基于MATLAB仿真的《信號與系統》實驗課程教學改革

◇成都大學電子信息與電氣工程學院 胡 林 唐 琳 趙永鑫 雷 霖

高校傳統的《信號與系統》實驗教學的目的是對理論知識進行驗證。隨著就業形勢日趨嚴峻，用人單位對學生綜合實踐能力的要求也越來越高。因此，《信號與系統》實驗課程教學改革勢在必行。教學改革主要集中在教學內容和教學模式兩個方面。本文結合成都大學電氣工程及其自動化專業學生實際，針對目前《信號與系統》實驗教學的現狀和不足，分別對實驗課程教學內容和教學模式改革進行了探討，希望以此提高學生學習的主動性和積極性和學生的綜合實踐能力進而提升其在職場中的競爭力。

《信號與系統》是一門專業實踐性強、知識面涉及廣的專業基礎課，是電氣工程及其自動化、電子信息工程、通信工程、自動化等專業本科生的必修課程。它也是電子信息類專業學生的考研專業課程之一。本課程是將學生從電路分析的知識領域引入到信號處理與傳輸領域的一門重要課程，對后續專業課程的學習起著銜接作用。因此，學生掌握好信號與系統分析的基本方法和理論，不論是對后期專業課程的學習，還是對畢業后從事專業相關工作，都具有十分重要的意義。《信號與系統》實驗教學是其理論教學的延伸，通過實驗教學，可以將《信號與系統》中所涉及的理論知識形象化、具體化，從而加強學生對重難點知識的理解，培養學生理論聯系實際、分析問題、解決問題的能力。因此，實驗教學在本課程的教學中起著重要的作用。目前我校開設的《信號與系統》課程也包含了相關的實驗課程，所采用的實驗方式有兩種：基于實驗箱的硬件實驗和基于MATLAB軟件的仿真實驗。硬件實驗箱存在信號調節范圍有限、對“信號與系統”理論缺乏直觀表達等缺點。此外，實驗箱只能提供相對簡單的驗證性實驗，可設置的綜合性、設計性實驗較少，難以滿足目前的教學需求。因此，對信號與系統實驗的內容進行改革勢在必行。另外，對于教學改革來說，教學方法也很重要。

目前許多教學一線工作者對實驗教學進行了長期而有效的探索和實踐，提出了許多行而有效的改革措施[1-3]。但是，這些文獻都不是針對《信號與系統》這門課程的。由于每門課程有其各自的特點，任一課程都無法直接照搬其它課程的實驗課程教改措施。當然，也有一些文獻關注《信號與系統》這門課程的實驗教改。例如高瑞等提出了一種基于e-labsim虛擬仿真平臺的綜合教學法[4]；唐亮等結合西安思源學院電子信息工程專業學生實際對《信號與系統》實驗課程內容進行了改革實踐[5]；陳昌兆等通過一道具體例題詳細介紹了《信號與系統》實驗課程中應用MATLAB仿真軟件時的一般環節和主要步驟[6]。不同于上述研究，本文以成都大學為例，通過分析目前《信號與系統》實驗教學的現狀和不足，分別對實驗課程教學內容和教學模式提出了一些改革舉措并結合實踐探索改革效果。

1 實驗教學的現狀和不足

在以往我校的《信號與系統》實驗課程教學過程中，存在著實驗教學內容和教學模式兩方面的問題。

1.1 實驗教學內容

《信號與系統》實驗內容由硬件實驗和軟件實驗兩部分組成，其中硬件實驗均為驗證實驗，實驗內容單一且固定;軟件實驗內容主要是驗證實驗，只能驗證《信號和系統》中的理論知識點。在仿真過程中，學生需要使用MATLAB軟件進行仿真。但是由于教學時間所限，授課老師對MATLAB軟件并不會作特別地講解。目前我校所設置的實驗教學內容雖然可以達到驗證理論知識的目的，但也嚴重限制了學生的創新思維。

1.2 實驗教學模式

實驗課時一般少于理論課時。在實驗課上，除去老師的教學時間，留給學生進行實驗的時間非常有限，大多數學生只能在課上完成基本的教學任務，試圖通過目前教學大綱中所提供的實驗提高學生的綜合動手能力是很難的。

僅僅改變教學設備和內容而忽視教學方法的教學改革已經不適應當前的教學現狀。實施教學改革，不僅需要教學內容的改革，更需要教學方法的改革。

綜上所述，《信號與系統》實驗課程的教學內容和教學模式存在以下問題。

（1）實驗內容陳舊。現有的《信號與系統》實驗以驗證性實驗為主，而綜合實驗和設計實驗的內容幾乎為零。這樣的課程安排，會直接導致學生對課程學習的目的和意義認識不足，學生的工程思維和創新能力培養遠遠不夠，嚴重影響學生學習后續課程的主動性和積極性。

（2）實驗教材存在的問題。近年來，我校與大多數高校一樣，都使用相同的實驗教材，實驗內容和操作過程變化不大。課堂上，實驗教材與教師講解同步進行。老師用手教，學生在混亂中學習。從準備實驗到課堂講解，教師花費了大量的時間和精力，但并沒有取得良好的教學效果。

（3）課堂時間安排上的問題。目前，《信號與系統》實驗課程理論課與實驗課差異較大，導致實驗課程內容不能擴充，時間少，任務重，學生在實驗中遇到的問題不能及時應對，削弱了學生探索實驗現象的意愿。

2 實驗教學改革措施

2.1 注重設計型、探索型、研究型綜合性實驗

在保證學生能夠通過基本驗證性實驗加深對理論教學中的重難點知識的理解、熟練掌握基本軟硬件仿真操作方法的基礎上，刪去部分內容陳舊、操作簡單、功能重復、缺乏自主性的單一驗證性實驗。加強實驗內容的開放性、探索性、研究性、綜合性，結合新時代背景，引入新技術和現代化實驗手段豐富實驗教學內容，進而建立起包含基礎性實驗、驗證性實驗、研究性實驗、探索設計性綜合實驗的由易到難、層次清晰、循序漸進、引人入勝、布局全面的實驗課程體系。

2.2 實施開放靈活的實驗教學模式，因材施教

（1）給予學生更多靈活性和自主性。針對不同層次的實驗，可以采取不同的授課模式。比如，針對基礎性和驗證性實驗，任課老師可以使用統一實驗內容，要求每位學生必須在課上獨立完成，確保學生掌握基本實驗操作、鞏固所學理論知識點；針對探索研究性和自主設計性實驗，給予學生充分的自由，在任課老師的引導下，學生可通過查閱相關文獻，掌握實驗課題相關領域的研究背景和現狀，獨立自主完成實驗內容設計和選材，也可組隊完成還可在任課老師以及其它專業老師的指導下完成，不限定學生的實驗時間，不要求其必須在課堂上完成。最終的實驗結果可以多種形式呈現，比如科技論文、創意作品、實驗報告、發明專利、軟件著作等，允許學生在研究探索性實驗中失敗。

（2）根據學生興趣愛好以及職業規劃不同，準備多套有針對性的實驗教學內容供學生選擇，定向培養學生的技能。例如：針對擬從事軟件開發的學生，實驗內容應側重軟件編程能力的訓練；針對擬從事硬件開發的學生，實驗內容則更多側重于硬件電路的設計與連接；針對計劃考研深造的學生，實驗內容應偏向理論模型的仿真與驗證；針對畢業后從事專業相關工作的學生，實驗內容主要關注行業前沿技術手段，實現學生從課堂到職場無縫銜接。

（3）根據學生的專業不同，采用多目標培養模式。例如：針對計算機專業的學生，盡量督促他們學會利用計算機軟件等所學專業知識來處理實驗數據；針對自動換專業的學生，盡量要求他們從系統控制的角度思考問題，用控制理論方法解決問題等等。

2.3 優化實驗課程考核方式

注重對學生實驗過程的考核，實行科學精準的課程考核評價體系。為了精確、真實且公平的反映學生的實驗課程學習目標達成度，應該重點考核學生的靈活運用所學理論知識的能力、動手能力、創新能力、分析問題解決問題能力等方面，不再只以學生出勤率作為唯一考核標準，設置平時分環節，對于課前準備充分，在平時實驗過程中積極思考、提問、實驗完成情況較好、動手能力強且能夠獨立分析和解決實驗過程中出現的問題，課后實驗報告書寫質量較高的學生給出高分。

實施多元化成績考核模式。針對不同層次的實驗，使用不同的考核標準。針對自主設計型或研究型實驗，不再以實驗報告作為唯一考核依據，取而代之的可以是小論文、實物展示或者視頻展示。而其考核重點則為實驗設計內容的完整性、實驗設計方案的可行性、實驗結果的可靠性以及理論分析的準確性等。

3 結束語

高校實驗教學改革勢在必行。本文從成都大學《信號與系統》教學實際出發，結合多年教學經驗對實驗課程提出了改革，強化了教學內容和手段，促進了教學質量和能力的培養，提高了實驗教學水平。實驗教學效率和質量的提升將會對培養學生的實踐能力、創新意識和創新能力起到非常重要的作用。