通信工程專業(yè)“Matlab程序設(shè)計”課程教學改革研究

陳 杰，張樹艷

（塔里木大學 信息工程學院，新疆 阿拉爾 843300）

0 引言

Matlab是一門強大的計算軟件，不僅具有強大的計算功能和豐富的圖形圖像顯示功能，還給用戶提供了交互式環(huán)境[1]，被稱為三大數(shù)學軟件之一。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設(shè)計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言（如C、Fortran）的編輯模式。另外它專門針對通信工程專業(yè)學科給出了專門的模塊和函數(shù)，所以，這個軟件深受通信類專業(yè)教師和學生的喜愛。在通信工程專業(yè)中，專業(yè)核心課程“通信原理”和“信號系統(tǒng)”的課程設(shè)計以及部分實驗均采用Matlab軟件進行仿真和分析，專業(yè)必修課程“數(shù)字信號處理”“通信電子線路”“移動通信”和“數(shù)字圖像處理技術(shù)”等也采用Matlab進行輔助教學和實驗講解。畢業(yè)設(shè)計中，將近一半的同學使用Matlab進行編程設(shè)計，此門語言可謂是通信工程專業(yè)的一個法寶，所以“Matlab程序設(shè)計”課程在通信工程專業(yè)中很受重視。但是由于教學安排和課程壓縮，這門課的課時并不多，一般開設(shè)在第三學期，共40個學時左右。因此這門課授課內(nèi)容和授課安排至關(guān)重要，既要考慮到學生的學習深度，也要考慮到學生接觸面的廣度，更要考慮到學生的接受能力。

本文基于以上幾點，對整個課程做幾點改進，以此增強學生的掌握程度和知識量，讓學生在有限的課堂上掌握更多的知識。

1 改進方案

1.1 第一部分，整體介紹

對軟件做整體介紹，兩個理論學時，簡明扼要地講解各個窗口的作用、常用的菜單以及工具，不過多地占用時間。

1.2 第二部分，矩陣知識

矩陣知識，包括矩陣的定義、算術(shù)運算和關(guān)系運算。重點講述點運算，這種運算是在以往知識中沒有接觸過的，容易與普通算數(shù)運算混淆。矩陣的拆分和引用是一個難點，要詳細講述。通信工程專業(yè)的學生在大一的兩個學期會安排線性代數(shù)課程，這一部分內(nèi)容可以結(jié)合線性代數(shù)知識進行講解，這樣既激起學生對“Matlab程序設(shè)計”的興趣，又可以讓學生對數(shù)學知識有一個新的理解。安排4個學時。

1.3 第三部分，矩陣分析

矩陣分析主要包括常用矩陣的一些特殊矩陣，這些矩陣每個都有它的特別之處。本專業(yè)學生在第三學期一般會開設(shè)“信號與系統(tǒng)”課程，比如“ones”和“zeros”這兩個常用矩陣可以結(jié)合“信號與系統(tǒng)”中單位脈沖函數(shù)和單位階躍函數(shù)[2]進行講解，如圖1—3所示，降低了此部分內(nèi)容的枯燥程度，也能讓學生對專業(yè)知識之間的關(guān)系有個很好的認識。讓學生了解每個矩陣的特點對記憶這些矩陣有很大的幫助。魔方矩陣可以結(jié)合它的歷史進行講述，希爾伯特矩陣、三角陣及矩陣的特征分析均可結(jié)合線性代數(shù)上的實例進行講述，幫助學生理解。此處安排2個學時。

圖1 單位階躍函數(shù)

圖2 單位脈沖函數(shù)

圖3 信號調(diào)制和載波信號

單位階躍函數(shù)和單位脈沖函數(shù)代碼：

x=-5:5;

y=[zeros(1,5) 1 zeros(1,5)];

stem(x,y)

xlabel(‘時間');

ylabel(‘幅度');

title(‘單位脈沖函數(shù)')

x=-5:5;

y=[zeros(1,5) ones(1,6)];

stem(x,y)

xlabel(‘時間');

ylabel(‘幅度');

title(‘單位階躍函數(shù)')

1.4 第四部分，程序設(shè)計語言結(jié)構(gòu)

程序設(shè)計語言結(jié)構(gòu)是整個教程中的重點，學生只有掌握了各種語言結(jié)構(gòu)才能著手寫程序。以往的教學中大部分是按照教程結(jié)構(gòu)進行授課，即先講授各種程序設(shè)計結(jié)構(gòu)，然后講述函數(shù)文件和命令文件。這在一定程度上混淆了學生的理解，接受起來不那么容易。本文先采用一個簡單的學生能接受的編程例子講授命令文件和函數(shù)文件的區(qū)別，等學生理解這個概念之后再講函數(shù)語句，首先從順序結(jié)構(gòu)入手，然后循環(huán)語句，再次條件語句，每講完一個語句均出練習題讓學生自行練習，這樣起到加深理解和記憶的作用。本章安排6個學時。

1.5 第五部分，繪圖

用Matlab語言繪制各種圖形。這一部分學起來很簡單，但是函數(shù)語句特別多，而且同一種函數(shù)有若干種用法，這就要結(jié)合教程中的函數(shù)語句舉例給學生練習。在教學過程中，學生的練習和聽課一樣重要，很多程序語言，看似簡單，也很容易聽懂，但是學生一寫就出錯。所以一定采取各種方式讓學生練習編程。在編程的過程中教給學生怎樣尋找錯誤和改正錯誤，這才是學生從這門課程中最應(yīng)該學會的東西。這一部分的教學中要先歸類，二維和三維的圖形繪制分開講述。二維繪圖指令較多，可以采用子圖的形式同時繪制出來，讓學生在比較的情況下進行記憶和分析，這有利于掌握每種指令的特點。此處可以引入“通信原理”課程的各種調(diào)制方法給學生講解[3]，如圖4所示，這對他們理解函數(shù)指令和通信專業(yè)術(shù)語都有幫助。三維繪圖中，分為三維曲面圖和三維曲線圖，采用子圖的方式繪制出mesh，surf和plot3三種三維曲面圖，把各自特點進行比較，便于學生分析和記憶。本章安排4個學時。

1.6 第六部分，圖形用戶界面（GUI）

圖形用戶界面知識點對學生來講用處特別廣，傳統(tǒng)的教學方式就是從頭至尾把每個指令語句給學生講解一遍，再演示一下它的功能，但是由于課時有限，采用傳統(tǒng)的教學方式只會讓學生知難而退，不能起到預(yù)期的效果。因此可以用它來開發(fā)一個“信號與系統(tǒng)”課程的實驗平臺[4]的小程序給學生講授，如圖4所示。在小程序中給學生講解每一句的作用，這樣不僅加深學生的記憶，對學生學習積極性也有很好的調(diào)動。之后給學生布置一個課后作業(yè)，比如給學生演示一個計算器的設(shè)計或者一個鋼琴鍵盤的設(shè)計，都能激發(fā)學生的好奇心，調(diào)動學生主動學習的興趣。本章安排2個學時。

圖4 信號與系統(tǒng)實驗平臺

1.7 第七部分，數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析計劃兩個學時，主要講授數(shù)據(jù)插值和數(shù)據(jù)擬合部分，其他的數(shù)據(jù)處理函數(shù)可以讓學生簡單看一遍，用到時知道去哪里查找用法即可。數(shù)據(jù)插值部分可以分為一維插值和二維插值。一維插值根據(jù)每日天氣溫度隨時間的變化數(shù)據(jù)給學生當例題講授，學生對很多理論知識的理解借助于日常生活會更好地接受。二位插值使用溫室大棚的溫度、濕度隨時間變化的數(shù)據(jù)作為案例進行講述。數(shù)據(jù)擬合部分也使用溫度隨時間的變化數(shù)據(jù)進行講述，能用一個方程式表示一天溫度的變化情況，而且這個表達式是學生自己用程序語言編寫，相信每一個學生都會留下很深的印象。本章安排2個學時。

1.8 第八部分，Simulink知識

Simulink知識計劃2個學時。Simulink模塊較多，對于通信工程專業(yè)的學生，重點講授Simulink基本知識和通信模塊，如圖5所示，以搭建一個mimo通信系統(tǒng)為例進行課堂講述，由于課時有限，通信模塊原理性的東西不再贅述，主要講述模塊的使用和產(chǎn)生的信號種類以及參數(shù)的設(shè)置方法。剩余的時間讓學生多練習多分析，熟能生巧。

圖5 通信模塊

實驗課的安排如表1所示。

表1 實驗分配

2 結(jié)語

根據(jù)“Matlab程序設(shè)計”課時被壓縮的現(xiàn)象進行教學計劃調(diào)整，通過把專業(yè)課知識引入課程的方法提高學生學習的興趣，在有限的課時里能讓學生掌握的知識量最大化。事實證明，這種安排是一種有效的教學方法。