《信號與系統(tǒng)》實驗教學改革與研究

劉麗杰 韓曉軍 吳駿 徐秀知

摘 要： 針對《信號與系統(tǒng)》課程理論難度大、抽象、不容易理解等特點，作者分析了一些實驗教學方法，包括加大綜合性設計性實驗比重、課外選修實驗和基于實驗箱和MATLAB的軟硬件結合的教學模式。實踐證明，這些方法有利于培養(yǎng)學生的實踐動手能力和創(chuàng)新能力，提高教學質量。

關鍵詞： 《信號與系統(tǒng)》 創(chuàng)新能力培養(yǎng) 選修實驗機制 實驗箱 MATLAB

《信號與系統(tǒng)》課程是電子信息與通信類專業(yè)本科生必修的一門重要專業(yè)基礎課，在信息類專業(yè)課程體系中起著承上啟下的作用。該課程的特點是理論難度大，相對于其他課程來說比較抽象，涉及相當多的數學知識和數學公式，老師講解費時費力，同時學生學習起來不容易接受，對一些基本理論、概念和公式一知半解。《信號與系統(tǒng)》實驗課開設的目的是使學生掌握《信號與系統(tǒng)》學科方面的基礎知識，掌握基本的實驗技能和實際動手能力，通過本課程的實踐，提高分析問題和解決問題的能力，使學生有信心也有能力逐步適應本領域迅速發(fā)展的需要。結合多年的實踐教學經驗，筆者提出了一些提高《信號與系統(tǒng)》實驗教學質量的方法。

1.合理調整綜合性和設計性實驗的比重，注重培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

根據《信號與系統(tǒng)》實驗大綱的要求，目前實驗學時數是10學時，多數為基礎性、驗證性實驗。驗證性實驗過程相對簡單，大部分在實驗箱上完成，實驗電路已經給出，學生只需根據實驗要求連線搭電路就可以。這樣造成學生機械地做實驗，實際操作能力和綜合分析問題的能力不能提高。教研室經過多年的努力，大力改革調整實驗內容，適當增加綜合設計性實驗和創(chuàng)新性實驗的比重。綜合性實驗是指實驗內容涉及本課程的綜合知識或與本課程相關課程知識的實驗。綜合設計性實驗的特點是，給定實驗目的要求和實驗條件，由學生自行設計實驗方案并加以實現的實驗，實驗內容涉及本課程的綜合知識或涉及本課程部分知識的實驗。這種實驗以學生為主體，充分調動學生的主動性、積極性和創(chuàng)造性，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識，全面提高學生的創(chuàng)新實驗能力。

2.增加實驗項目數量，引入課外選修實驗機制。

由于學時有限，課內必須完成的實驗學時數是10學時，有的理論知識點實驗不能涵蓋，學生理解起來有些困難。為了讓學生多動手、多思考，深刻理解理論知識，課題組又設計了10學時的課外實驗，讓學生在課外時間到實驗室做實驗。實驗室能開設的所有實驗都制作成電子版實驗講義，該講義包含詳細的實驗目的、實驗要求、實驗內容和實驗條件等，學生可以自主選擇做哪幾個實驗。這些資源都掛在《信號與系統(tǒng)》校級精品課網站上，學生可以自行下載。

3.基于實驗箱和MATLAB的軟硬件結合的教學模式在信號與系統(tǒng)課程的實踐教學中的應用。

常見的實驗教學方式主要有基于信號與系統(tǒng)實驗箱的硬件實驗教學和基于MATLAB軟件的仿真實驗教學。這兩個平臺的實驗教學各有優(yōu)缺點，硬件實驗箱可以使學生接觸到信號所依托的硬件電路，觀測到實際的物理信號。但存在信號調節(jié)范圍有限，對信號與系統(tǒng)的理論體現不直觀等不足。此外，實驗箱只能提供比較簡單的驗證性實驗，可開設的綜合性、設計性的實驗較少，難以滿足現有的教學需要。MATLAB及其提供的SIMULINK仿真軟件包是集數值計算、符號運算及出色的圖形處理、程序語言設計等強大功能于一體的數學仿真軟件，具備高效、用圖像和動畫演示結果、動態(tài)仿真等特點[1]。盡管其他的高級編程語言如C++、Java正在用于教學中，但由于其具有圖形處理及可視化能力、簡單而寬松的編程方法、圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境、平臺的獨立性等特點，MATLAB仍然被廣泛地應用于信號處理相關課程的教學中。在教學中引入MATLAB，有利于學生將所學到的理論知識轉化為算法實現，從而促進學生積極主動地學習、實驗甚至創(chuàng)新。MATLAB包含信號處理工具箱等豐富的科學計算工具，還提供了可視化的圖形用戶界面GUI（Graphical UserInterface）環(huán)境，可以方便地創(chuàng)建交互式的操作界面，用戶通過設計窗口、菜單、按鈕、滑動條、文字說明等對象生成界面，可以利用鼠標或鍵盤方便地操作。MATLA軟件能使繁雜的理論計算變得易于實現，結果能可視化，可以使得教學過程變得更清晰直觀；實驗方案和參數可以任意調節(jié)，彌補實驗箱教學的不足。如果全部用軟件平臺開展實驗教學則不利于學生從物理層面上對實際的信號系統(tǒng)進行分析和理解。由此可見，采用單一平臺進行實驗教學無法達到較好的實驗教學效果，所以課題組探討了一種“軟件+硬件”相結合的雙平臺實驗教學模式[2]。硬件平臺的教學內容全部在實驗室完成，軟件平臺的實驗內容可由學生在課余時間完成。在進行硬件實驗前，學生需先編寫程序，完成仿真實驗，再將硬件實驗結果與仿真實驗結果進行對比。采用這樣的雙平臺教學法，一方面可以加深對實驗知識點的理解，達到很好的實驗效果，另一方面可以培養(yǎng)學生解決問題及分析問題的能力。課堂教學效果表明，雙平臺結合的實驗教學法更直觀，更容易讓學生理解實驗內容及原理，同時有助于調動學生的實驗積極性，提高學生的分析能力和創(chuàng)新能力。

此外，有一部分實驗單獨用MATLAB軟件完成，并且根據學生的具體情況、教學過程中遇到的具體問題，每年對實驗內容進行更新。

4.結語

本文探索的一些實驗教學方法能提高學生對理論的認識，充分調動學生的求知欲望，激發(fā)學習《信號與系統(tǒng)》課程的興趣，充分發(fā)揮學生的主體作用，提高學生的動手能力和創(chuàng)新能力，提高教學質量，受到任課教師和學生的一致好評。

參考文獻：

[1]甘俊英，胡異丁.基于MATLAB的信號與系統(tǒng)實驗指導[M].北京：清華大學出版社，2007.8.

[2]陳英等.基于軟硬件結合的“雙平臺教學”在《信號與系統(tǒng)》課程實驗教學中的應用[J].長沙大學學報，2012，26（2）：77-79.