信號系統與信號處理教學改革初探＊

王大雄，萬東輝，蔣林華，雷能瑋

（湖州師范學院 信息與工程學院，浙江 湖州 313000）

信號系統與信號處理教學改革初探＊

王大雄，萬東輝，蔣林華，雷能瑋

（湖州師范學院 信息與工程學院，浙江 湖州 313000）

提出了基于MATLAB信號系統與信號處理的教學改革方案和教學思想，以面向時代，調整課程體系，優化教學結構，更新教學主線，改革教學內容，創新教學理念．強調MATLAB在教學和實踐中的應用，正確地處理經典與現代、分析與綜合、連續與離散、軟件仿真與硬件實現、解析方法與數值方法等辨證關系．

信號系統與信號處理；教學改革；動態演示；虛擬實驗

《信號系統與信號處理》是湖州師范學院信息與工程學院于2011年新開設的課程，是《信號與系統》和《數字信號處理》這兩門課程有機合并而成的新課程，是電類專業的一門重要的核心專業課程，也是一門考研的課程．該課程主要講授的內容有：①信號與線性系統分析的基本原理和方法；②信號處理包括信號濾波和信號頻譜分析的基本原理和方法．通過該課程的學習，為學生今后進一步學習現代信號處理、通信理論、控制理論和DSP等課程打下良好的基礎．由于該課程剛合并而成，在2011年上半年首次開展教學和實踐，在已知的高校調查范圍內尚無此課的開設，所以如何選擇教學內容開展課堂教學和選擇實驗項目開展實驗教學尚無先例可循，許多方面尚屬空白．這一切都有待于我們去探索、建立、改革和完善．

1 課程的教學現狀與發展方向

《信號系統與信號處理》這門電類專業的重要核心專業課程內容涉及面較廣，既與通信理論、計算機、微電子技術密不可分，又是人工智能、模式識別、神經網絡等新興學科的理論基礎之一，是理論與實踐、原理與應用緊密結合的課程．在通信、語音、圖像、自動控制、雷達、軍事、航空航天、醫療和家用電器等眾多領域有著廣泛的應用．在學習這門課程時，對學生有較高的數學要求［1，2］，要求學生已經學過高等數學、微分方程和復變函數等課程．因此在教學中，學生普遍反映課程較難，理解存在困難［3］．

影響學生學習效果的原因如下：

（1）理論的推導較為復雜，學生總體的數學功底有所欠缺，從而影響了他們推導理論的能力以及對推導過程的理解；

（2）理論需要配合直觀的波形圖才能使學生更容易理解其蘊涵的物理意義和工程概念，而在黑板上作圖存在時間的限制；

（3）硬件實驗只能實現一些較簡單的信號處理系統，隨著時代的發展和社會的進步，實際工作中涌現出來的信號處理系統愈來愈復雜，而設計和解決這些復雜的信號處理系統的方法又是無法通過硬件實驗模擬和訓練的．因此，在教學和實踐過程中，必須與時俱進地引入現代化的計算機軟件，在多媒體教學的基礎上，使用現代化的計算機軟件來進行理論推導、公式運算、圖形繪制和虛擬軟件實驗，從而解決學生學習的困難，激發學生的學習興趣并進而提高教學質量．

MATLAB是Math Work公司于1984年推出的一套面向工程和科學運算的高性能軟件，現已成為世界各國在科學分析和計算領域的主流軟件，并被IEEE評為國際公認的最優秀的科技應用軟件，經過多年的不斷發展與完善，已發展成為集數值計算、圖形處理、程序開發為一體的功能強大的系統，使學生通過利用計算機輔助完成數值計算、可視化建模、仿真調試和虛擬軟件實驗成為可能．它的主要特點如下：

（1）具有高效的數值計算及符號計算功能，能使用戶從繁雜的數學運算分析中解脫出來；

（2）具有完備的圖形處理功能，實現計算結果和編程的可視化；

（3）友好的用戶界面以及接近數學表達式的自然化語言，使學者易于學習和掌握；

（4）功能豐富的應用工具箱（如信號處理工具箱等），為用戶提供了大量方便實用的處理工具．

上述特點，使它很快成為計算機輔助分析、設計、仿真、教學等領域不可缺少的軟件，并已成為國外高等院校本科生和研究生必須掌握的軟件，國內許多理工院校已經或正把它作為學生必須掌握的一種軟件．

2 課程的教學改革探索

2．1 基于MATLAB課程教學的改革探索

根據湖州師范學院信息與工程學院學生的培養方向確定本課程教學體系，二門課程的合并意味著揚棄了《電路原理》與《信號與系統》的教學體系，確立了《信號與系統》與《數字信號處理》的教學體系．在教學結構上，國內外出版的教材有兩種各有特點的教學結構：一種是以概念為單元，連續系統和離散系統混合敘述；另一種是先敘述連續系統再敘述離散系統．根據我們的教學實踐，決定采用先連續后離散、先時域后變換域的教學結構展開教學．在確定教學體系和教學結構后，選擇信號的分析和系統的分析為教學主線，并根據教學主線選擇教學內容和實驗內容，進而制定教學大綱、實驗大綱和學生成績評估體系．

在教學思想上，我們提出如下四個強化的教學理念：

（1）強化MATLAB在課堂教學中的應用．應用MATLAB于課堂教學之中，可以簡化復雜的理論推導和公式運算，其繪制的波形圖可以幫助學生理解理論蘊涵的物理意義和工程概念；

（2）強化MATLAB在習題解答中的應用．弱化解題技巧，培養學生注重計算方法和運用MATLAB解題的能力；

（3）強化MATLAB在實踐教學中的應用．應用MATLAB于虛擬軟件實驗之中，可以鍛煉學生的綜合設計能力和調試能力；

（4）強化MATLAB在課程設計中的應用．鍛煉學生解決實際問題的能力并培養學生的科學研究素質和開拓創新意識．

因為在目前的信號系統和信號處理實際問題的解決中，均使用MATLAB，所以在教學、課程設計、虛擬軟件實驗和習題解答中，要強化學生應用MATLAB的能力，為學生今后在工作實踐中解決實際問題打下堅實的基礎．

教學工作的重中之重是培養學生的自信心并激發學生的學習欲望和學習興趣，課堂教學方法的重要改革之一就是在多媒體教學的基礎上引入基于MATLAB的課堂演示教學．課堂上理論推導過程和波形圖的演示可以幫助學生直觀地理解理論蘊涵的物理意義和工程概念，簡化計算過程，解決授課難點．例如，臨界穩定一直是一個較難理解的抽象概念，圖1的課堂動態演示能很好地幫助學生理解這一抽象概念．圖2是一個手工繪制較繁的橢圓濾波器的幅頻響應圖，從圖中可以直觀地看出橢圓濾波器的通帶和阻帶均有紋波．

實踐證明，在教學實踐中運用MATLAB，突破了傳統的教學模式，解決了學生的學習困難，培養了學生的自信心并能激發學生的學習欲望和學習興趣．教學質量大幅度提高，教學效果明顯改善．

2．2 基于MATLAB實驗教學的改革探索

實踐教學工作的重中之重是培養學生的動手能力和學生的綜合設計能力．以前實驗課的內容都是硬件實驗，雖然這有利于提高學生的動手能力，但是硬件實驗的局限是只能實現一些較簡單的信號處理系統［4］，隨著時代的發展和社會的進步，實際工作中涌現的信號處理系統愈來愈復雜，設計和解決這些復雜的信號處理系統的方法是無法通過硬件實驗來模擬和訓練的，一般是應用MATLAB軟件這一先進的設計工具來解決這些復雜的信號處理系統的設計工作的．為了與時俱進，我們增加了基于MATLAB的虛擬軟件實驗，以培養和訓練學生設計和調試復雜信號處理系統的能力，使學生盡早地接觸先進的設計工具，為今后的課程設計和畢業設計打下堅實的基礎．

課程的實用性較強，涉及面較廣，將虛擬軟件實驗教學引入到實驗教學之中，將一些實際的復雜信號處理系統進行提煉，以凝聚出一些典型的復雜信號處理系統并充實到實驗中，讓學生使用MATLAB這一先進的設計工具進行設計和調試，能有效地培養學生設計和調試復雜信號處理系統的能力，從而使學生深入理解并融會貫通信號系統和信號處理的基本理論、基本方法和基本應用，培養和發掘他們的科學研究素質和開拓創新意識，調動他們學習的積極性和主動性，激發他們的學習欲望．圖3是虛擬軟件實驗設計的Chebyshev I型數字帶通濾波器的幅頻響應圖，該設計用手工演算繁瑣，用硬件難以完成．

2．3 教學改革的深化探索

為了將教學改革推向深化，使學生更深入、透徹地理解與掌握課程中的基本概念、基本原理、基本分析方法，培養和提高學生綜合應用所學知識解決實際問題的能力，增加基于MATLAB的課程設計．這是針對基礎理論和算法進行實踐的一種綜合訓練．通過MATLAB課程設計，使學生加深對課堂抽象概念的理解，鞏固課堂上所學的理論知識，系統深入地理解和掌握數字信號處理中的基本概念、基本原理、基本分析方法，強化MATLAB的應用能力，加強理論和實際結合的能力，培養和發掘科學研究素質和開拓創新意識，提升綜合設計能力與實際工作能力，為畢業設計打下堅實的基礎．

開發基于MATLAB的遠程教學和實驗輔助系統［5］，也是深化教學改革的方法之一．應用MATLAB的Web服務功能，開發和構建遠程教學和實驗輔助系統，使學生可以利用網絡隨時隨地地進行學習和復習，獲得相應的計算結果和圖形結果，并進行遠程交互動態演示；通過網絡進行虛擬軟件實驗；通過網絡遞交作業并通過網絡執行和批改，從而激發學生的學習興趣，變被動學習為主動探索，加深對基本原理、方法和應用的理解，強化MATLAB的應用能力，從而提高學習效率和教學效果．

3 結語

2011年上半年在班級首次初步試行基于MATLAB信號系統與信號處理的教學改革方案和教學思想，獲得了較為滿意的結果，學生的成績合格率達到97．4%、優秀率為42．1%．今后準備在試行中逐步完善如下的教學改革方案和教學思想：通過基于MATLAB的課堂演示教學，使學生深入、透徹地掌握信號系統與信號處理的基本原理、基本方法和基本技巧，幫助學生增強進一步學習學科領域前沿知識的信心，并激發學生的學習欲望和學習興趣；通過在硬件實驗教學的基礎上引入基于MATLAB的虛擬軟件實驗教學，在培養和提高學生動手能力的同時，與時俱進地培養學生設計和調試復雜信號處理系統的能力；通過基于MATLAB的課程設計，培養和發掘學生的科學研究素質和開拓創新意識，使學生盡早地接觸先進的設計工具，為今后學生從事學科領域的工作打下堅實的基礎，也為學生報考碩士研究生打下堅實的基礎．

［1］張小虹．信號與系統（第二版）［M］．西安：西安電子科技大學出版社，2008：175～231．

［2］張小虹，黃忠虎，邱正倫．數字信號處理（第二版）［M］．北京：機械工業出版社，2008：210～291．

［3］王穎，胡學友，胡云龍．“數字信號處理”教學改革初探 ［J］．合肥學院學報（自然科學版），2007，17（1）：82～83．

［4］王路露，劉光燦，陳威兵，等．Matlab和實驗箱的結合在信號與系統實驗教學中的應用 ［J］．長沙大學學報，2011，25（2）：138～140．

［5］汪治華，陳亞東，胡順仁．Matlab Web服務器在“信號與系統”網絡教學中的應用［J］．重慶工學院學報（自然科學版），2007，21（7）：111～113．

An Exploration on Teaching Reform of Signal Systems and Signal Processing

WANG Da-Xiong，WAN Dong-Hui，JIANG Lin-Hua，LEI Neng-Wei
（Faculty of Information and Engineering，Huzhou Teachers College，Huzhou 313000，China）

This paper introduces Matlab-based education reform programs and teaching concept of signal systems and signal processing．In view of the progress of ages，we have adjusted the curriculum system，optimized the teaching structure，updated the main line of teaching，reformed the teaching content and innovated the teaching concept We stress the application of Matlab on the teaching and practice of signal systems and signal processing and have correctly handled the dialectical relationship of the classic and modern，analysis and synthesis，continuous and discrete，software simulation and hardware implementation，analytical methods and numerical methods，etc．

signal systems and signal processing；teaching reform；dynamic show；invented experiments

G642．4

A

1009-1734（2011）02-0125-04

2011-03-10

湖州師范學院高等教育研究項目（GJC11007）．

王大雄，副教授，從事生物醫學信號處理研究．