《信號與系統(tǒng)》實驗教學(xué)改革與研究

劉麗杰 韓曉軍 吳駿 徐秀知

摘 要： 針對《信號與系統(tǒng)》課程理論難度大、抽象、不容易理解等特點，作者分析了一些實驗教學(xué)方法，包括加大綜合性設(shè)計性實驗比重、課外選修實驗和基于實驗箱和MATLAB的軟硬件結(jié)合的教學(xué)模式。實踐證明，這些方法有利于培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力和創(chuàng)新能力，提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞： 《信號與系統(tǒng)》 創(chuàng)新能力培養(yǎng) 選修實驗機(jī)制 實驗箱 MATLAB

《信號與系統(tǒng)》課程是電子信息與通信類專業(yè)本科生必修的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，在信息類專業(yè)課程體系中起著承上啟下的作用。該課程的特點是理論難度大，相對于其他課程來說比較抽象，涉及相當(dāng)多的數(shù)學(xué)知識和數(shù)學(xué)公式，老師講解費(fèi)時費(fèi)力，同時學(xué)生學(xué)習(xí)起來不容易接受，對一些基本理論、概念和公式一知半解?！缎盘柵c系統(tǒng)》實驗課開設(shè)的目的是使學(xué)生掌握《信號與系統(tǒng)》學(xué)科方面的基礎(chǔ)知識，掌握基本的實驗技能和實際動手能力，通過本課程的實踐，提高分析問題和解決問題的能力，使學(xué)生有信心也有能力逐步適應(yīng)本領(lǐng)域迅速發(fā)展的需要。結(jié)合多年的實踐教學(xué)經(jīng)驗，筆者提出了一些提高《信號與系統(tǒng)》實驗教學(xué)質(zhì)量的方法。

1.合理調(diào)整綜合性和設(shè)計性實驗的比重，注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

根據(jù)《信號與系統(tǒng)》實驗大綱的要求，目前實驗學(xué)時數(shù)是10學(xué)時，多數(shù)為基礎(chǔ)性、驗證性實驗。驗證性實驗過程相對簡單，大部分在實驗箱上完成，實驗電路已經(jīng)給出，學(xué)生只需根據(jù)實驗要求連線搭電路就可以。這樣造成學(xué)生機(jī)械地做實驗，實際操作能力和綜合分析問題的能力不能提高。教研室經(jīng)過多年的努力，大力改革調(diào)整實驗內(nèi)容，適當(dāng)增加綜合設(shè)計性實驗和創(chuàng)新性實驗的比重。綜合性實驗是指實驗內(nèi)容涉及本課程的綜合知識或與本課程相關(guān)課程知識的實驗。綜合設(shè)計性實驗的特點是，給定實驗?zāi)康囊蠛蛯嶒灄l件，由學(xué)生自行設(shè)計實驗方案并加以實現(xiàn)的實驗，實驗內(nèi)容涉及本課程的綜合知識或涉及本課程部分知識的實驗。這種實驗以學(xué)生為主體，充分調(diào)動學(xué)生的主動性、積極性和創(chuàng)造性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識，全面提高學(xué)生的創(chuàng)新實驗?zāi)芰Α?/p>

2.增加實驗項目數(shù)量，引入課外選修實驗機(jī)制。

由于學(xué)時有限，課內(nèi)必須完成的實驗學(xué)時數(shù)是10學(xué)時，有的理論知識點實驗不能涵蓋，學(xué)生理解起來有些困難。為了讓學(xué)生多動手、多思考，深刻理解理論知識，課題組又設(shè)計了10學(xué)時的課外實驗，讓學(xué)生在課外時間到實驗室做實驗。實驗室能開設(shè)的所有實驗都制作成電子版實驗講義，該講義包含詳細(xì)的實驗?zāi)康?、實驗要求、實驗?nèi)容和實驗條件等，學(xué)生可以自主選擇做哪幾個實驗。這些資源都掛在《信號與系統(tǒng)》校級精品課網(wǎng)站上，學(xué)生可以自行下載。

3.基于實驗箱和MATLAB的軟硬件結(jié)合的教學(xué)模式在信號與系統(tǒng)課程的實踐教學(xué)中的應(yīng)用。

常見的實驗教學(xué)方式主要有基于信號與系統(tǒng)實驗箱的硬件實驗教學(xué)和基于MATLAB軟件的仿真實驗教學(xué)。這兩個平臺的實驗教學(xué)各有優(yōu)缺點，硬件實驗箱可以使學(xué)生接觸到信號所依托的硬件電路，觀測到實際的物理信號。但存在信號調(diào)節(jié)范圍有限，對信號與系統(tǒng)的理論體現(xiàn)不直觀等不足。此外，實驗箱只能提供比較簡單的驗證性實驗，可開設(shè)的綜合性、設(shè)計性的實驗較少，難以滿足現(xiàn)有的教學(xué)需要。MATLAB及其提供的SIMULINK仿真軟件包是集數(shù)值計算、符號運(yùn)算及出色的圖形處理、程序語言設(shè)計等強(qiáng)大功能于一體的數(shù)學(xué)仿真軟件，具備高效、用圖像和動畫演示結(jié)果、動態(tài)仿真等特點[1]。盡管其他的高級編程語言如C++、Java正在用于教學(xué)中，但由于其具有圖形處理及可視化能力、簡單而寬松的編程方法、圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境、平臺的獨立性等特點，MATLAB仍然被廣泛地應(yīng)用于信號處理相關(guān)課程的教學(xué)中。在教學(xué)中引入MATLAB，有利于學(xué)生將所學(xué)到的理論知識轉(zhuǎn)化為算法實現(xiàn)，從而促進(jìn)學(xué)生積極主動地學(xué)習(xí)、實驗甚至創(chuàng)新。MATLAB包含信號處理工具箱等豐富的科學(xué)計算工具，還提供了可視化的圖形用戶界面GUI（Graphical UserInterface）環(huán)境，可以方便地創(chuàng)建交互式的操作界面，用戶通過設(shè)計窗口、菜單、按鈕、滑動條、文字說明等對象生成界面，可以利用鼠標(biāo)或鍵盤方便地操作。MATLA軟件能使繁雜的理論計算變得易于實現(xiàn)，結(jié)果能可視化，可以使得教學(xué)過程變得更清晰直觀；實驗方案和參數(shù)可以任意調(diào)節(jié)，彌補(bǔ)實驗箱教學(xué)的不足。如果全部用軟件平臺開展實驗教學(xué)則不利于學(xué)生從物理層面上對實際的信號系統(tǒng)進(jìn)行分析和理解。由此可見，采用單一平臺進(jìn)行實驗教學(xué)無法達(dá)到較好的實驗教學(xué)效果，所以課題組探討了一種“軟件+硬件”相結(jié)合的雙平臺實驗教學(xué)模式[2]。硬件平臺的教學(xué)內(nèi)容全部在實驗室完成，軟件平臺的實驗內(nèi)容可由學(xué)生在課余時間完成。在進(jìn)行硬件實驗前，學(xué)生需先編寫程序，完成仿真實驗，再將硬件實驗結(jié)果與仿真實驗結(jié)果進(jìn)行對比。采用這樣的雙平臺教學(xué)法，一方面可以加深對實驗知識點的理解，達(dá)到很好的實驗效果，另一方面可以培養(yǎng)學(xué)生解決問題及分析問題的能力。課堂教學(xué)效果表明，雙平臺結(jié)合的實驗教學(xué)法更直觀，更容易讓學(xué)生理解實驗內(nèi)容及原理，同時有助于調(diào)動學(xué)生的實驗積極性，提高學(xué)生的分析能力和創(chuàng)新能力。

此外，有一部分實驗單獨用MATLAB軟件完成，并且根據(jù)學(xué)生的具體情況、教學(xué)過程中遇到的具體問題，每年對實驗內(nèi)容進(jìn)行更新。

4.結(jié)語

本文探索的一些實驗教學(xué)方法能提高學(xué)生對理論的認(rèn)識，充分調(diào)動學(xué)生的求知欲望，激發(fā)學(xué)習(xí)《信號與系統(tǒng)》課程的興趣，充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力，提高教學(xué)質(zhì)量，受到任課教師和學(xué)生的一致好評。

參考文獻(xiàn)：

[1]甘俊英，胡異丁.基于MATLAB的信號與系統(tǒng)實驗指導(dǎo)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.8.

[2]陳英等.基于軟硬件結(jié)合的“雙平臺教學(xué)”在《信號與系統(tǒng)》課程實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].長沙大學(xué)學(xué)報，2012，26（2）：77-79.