。因此將實驗內容調整為驗證性實驗、綜合性實驗和設計性實驗,而且適當增加綜合性和設計性實驗比例。驗證性實驗能加強學生對于基本理論知識的學習、理解和掌握。如傅里葉變換的性質、卷積計算、系統零極點與頻響等。而綜合性實驗通常涉及多個知識點,學生只有理解、掌握這些知識點才能順利完成實驗。如采樣定理實驗中會涉及帶限信號頻譜、周期性采樣信號頻譜、奈圭斯特頻率和有關濾波器的知識,只有掌握了這些知識,才能正確地選擇帶限輸入信號和采樣信號頻率,才能知道被采樣信號波形是怎樣的,恢復信號是否正確、是否與理論一致。設計性實驗會給定實驗要求和實驗條件,由學生根據已有理論知識先進行分析、推導,再給出實驗方案、實驗步驟及過程。一般來講,大部分學生害怕設計性實驗,認為設計性實驗比較難。所以為了減小難度,增強學生的學習興趣,設計性實驗不能太復雜,要根據學生的實際情況調整難度。由于綜合、設計性實驗的原理及有關的理論在課堂上講過后,會以作業的形式進行相關練習,所以學生對于實驗原理及有關內容比較熟悉,這樣不管學生進行編程仿真實驗還是進行硬件實驗時都會有根據、有目的地去分析問題與解決問題。如,學完傅里葉變換后留給學生題目:圖2為抑制載波的雙邊帶幅度調制和解調系統,要求自己選擇調制信號和載波信號以及濾波器,給出其理論推導過程并利用Matlab軟件編程繪出系統中信號時域、頻域圖形。這樣學生會根據所學理論內容進行理論分析 (課堂上已經練習過),然后繪出s(t)、c(t)、x(t)、y(t)和s1(t)時域波形及其頻譜圖。通過這些波形觀察,學生會明白在時域中幅度調制是把調制信號加載在載波信號的幅度上,解調是從載波上取出調制信號,而在頻域上調制就是把調制信號“搬出去”,解調就是把已調制信號“搬回來”。一般在理論推導過程中濾波器都是理想低通濾波器,但仿真中濾波器可以是巴特沃斯、切比雪夫濾波器等,所以要做好這個仿真實驗,對于實際中使用的濾波器及其特點要有一定的了解。為了減小難度,一般實驗前會給出濾波器的種類?？梢娋C合和設計性實驗有利于培養學生的獨立思維能力和理論聯系實際的能力。

圖2 調制解調系統框圖

另外在實驗內容的選擇上注意與工程應用結合,讓學生通過自己實驗和實踐,去體驗應用所學知識解決問題的過程,以提高學生的學習興趣。如信號處理的應用中語音信號的頻譜分析,學生在實驗中不僅可以通過圖形觀察語音信號頻譜的變化,同時還可以通過聽來感受語音信號的變化,從而加深對頻譜、濾波概念的理解。

4 結束語

實踐證明,對該課程實驗教學方法、實驗方式和實驗內容進行改革,可以提高學生對這門課程的學習興趣,幫助學生加深對基本理論的理解和掌握,培養學生綜合運用知識能力。但是如何合理地處理本課程實驗與數字信號處理課程實驗銜接等仍是有待研究的課題。

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Discussion on the Teaching of Signals and Systems Experiment

XI Yan-hua1,LI Z ong-ling2,ZHANG Hui1
(1.School of Physics and Electronic Engineering,Xianyang Normal University,Xianyang 712000,China;2.Office of Educational Administration,Xianyang Normal University,Xianyang 712000,China)

From the aspects of the relation between experimental teaching and theoretical teaching,experimental methods and experimental content,this paper discusses the reformof Signals and Systems Experiment course,in order to help students get a better grasp of the courseπs theory and improve their practical abilities and innovation spirits.

experimental teaching;theoretical teaching;experimental methods;experimental content

G642

A

1008-178X(2011)03-0145-03

2011-03-12

咸陽師范學院校級教改項目 (200802005);咸陽師范學院校級精品課程項目。

郗艷華 (1974-),女,陜西蒲城人,咸陽師范學院物理與電子工程學院講師,碩士研究生,從事信號處理和電子技術研究。