基于MATLAB的信號與系統(tǒng)課程的教學(xué)研究

王曉宇 楊永輝 齊艷

【摘要】為了改進(jìn)《信號與系統(tǒng)》課程的教學(xué)方法，利用MATLAB軟件的信號處理與圖形處理功能，將抽象的理論可視化，簡單化，并引入具體的教學(xué)實(shí)例進(jìn)行分析探討，提高學(xué)生的積極性和興趣。另外，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法存在弊端，將MATLAB引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，完善了實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的改革。實(shí)行教學(xué)改革后，使學(xué)生鞏固了理論知識，還加深了課程之間的聯(lián)系。

【關(guān)鍵詞】信號與系統(tǒng);MATLAB;案例;實(shí)驗(yàn)改革

Research on the Teaching of Signals and Systems based on MATLAB

Wang Xiao-yu，Yang Yong-hui，Qi Yan

（School of Electronic and Information Engineering，Liaoning University of Science and Technology，Anshan 114044，China）

Abstract：For the signal and graphics processing capabilities，MATLAB is used to improve the teaching of“Signals and Systems”.The abstract theory can be visualized and be simplified.It can raise the students'enthusiasm and interest with the introduction of specific teaching cases.As the disadvantages of the traditional experimental teaching method，MATLAB is applied.It will improve the teaching reform of experiment.After the teaching reform，it can consolidate the theoretical knowledge，and deepen the relation between courses.

Keywords：Signals and systems;MATLAB;case;experiment reform

《信號與系統(tǒng)》是工科學(xué)生的專業(yè)必修課程，由于它的理論性較強(qiáng)，內(nèi)容抽象，而且需要大量扎實(shí)的數(shù)學(xué)知識，是一門教師難講，學(xué)生難學(xué)的課程。為了讓學(xué)生在理論分析與實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)兩個(gè)方面的能力都有所提高，本文從教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)兩方面進(jìn)行了探討與研究。

在課堂上引入案例教學(xué)法，通過設(shè)置具體的教學(xué)案例，引導(dǎo)學(xué)生參與分析、討論，讓學(xué)生在具體的問題情景中積極思考、主動探索，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的綜合能力，提高教與學(xué)的效果。另外，信號與系統(tǒng)和數(shù)字信號處理這兩門課程均有實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，但因?yàn)閭鹘y(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程各自為政，從而造成兩者的實(shí)驗(yàn)之間毫無關(guān)聯(lián)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排沒能考慮到相關(guān)課程的前后銜接等問題。為了加強(qiáng)他們之間的聯(lián)系與銜接，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面引入了MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)，并提出信號類課程群的綜合性實(shí)驗(yàn)，同時(shí)鼓勵學(xué)生自擬設(shè)計(jì)題目。培養(yǎng)了學(xué)生的工程實(shí)踐能力，強(qiáng)化了課程間的聯(lián)系。

一、以案例引導(dǎo)的課堂教學(xué)

學(xué)生在學(xué)習(xí)信號與系統(tǒng)過程中，既要理解抽象的定理，又要牢記各種變換的公式，還要完成大量習(xí)題的計(jì)算。因此學(xué)生普遍反映過于枯燥，難于理解。為了把抽象的原理可視化，具體化，給學(xué)生展現(xiàn)出生動，有趣的課堂教學(xué)，采用一種以案例為基礎(chǔ)的教學(xué)法，大量引入與課程相關(guān)的案例，化解教學(xué)難點(diǎn)，提高學(xué)生的興趣。

頻譜是信號與系統(tǒng)的一個(gè)難點(diǎn)，學(xué)生對它總是覺得太晦澀難懂，一頭霧水，產(chǎn)生畏懼心理。為了幫助學(xué)生建立時(shí)域頻域的對應(yīng)關(guān)系，引入一個(gè)案例——觀察分析聲音信號的時(shí)域波形和頻譜。通過反復(fù)播放男生和女生的聲音，讓學(xué)生細(xì)心辨別他們之間時(shí)域的區(qū)別;利用MATLAB軟件，用演示程序來輔助案例教學(xué)，把聲音的頻譜形象地展示出來，再讓學(xué)生對頻譜圖仔細(xì)觀察，從圖中可以看出，男生的聲音頻率主要分布在200Hz～800Hz，振動頻率低;女生的聲音頻率主要分布在300Hz～1800Hz，振動頻率高。讓他們從直觀上領(lǐng)會頻譜的意義，了解信號時(shí)域和頻域的對應(yīng)關(guān)系。

例如卷積積分，它是一種數(shù)學(xué)上的計(jì)算方法，可以通過這樣一個(gè)教學(xué)案例分析和討論。在聲學(xué)中，回聲可以用源聲與一個(gè)反映各種反射效應(yīng)的函數(shù)的卷積表示，這樣就把卷積知識具體化。首先錄入一段音頻，然后通過MATLAB程序?qū)⒙曇粜盘柵c經(jīng)過反射的信號卷積，得到另一個(gè)音頻信號，通過聲音的區(qū)別讓學(xué)生理解卷積的一個(gè)含義。引入貼近學(xué)生生活的教學(xué)案例，不僅可以給學(xué)生親切感，同時(shí)清除了過多抽象的概念給學(xué)生造成的學(xué)習(xí)障礙。

圖1 聲音信號的時(shí)域波形和頻域圖

傳統(tǒng)的教學(xué)模式通常是獨(dú)立地講授一門課程，課程之間的聯(lián)系較少，通過教學(xué)案例能夠強(qiáng)化課程之間聯(lián)系。結(jié)合學(xué)生以前所學(xué)過的課程，例如模擬電子技術(shù)，分析單管放大電路的頻譜特性，分析方波通過單管放大電路系統(tǒng)產(chǎn)生失真的原因，有利于理解電路系統(tǒng)與信號之間的相互作用。這樣既能幫助學(xué)生理解現(xiàn)在所學(xué)課程的知識，同時(shí)也復(fù)習(xí)以前所學(xué)課程知識，達(dá)到整體優(yōu)化的教學(xué)效果。

二、課程群實(shí)踐教學(xué)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)生掌握理論知識的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，尤其是對理工科的學(xué)生，是培養(yǎng)學(xué)生基本分析實(shí)踐和創(chuàng)新能力的最直接的一個(gè)環(huán)節(jié)，也是全面培養(yǎng)和提高學(xué)生綜合科學(xué)素養(yǎng)的重要方式。但是單門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革很難收到理想效果，因此構(gòu)建合理的信號類課程實(shí)踐體系就非常必要。促進(jìn)信號處理系列課程的實(shí)驗(yàn)整合優(yōu)化，使信號處理課程成為一個(gè)有機(jī)整體，增強(qiáng)課程群的實(shí)驗(yàn)體系建設(shè)，調(diào)整實(shí)驗(yàn)課程比例，加強(qiáng)創(chuàng)新型、綜合性實(shí)驗(yàn)，同時(shí)將各課程中的重疊部分內(nèi)容進(jìn)行合理銜接、自然過渡。實(shí)驗(yàn)體系的建設(shè)實(shí)現(xiàn)了基本原理與工程應(yīng)用的有機(jī)結(jié)合，軟件仿真與硬件實(shí)現(xiàn)的有機(jī)結(jié)合。

將課程群的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行重新編排和設(shè)計(jì)，構(gòu)建包括基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和研究創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)等不同層次的科學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，既與理論教學(xué)有機(jī)結(jié)合、統(tǒng)籌協(xié)調(diào)又相對獨(dú)立。信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)編寫11個(gè)實(shí)驗(yàn)，數(shù)字信號處理實(shí)驗(yàn)編寫6個(gè)實(shí)驗(yàn)，課程群綜合實(shí)驗(yàn)編寫4個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以利用硬件實(shí)驗(yàn)箱及MATLAB仿真軟件的有機(jī)結(jié)合完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。為學(xué)生提供一個(gè)綜合仿真實(shí)驗(yàn)平臺，學(xué)生可以結(jié)合所學(xué)的理論知識，自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。充分調(diào)動了學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣，同時(shí)注重實(shí)驗(yàn)綜合能力的培養(yǎng)，使學(xué)生在各個(gè)環(huán)節(jié)中得到鍛煉。

三、課程考核方式的多元化

傳統(tǒng)的考核方式采用平時(shí)成績和期末考試成績相結(jié)合的方式。平時(shí)成績占該課程成績的30%，期末考試成績占該課程的70%。為了全面測定學(xué)生對課程的掌握程度，有效避免單一考核方式所帶來的弊端，改變原有的考核方式，減少期末考試所占的比例，增加上機(jī)考試部分。期末考試以考查學(xué)生對基本概念的掌握和對知識的綜合應(yīng)用能力為主，占總成績的50%，這樣就避免了考試前突擊復(fù)習(xí)得高分的情況。實(shí)驗(yàn)部分占總成績的20%，包括實(shí)驗(yàn)報(bào)告，側(cè)重考察學(xué)生的動手能力，注重對過程及能力的考核，弱化對結(jié)果的評價(jià)，將過程評價(jià)和結(jié)果評價(jià)有機(jī)的結(jié)合。增加MATLAB上機(jī)實(shí)驗(yàn)考試，以考核實(shí)踐能力為主，通過綜合題目考查學(xué)生的編程能力和信號與系統(tǒng)實(shí)踐應(yīng)用能力，占總成績的20%。平時(shí)表現(xiàn)占總成績的10%，考核學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)結(jié)果，包括作業(yè)提交、回答問題、上課出勤等方面。改變考核方式的單一化。

四、結(jié)束語

如何在有限的時(shí)間內(nèi)將基本知識傳授給學(xué)生，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性是值得認(rèn)真研究的問題。案例教學(xué)法以一種以案例為基礎(chǔ)的教學(xué)法，教師根據(jù)課堂教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容的需要，通過設(shè)置具體教學(xué)案例，引導(dǎo)學(xué)生參與分析、討論、實(shí)踐等，讓學(xué)生在具體的問題情景中積極思考、主動探索，提高教與學(xué)的效果。增強(qiáng)課程群的實(shí)驗(yàn)體系建設(shè)，調(diào)整實(shí)驗(yàn)課程比例，綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)密切了課程之間的聯(lián)系，應(yīng)用技能為主的思想得到更好的體現(xiàn)，有利于教學(xué)質(zhì)量的提高。使學(xué)生在校學(xué)習(xí)的許多理論和社會實(shí)踐較緊密地進(jìn)行聯(lián)系，進(jìn)一步提高學(xué)生的科技創(chuàng)新、工程實(shí)踐等方面的能力，為應(yīng)用型人才培養(yǎng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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作者簡介：

王曉宇（1978—），女，碩士，研究方向：通信與信息系統(tǒng)。

楊永輝（1971—），男，博士研究生在讀，研究方向：信息與通信工程。

齊艷（1979—），女，碩士，研究方向：信息與通信工程。