以成果為導向的信號處理軟件課程教學改革淺析

姜霞 盧嘉 李薇薇

摘 要：從本校信息工程學院專業課教學特點出發，以成果為導向，針對課堂教學和實驗教學內容進行改革實踐。討論了在授課時引入“案例教學法”，把MATLAB的相關知識點和實際相關問題結合，使學生在學習軟件語言的同時，掌握如何用軟件解決實際問題，培養學生創新思維和自主學習意識，提高綜合實踐能力。

關鍵詞：MATLAB;案例教學;實驗教學;成果導向

近年來，信號處理軟件MATLAB在各類教學改革中的應用研究越來越多，尤其對于電子信息類專業，許多課程的實驗設計都是直接或間接的建立在MATLAB基礎之上[1]。在我國，MATLAB在高校已經流傳和應用了10余年，現在幾乎所有的理工科院校都開設MATLAB課程，它已經成為高校師生和科研工作者必須掌握的最常用的軟件之一。

但目前的課程設置重點放在軟件本身的使用方法和編程技巧上，而不是以成果為導向，忽視了在本專業領域的應用和與后續課程的連續性。因此必須合理配置教學內容，緊密結合本專業特色，突出本專業領域仿真應用的學習;同時改進課堂教學和實驗教學方式，引入“案例教學法”，突出以成果為導向，將MATLAB更好地融入后續課程，為這些課程的實驗教學打好基礎。

一、研究現狀

對于我校電信專業類的學生，到二年級的上學期就開始學習使用MATLAB軟件，并且在以后的許多相關專業課程和課程設計中需要更深入的應用它。如《信號與線性系統》《通信原理》《數字信號處理》《數字圖像處理》《移動通信》《光纖通信》《模式識別》等，這些課程的共同特點是公式多，理論性強，直觀性差，學生學習起來比較困難。如果能將MATLAB仿真引入課堂，把很多抽象的東西直觀地展現出來，不僅起到了輔助教學的良好效果，而且會激發學生學習理論課程的積極性，加深學生對理論內容的理解，提高課堂教學質量。無一例外，這些課程的實驗和課程設計，都要使用MATLAB軟件。

但目前MATLAB的教學仍然側重于軟件本身的編程技巧和使用方法的描述，而沒有和專業課結合，體現本專業特色。以至于在后續課程中應用MATLAB時，不少學生仍然會有陌生的感覺。其實，MATLAB語言本身語句簡單，基本沒有理論難度，比較容易學習和掌握，重點是如何用它來解決實際問題[2]。有些同學在MATLAB這門課考試的時候分數很高，可是在用MATLAB解決實際問題的時候往往感到無從下手，這就需要教師在授課時多結合本專業特點，注意把MATLAB和后續課程內容緊密地結合起來，培養學生用所學軟件分析和解決實際問題的能力。

二、課堂教學

由于《信號處理軟件》（MATLAB）是一門應用軟件類課程，其目的是使學生掌握MATLAB語言的基本使用方法，并能熟練地應用于和專業相關的各個領域的建模和仿真分析中[3]。因此除了常規授課方式加合理使用多媒體手段外，對于這種應用類的課程教學，“案例教學法”正日益廣泛地被接受和采用。所謂“案例教學法”，就是根據教學目的和要求，以案例出發，設計一個或幾個實際問題或場景，引導學生深入學習對應的知識點，并以所學知識主動靈活地解決問題，培養他們的主動思維能力，達到開放互動的教學目的[4]。

例如在講授“微分方程”知識點時，可以給出《電路分析》中RLC充、放電電路的模型案例，要求學生對該案例進行分析建模，在得到的微分方程基礎上，運用“dslove”函數對方程進行求解，并利用符號繪圖函數“ezplot”描繪出電壓和電流隨時間的變化規律;在講“多項式運算和卷積”內容的時候，可以結合《信號與線性系統》中的求兩個序列卷積的問題;在講解SIMULINK交互式仿真集成環境時，可以結合《通信原理》中的通信系統仿真，以通信系統模塊工具箱（Comm）為例，讓學生在各個模塊中找到相應組件搭建通信系統模型，并通過設置和改變參數觀察、分析系統性能，讓學生對枯燥的理論有了直觀的認識，而這些在實驗箱上是無法完成的。

再比如第四章數值計算，要求學生掌握數據擬合和數據插值的基本方法。一般地，從各種試驗得來的數據總是有一定的數量，而利用插值技術能夠從有限的數據中獲取系統整體的狀態，因此，數據插值在各行各業，特別是信號處理領域內有著廣泛的應用。此時，我們在講數據插值時，如果直接告訴學生，插值就是在已知數據之間尋找估計值，那學生得到的就只是泛泛的概念，對插值定義理解的就不夠深入。此時，我們可以先提供一個案例，如在某處測得海洋不同深度處水溫度數據如下表所示，用插值法求出水深500m、900m和1500m處的水溫（℃）。

通過這個案例，學生能夠對插值的概念有明確的理解，插值實際上就是根據一組已知數據，估計其他未知數據的取值，在實際工程中用處很大。通過這個案例，可以引出MATLAB插值常用的方法，有鄰近插值、線性插值（默認）、三次樣條插值，進而詳細說明三種插值方法的特點和優異。以三次樣條插值“spline”為例，只需要輸入下面四條指令，就可以得到需要的結果。

>>M=[466 715 950 1422 1635];

>>W=[7.04 4.28 3.40 2.52 2.13];

>>H=[500 900 1500];

>>Wi=interp1（M，W，H，'spline'）

其中前三條均為數據準備，最后一條為插值指令。運行后結果如下：

Wi= 6.4903 3.5226 2.3845

這三個數即為水深500m、900m和1500m處的水溫值。通過這個生活中的實際“案例”，理論聯系實際，不僅有利于教學，引起學生學習的興趣，而且有助于培養學生解決實際工程問題的能力。

“案例”教學法能有效的提高課堂教學質量，有利于學生對知識的深入理解和掌握，但對教師的要求比較高。授課教師首先要深入了解本課程知識體系結構，知道在什么地方可以用案例，用什么樣的案例。案例的引入要生動自然，不著痕跡，要和課程內容相關聯，而不是生搬硬套，案例設計是為教學服務，教學為主，案例為輔，不要為了使用案例而強行引入一些不恰當的案例。案例設計時既要考慮相關的知識點，還要考慮和后續課程的連續性，這樣即拓寬了知識面，也為MATLAB在后續課程中的使用做好鋪墊。其次要求教師要有一定的工程實踐背景。案例是為了幫助學生更好理解課程內容，所以案例要盡可能生動有趣，最好是學生易于接收，和生活、實際工程有關，這就要求教師在平時要注意積累生活中的素材，不斷加強學習，擴展自己的知識面。

三、實驗教學

要使學生真正熟練掌握MATLAB工作環境、編程技巧、建模方法和仿真技術，僅僅依靠理論授課是不行的，必須把上機操作的實踐教學作為一種非常重要的課程組成部分。在本校，信號處理軟件課程的總學時為32學時，其中實驗學時為10學時，共安排5個授課章節的實驗內容，但根據學情分析及開展的多次學生座談來看，實驗學時遠遠不能滿足學生的實踐要求。而且本門課實質上就是學習一門軟件編程語言，需要學生進行大量實踐，許多課堂講授的理論知識，其實學生通過實踐完全可以自行學習掌握。“紙上得來終覺淺”，通過實踐過程自己體會得到的理論知識，比課堂上通過老師講解被動吸收效果要好很多，因此，實驗教學的過程也非常重要。

實驗教學內容應摒棄過去傳統的單一驗證性實驗，應該結合本專業特點，開設綜合性、設計性實驗，以激發學生參與實驗的積極性，使學生能夠把MATLAB和分屬于各個學科的知識聯系起來，加強學生利用MATLAB分析和解決實際問題的能力。此外，通過合理安排實驗內容，也讓學生了解到MATLAB課程和后續課程具有非常緊密的關系，意識到他們在后續課程的學習中將以MATLAB作為輔助手段，從而培養他們自主學習、終身學習的意識，為后續課程的實驗教學打好基礎。

為此，可以從以下幾個方面來確保實驗教學環節的質量和效果：每講完一章內容，緊接著就安排適當的上機練習，使學生及時消化和吸收所學的內容，而不是等理論課全部講完，集中安排上機;每節實驗課布置一個編程仿真類型的設計，要求學生在自己的電腦上安裝MATLAB軟件并獨立完成，以M文件或模型文件的形式上交;在全部實驗結束后，組織一次上機考核，為保證考核效果，上機考試和期末考試一樣，不準攜帶手機等通信設備，考核題目從題庫隨機抽取，要求在規定的時間內完成相應題目，以此來檢驗學生的學習成果，以及考核學生利用所學知識，解決實際問題的能力。

四、結語

MATLAB相關課程已經成為許多理工科院校電子信息工程相關專業學生的專業必修課程，為了更好地發揮MATLAB在其他相關學科中的作用，充分調動學生的積極性，提高教學質量和效果，引入“案例”教學法，通過對形象生動的案例進行學習分析和研討，不僅使學生掌握了理論知識，還培養了學生解決實際問題的能力。通過近幾屆學生進行的學習評價和后續相關課程老師的反饋，證實這種教學模式取得了很好的教學效果。

參考文獻：

[1]陳懷琛，吳大正，高西全.MATLAB及在電子信息課程中的應用（第2版）[M].北京：電子工業出版社，2003.

[2]張志涌，楊祖櫻.MATLAB教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

[3]余國先，王峻.面向科研創新的MATLAB課程教學模式探索[J].西南師范大學學報（自然科學版），2018，1：164-168.

[4]武文佳.《MATLAB基礎與應用》通識課程案例教學法探索[J].教育教學論壇，2020，10：270-271.

作者簡介：姜霞（1978— ），女，漢族，河北懷來縣人，博士，講師，研究方向：信號處理。