面向電子信息類《信號與系統》課程的實踐教學探討

楊 帆

河北工業大學信息工程學院，天津 300401

引言

電子信息類專業的重要理論基礎就是信號理論，信號理論課程體系包括信號與系統、隨機信號分析、數字信號處理等課程。信號與系統是信號理論的首門課程，內容涵蓋線性微分方程、復變函數、離散數學、電路分析等內容，理論性強，概念抽象不易理解、要求學生具有較強的數學功底以及電路分析的基礎，同時它又是一門實踐性較強的課程，是學生從事相關領域工程技術研究的必備知識。因此，信號與系統課程在整個信號理論課程體系中起到非常重要的承上啟下的作用[1]。

如今，科學技術迅猛發展，高校培養大學生也要適應新時期的要求，既要有堅實的理論基礎，又要能理論聯系實際，特別是對工科院校的學生更要有嚴格的工程技術訓練。針對信號與系統課程的特點，如何激發學生的學習興趣，在講授中如何結合實驗教學環節，提高學生的分析計算能力、綜合解決實際問題能力至關重要。筆者結合自己的實驗教學實踐，就實驗教學環節的必要性和重要性，實驗內容的安排以及教學的效果等方面對實驗環節的設置在該課程講授中的作用和實際教學中的問題進行了探討。

1 實驗教學環節的必要性

信號與線性系統這門課程理論性強，課程內容抽象不易理解。若在講授的過程中過多強調數學推演，尤其是過多的理論分析，不能使學生了解所學知識與實際工程應用有何聯系，抽象的概念缺乏具體化的實驗教學演示，對應用性較強的內容不能實際動手調試分析，學生很難真正理解其內在聯系，不能學以致用，學習興趣自然較低，教學質量也將會受到影響。

如何把抽象的數學語言、具體的物理概念與實際應用聯系起來，幫助學生理解與掌握該課程中的基本原理及基本分析方法，培養學生綜合應用所學知識并解決實際問題的能力，是該課程教學中要解決的關鍵問題，革新教學方法也勢在必行。

根據該課程的特點以及國內外高校的經驗，將Matlab運用到信號與系統教學中,利用其中的信號處理工具箱、圖形處理及數據可視化操作、直觀的圖形圖像演示，可以較為直觀的分析各類信號的特性以及各類參數對信號和系統各自特性的影響，將課程中抽象與不易理解的概念和問題變得具體化，使學生對這些概念與定理產生直觀的認識，實現教學和實驗驗證同步進行，學生對知識加深了理解也更容易掌握[2]。這樣的教學方式克服了理論性較強的課程難以進行交互式教學的缺點,能大大提高學生的積極性和學習興趣，擴展學生的思維空間，培養他們主動獲取知識和獨立解決問題的能力，教學效果明顯提升。因此，對Matlab軟件在信號與系統教學中的應用進行探索，注重實驗教學環節，努力為學生打造一個輕松、活躍的學習環境，激發學習興趣和增強借助計算機輔助解決實際問題的能力，這將對信號與系統以及相關信息學科課程的教學起到促進作用。

2 實驗教學內容的設置

“信號與系統” 課程中有許多復雜的數學運算及推導，例如高斯信號、三角函數、矩形方脈沖、隨機信號等多種信號的運算，卷積積分，傅里葉變換，微分方程求解、差分方程求解、多項式求根、系統零極點計算等等。MATLAB是一種可視化的科學計算和分析軟件，是以矩陣運算為基礎的程序設計語言，語法規則簡單易學，其指令格式與課本中的數學表達式非常相近，此外MATLAB還具有功能豐富和完備的數學函數庫及工具箱，大量繁瑣的數學運算和分析可通過調用MATLAB函數直接求解，這樣可以把學生從繁重的手工運算與推導中解脫出來，既鍛煉了學生用計算機輔助計算與分析解決實際問題的能力又大大增加了學生的學習熱情。

卷積積分是LTI系統時域分析方法中的重要內容，由于計算中涉及信號反折、移位及分段確定積分上下限等過程，對于形式較復雜的信號求解過程更加繁瑣。若利用Matlab提供的conv函數，可以借助簡單的編程對卷積過程進行形象的驗證與分析，在完成課堂講授后，安排相應的實驗課，讓學生自己動手編寫程序得到系統響應的波形再進行分析，這樣學生可以將學習重點放在對基本概念的分析和原理的理解和運用上，既鞏固了課堂的知識，又提高了他們的自主性和積極性，學生普遍反映較好。再如時域分析中的微分方程的求解是第二章的難點內容，可通過實驗運用Matlab中的impulse，step，lsim函數對時域系統響應進行仿真，得到線性時不變連續系統的階躍響應和沖激響應以及任意激勵下響應的時域波形，學生通過這些驗證性實驗可以很直觀地對系統在不同激勵信號作用下產生的響應進行總結，歸納，這也為后續的綜合性實驗、課程設計實習和課題式研究奠定了基礎。

在實驗的安排上，除了驗證性的實驗外，適當設計綜合性實驗，讓學生對知識達到融會貫通。如系統的頻域分析部分，學生可通過設計多組仿真，并對得到的這些仿真現象進行比較，發現其中的問題，用所學的知識點來解釋問題，達到對知識的整體把握，而不是局限在數學公式的推導和結論上[3]。周期信號的傅立葉級數及頻譜分析是信號與系統中頻域分析部分的一個難點，如果用公式直接描述，過于抽象，因此通過Matlab的圖像仿真可以很好的描述矩形脈沖的寬度和周期變化對比效果圖。這使得學生在輕松、活躍的學習環境中找到了樂趣，學到了知識。再如濾波器設計內容結束后，可要求學生利用Matlab實現不同濾波要求的濾波器設計，并分析計算結果是否與理論分析一致，這是對學生綜合分析能力的一次提高，也是課題式研究的一種訓練。

3 實踐教學的效果及存在的問題

傳統的信號與系統實驗大都是硬件電路完成的，硬件實驗很大程度上要依賴于實驗設備，而且學生在實驗中要將大量的精力花在電路調試上，易出故障，誤差大，實驗效果不直觀，這使得硬件實驗的設計和實驗項目均受到較大的限制，很多內容學生無法通過實驗驗證。MATLAB軟件仿真實驗應用于信號與系統實驗教學中有效地改革了以上傳統實驗教學的方法。根據課堂講授中的重難點內容編寫程序設計實驗項目，增加了可實施的實驗數目，可以拓寬學生的思路，特別是設計性實驗，可以充分調動學生的獨立思考能力，通過自己獨立編寫程序實現對所學理論知識的掌握，有效地提高了學生的綜合素質和應用知識的能力。另外，軟件實驗克服了硬件實驗容易引入較大誤差的缺點，仿真結果與理論分析高度一致，學生印象更加深刻。

由于Matlab課程是信號課的先修課程，學生普遍感受到可以把信號課程的軟件實驗作為Matlab課程的實驗對象。這樣的安排既避免了不熟悉Matlab語言而產生的實驗困難，又使得“Matlab 語言”這門課程有一個很合適的應用對象，二者相輔相成，學生受益匪淺。

雖然很多高校都將Matlab引入到信號與系統實踐教學當中來，但受到學時的限制，通常信號課程為56學時，實驗約8學時左右，受到學時的限制，實驗設計多注重基礎應用及驗證，而綜合性和設計性實驗內容的安排受到一定程度的影響。對于驗證性的實驗，部分可以在課堂講授中，用多媒體的方式和理論知識穿插進行，精簡一部分讓學生在實驗課上完成，并且可以鼓勵學生按照實驗指導書課下在計算機上完成預習和一定的實驗項目。這樣實驗課時學生有備而來自然完成較好，老師可以預留一部分時間安排思考題，并要求總結到實驗報告中，學生在完成實驗內容時就不再是機械的交差，而是帶著問題做，實驗的效果會明顯提高。在考核方式上，理論知識的考核固然重要，但也應注重學生動手能力和創新能力的評價，適當提高實驗環節所占的比重(30%～40%)，敦促學生自己動手、獨立思考，完善自己的學習方法，在實踐中理解和提高。這部分的考核成績分兩部分計入，一部分是學生課堂完成實驗以及實驗報告的情況，另一部分是課題設計性實驗，要求學生可以借助各種學習資料在實驗課結束后的1～2周內完成，鼓勵學生自主學習，探求新知。

4 結語

在信號與系統課程的實踐教學環節中引入基于Matlab的軟件實驗，很大程度上提高了學生綜合應用所學知識以及解決實際問題的能力，是優化教學改革與提高教學質量的有效途徑。本文在對“信號與系統”課程特點分析的基礎上，闡述了將Matlab運用到信號與系統實踐教學中必要性和重要性，結合自身實際教學實踐，從實驗內容的設置，教學的效果以及存在的問題等方面進行了探討，并總結了一些有益的經驗。

[1]江鳳兵.基于MATLAB的信號與系統課程教學與實踐研究[J].中國教育技術裝備，2012，285(27)，120-122

[2]陳亞勇.M A T LA B信號處理詳解[M].北京:人民郵電出版社，2000：137-162

[3]張紅梅，李瑞，白雪玲.信號與系統分析軟件研究[J].計算機應用與軟件，2009，26(12)，10-12