信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

郗艷華,李宗領(lǐng),張 輝

(1.咸陽(yáng)師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院,陜西咸陽(yáng) 712000;2.咸陽(yáng)師范學(xué)院教務(wù)處,陜西咸陽(yáng) 712000)

信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

郗艷華1,李宗領(lǐng)2,張 輝1

(1.咸陽(yáng)師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院,陜西咸陽(yáng) 712000;2.咸陽(yáng)師范學(xué)院教務(wù)處,陜西咸陽(yáng) 712000)

本文從實(shí)驗(yàn)教學(xué)和理論教學(xué)的關(guān)系、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等三個(gè)方面探討了信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課的改革,以幫助學(xué)生加深對(duì)理論的理解和掌握,培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新精神。

實(shí)驗(yàn)教學(xué);理論教學(xué);實(shí)驗(yàn)方法;實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

信號(hào)與系統(tǒng)課程是電子信息類專業(yè)重要的學(xué)科基礎(chǔ)課,在其課程體系中起著承上啟下的作用,也是學(xué)習(xí)數(shù)字信號(hào)處理等諸多后續(xù)課程的基礎(chǔ)。該課程理論性很強(qiáng),學(xué)生普遍感覺難學(xué)。因此,讓學(xué)生掌握好這門課程,除了加強(qiáng)理論課程教學(xué)外,實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的質(zhì)量也直接影響著該課程整體教學(xué)效果。所以,對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的探索與改革對(duì)于改善整個(gè)課程的教學(xué)效果,幫助學(xué)生加深對(duì)理論的理解和掌握,調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性以及培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新精神都有重要作用。

1 將實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)有機(jī)結(jié)合,以提高教學(xué)效果

1.1 依照課程理論體系,合理安排實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃

理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)各有側(cè)重,兩者相輔相成。因此如何將實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)合理地結(jié)合起來成為信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教改的重要目標(biāo)之一。傳統(tǒng)的信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)在教學(xué)內(nèi)容方面或教學(xué)順序可能會(huì)有一定的出入,這容易造成實(shí)驗(yàn)教學(xué)和理論教學(xué)脫節(jié),影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。因此我們對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)進(jìn)程進(jìn)行調(diào)整,保證其與理論課教學(xué)一致,這樣學(xué)生可以將理論課堂上抽象內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的感性認(rèn)識(shí)聯(lián)系起來進(jìn)行比較和思考,加深學(xué)生對(duì)于理論內(nèi)容的理解和掌握,提高學(xué)習(xí)效果。

1.2 將實(shí)驗(yàn)原理和理論教學(xué)相結(jié)合,調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的積極性

將實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有機(jī)插入理論教學(xué)中。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,學(xué)生只有在做實(shí)驗(yàn)時(shí)才會(huì)考慮有關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,而且由于實(shí)驗(yàn)時(shí)老師會(huì)給學(xué)生講解實(shí)驗(yàn)原理并進(jìn)行簡(jiǎn)單演示,然后學(xué)生才自己動(dòng)手做,這樣學(xué)生更容易忽視對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和目的的理解,更談不上對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的深刻理解和思考;而且會(huì)造成學(xué)生自己不動(dòng)腦筋,而只是模仿老師做實(shí)驗(yàn)的過程或只需根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書來完成實(shí)驗(yàn)。這樣學(xué)生只是被動(dòng)地完成任務(wù),并沒有主動(dòng)參與到實(shí)驗(yàn)中,嚴(yán)重影響了學(xué)生主動(dòng)參與實(shí)驗(yàn)的積極性,更不能有效地培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)思考問題和解決問題的能力。因此我們將與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的內(nèi)容有機(jī)地插入到理論課教學(xué)中并特別加以強(qiáng)調(diào),以引起學(xué)生的思考和重視。對(duì)于一些簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)直接在課堂上講解;對(duì)于一些稍微復(fù)雜的實(shí)驗(yàn),則將其理論難點(diǎn)以作業(yè)的形式布置給學(xué)生完成;對(duì)于大家普遍感覺困難的實(shí)驗(yàn),教師可以進(jìn)行簡(jiǎn)單講解。例如,在學(xué)習(xí)完傅利葉級(jí)數(shù)時(shí)留給學(xué)生的作業(yè)是完成周期性方波信號(hào)的分解,并分析其所含的頻率分量。這樣學(xué)生在做信號(hào)分解與合成實(shí)驗(yàn)時(shí),對(duì)于實(shí)驗(yàn)原理已經(jīng)很清楚,再做實(shí)驗(yàn)時(shí)就會(huì)有一種急切心理,想從實(shí)驗(yàn)中來觀察、判斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行分析和思考,這將會(huì)提高教學(xué)效率和學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。

2 充分發(fā)揮各種實(shí)驗(yàn)方法優(yōu)勢(shì),提高教學(xué)效果

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要目的是使學(xué)生鞏固所學(xué)知識(shí),鍛煉學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)分析問題和解決問題的能力,培養(yǎng)科研素質(zhì)和創(chuàng)新意識(shí)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,將軟件仿真實(shí)驗(yàn)與硬件實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合,充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)。

軟件仿真實(shí)驗(yàn)具有直觀、實(shí)時(shí)、逼真等特點(diǎn),學(xué)生利用Matlab軟件進(jìn)行仿真不僅對(duì)相關(guān)理論知識(shí)有了感性認(rèn)識(shí),而且加強(qiáng)對(duì)相關(guān)內(nèi)容的理解和鞏固。如連續(xù)系統(tǒng)中傅里葉變換的性質(zhì)比較抽象,是一個(gè)難點(diǎn)內(nèi)容,也是重點(diǎn)內(nèi)容,運(yùn)用Matlab軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單編程仿真,通過實(shí)際波形的觀察、比較和仿真,更容易理解該知識(shí)點(diǎn)。這種仿真實(shí)驗(yàn),有助于學(xué)生對(duì)本課程理論知識(shí)的理解和掌握,而且使學(xué)生掌握一些軟件工具的使用,這為后續(xù)的相關(guān)課程學(xué)習(xí)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

硬件實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生認(rèn)識(shí)到抽象的理論知識(shí)在現(xiàn)實(shí)中如何來實(shí)現(xiàn),同時(shí)通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析及解決硬件實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題,學(xué)生不僅可以加深對(duì)理論知識(shí)的理解和鞏固,而且在提高動(dòng)手能力的同時(shí),其分析問題和解決問題的能力也得到提高。例如通過信號(hào)分解和合成實(shí)驗(yàn),學(xué)生就會(huì)知道在理論中通過三角型傅立葉級(jí)數(shù)進(jìn)行周期信號(hào)分解,利用信號(hào)求和來實(shí)現(xiàn)信號(hào)合成,而硬件實(shí)驗(yàn)中是利用濾波器實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的分解,利用加法器來實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的合成;學(xué)生還會(huì)發(fā)現(xiàn)理論中方波信號(hào)只分解為其奇次諧波分量,而硬件實(shí)驗(yàn)測(cè)試中其偶次諧波分量并不為零,這兩者之間好像是矛盾的。但經(jīng)過分析、研究、討論后就會(huì)知道這是由于實(shí)際中濾波器的幅頻特性曲線的變化比較緩慢,其對(duì)其相鄰其奇次諧波分量并不會(huì)完全濾除,因此在偶次諧波濾波器中就會(huì)出現(xiàn)被衰減相鄰奇次諧波的合成波形。通過這個(gè)實(shí)驗(yàn),學(xué)生不僅深刻理解了有關(guān)傅立葉級(jí)數(shù)知識(shí),而且對(duì)于實(shí)際的濾波器有了感性的認(rèn)識(shí)。

在實(shí)際操作中,實(shí)驗(yàn)分為軟件仿真試驗(yàn)、硬件實(shí)驗(yàn)和軟硬件都做的實(shí)驗(yàn)。對(duì)于軟硬件都做實(shí)驗(yàn),要求學(xué)生在完成仿真實(shí)驗(yàn)后緊跟著進(jìn)行相應(yīng)的硬件實(shí)驗(yàn),而且在做完實(shí)驗(yàn)后分析其各自的特點(diǎn)及其區(qū)別。這樣可使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過程中,將理論知識(shí)、仿真結(jié)果與正在做的硬件實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題聯(lián)系起來進(jìn)行對(duì)比、分析,有利于提高學(xué)生動(dòng)手能力,同時(shí)其分析問題和解決問題的能力也得到提高。如采樣定理實(shí)驗(yàn)中,先讓學(xué)生利用Matlab提供的simulink,選擇模塊連成信號(hào)抽樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) (如圖1)。適當(dāng)?shù)剡x擇輸入信號(hào)、抽樣信號(hào)以及濾波器的參數(shù)后進(jìn)行仿真。通過雙擊各示波器,能看到輸入信號(hào)、抽樣信號(hào)、抽樣后的信號(hào)、濾波信號(hào)以及恢復(fù)信號(hào)的波形,學(xué)生對(duì)于采樣和恢復(fù)過程中信號(hào)的波形有了直觀的認(rèn)識(shí),有助于對(duì)采樣定理的理解和掌握。這樣學(xué)生做硬件實(shí)驗(yàn)時(shí)就會(huì)知道如何連接線路,如何進(jìn)行測(cè)試,判斷信號(hào)波形的正確與否,不會(huì)再出現(xiàn)以前只做硬件實(shí)驗(yàn)時(shí),信號(hào)波形已經(jīng)調(diào)試出來了,可學(xué)生并不認(rèn)識(shí)的情況。而且當(dāng)他們遇到困難時(shí)知道分析問題可能出現(xiàn)在哪些地方,然后想辦法解決。

圖1 信號(hào)采樣及恢復(fù)仿真框圖

通過這種虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?不僅加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解,而且提高了學(xué)生的實(shí)踐能力,調(diào)動(dòng)了他們的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。

3 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的改革,提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式比較單調(diào),幾乎都是對(duì)于基本原理進(jìn)行驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn),學(xué)生容易出現(xiàn)學(xué)習(xí)疲勞,影響學(xué)習(xí)效果。因此將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容調(diào)整為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),而且適當(dāng)增加綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)比例。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)?zāi)芗訌?qiáng)學(xué)生對(duì)于基本理論知識(shí)的學(xué)習(xí)、理解和掌握。如傅里葉變換的性質(zhì)、卷積計(jì)算、系統(tǒng)零極點(diǎn)與頻響等。而綜合性實(shí)驗(yàn)通常涉及多個(gè)知識(shí)點(diǎn),學(xué)生只有理解、掌握這些知識(shí)點(diǎn)才能順利完成實(shí)驗(yàn)。如采樣定理實(shí)驗(yàn)中會(huì)涉及帶限信號(hào)頻譜、周期性采樣信號(hào)頻譜、奈圭斯特頻率和有關(guān)濾波器的知識(shí),只有掌握了這些知識(shí),才能正確地選擇帶限輸入信號(hào)和采樣信號(hào)頻率,才能知道被采樣信號(hào)波形是怎樣的,恢復(fù)信號(hào)是否正確、是否與理論一致。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)會(huì)給定實(shí)驗(yàn)要求和實(shí)驗(yàn)條件,由學(xué)生根據(jù)已有理論知識(shí)先進(jìn)行分析、推導(dǎo),再給出實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)步驟及過程。一般來講,大部分學(xué)生害怕設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),認(rèn)為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)比較難。所以為了減小難度,增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)不能太復(fù)雜,要根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況調(diào)整難度。由于綜合、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的原理及有關(guān)的理論在課堂上講過后,會(huì)以作業(yè)的形式進(jìn)行相關(guān)練習(xí),所以學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)原理及有關(guān)內(nèi)容比較熟悉,這樣不管學(xué)生進(jìn)行編程仿真實(shí)驗(yàn)還是進(jìn)行硬件實(shí)驗(yàn)時(shí)都會(huì)有根據(jù)、有目的地去分析問題與解決問題。如,學(xué)完傅里葉變換后留給學(xué)生題目:圖2為抑制載波的雙邊帶幅度調(diào)制和解調(diào)系統(tǒng),要求自己選擇調(diào)制信號(hào)和載波信號(hào)以及濾波器,給出其理論推導(dǎo)過程并利用Matlab軟件編程繪出系統(tǒng)中信號(hào)時(shí)域、頻域圖形。這樣學(xué)生會(huì)根據(jù)所學(xué)理論內(nèi)容進(jìn)行理論分析 (課堂上已經(jīng)練習(xí)過),然后繪出s(t)、c(t)、x(t)、y(t)和s1(t)時(shí)域波形及其頻譜圖。通過這些波形觀察,學(xué)生會(huì)明白在時(shí)域中幅度調(diào)制是把調(diào)制信號(hào)加載在載波信號(hào)的幅度上,解調(diào)是從載波上取出調(diào)制信號(hào),而在頻域上調(diào)制就是把調(diào)制信號(hào)“搬出去”,解調(diào)就是把已調(diào)制信號(hào)“搬回來”。一般在理論推導(dǎo)過程中濾波器都是理想低通濾波器,但仿真中濾波器可以是巴特沃斯、切比雪夫?yàn)V波器等,所以要做好這個(gè)仿真實(shí)驗(yàn),對(duì)于實(shí)際中使用的濾波器及其特點(diǎn)要有一定的了解。為了減小難度,一般實(shí)驗(yàn)前會(huì)給出濾波器的種類?？梢娋C合和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)有利于培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思維能力和理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

圖2 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)框圖

另外在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇上注意與工程應(yīng)用結(jié)合,讓學(xué)生通過自己實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐,去體驗(yàn)應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決問題的過程,以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。如信號(hào)處理的應(yīng)用中語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析,學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中不僅可以通過圖形觀察語(yǔ)音信號(hào)頻譜的變化,同時(shí)還可以通過聽來感受語(yǔ)音信號(hào)的變化,從而加深對(duì)頻譜、濾波概念的理解。

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐證明,對(duì)該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)方式和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行改革,可以提高學(xué)生對(duì)這門課程的學(xué)習(xí)興趣,幫助學(xué)生加深對(duì)基本理論的理解和掌握,培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)能力。但是如何合理地處理本課程實(shí)驗(yàn)與數(shù)字信號(hào)處理課程實(shí)驗(yàn)銜接等仍是有待研究的課題。

[1]張尤賽,馬國(guó)軍,黃煒嘉.信號(hào)與系統(tǒng)Matlab實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010(18):57-59.

[2]陳多瑜.信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的思考與探索[J].科教文匯,2009(11):38-39.

[3]肖志紅.信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備,2009(17):76-77.

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[7]吳大正,楊林耀,等.信號(hào)與線性系統(tǒng)分析[M].4版.北京:高等教育出版社,2005.

Discussion on the Teaching of Signals and Systems Experiment

XI Yan-hua1,LI Z ong-ling2,ZHANG Hui1
(1.School of Physics and Electronic Engineering,Xianyang Normal University,Xianyang 712000,China;2.Office of Educational Administration,Xianyang Normal University,Xianyang 712000,China)

From the aspects of the relation between experimental teaching and theoretical teaching,experimental methods and experimental content,this paper discusses the reformof Signals and Systems Experiment course,in order to help students get a better grasp of the courseπs theory and improve their practical abilities and innovation spirits.

experimental teaching;theoretical teaching;experimental methods;experimental content

G642

A

1008-178X(2011)03-0145-03

2011-03-12

咸陽(yáng)師范學(xué)院校級(jí)教改項(xiàng)目 (200802005);咸陽(yáng)師范學(xué)院校級(jí)精品課程項(xiàng)目。

郗艷華 (1974-),女,陜西蒲城人,咸陽(yáng)師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院講師,碩士研究生,從事信號(hào)處理和電子技術(shù)研究。