基于Matlab GUI的“信號與系統(tǒng)”教、學(xué)一體化平臺研究與實(shí)現(xiàn)

饒偉

摘 要： 利用Matlab的圖形用戶界面（GUI）開發(fā)了一套“信號與系統(tǒng)”教、學(xué)一體化平臺。與其他采用類似方法制作的系統(tǒng)相比，該平臺不僅是讓學(xué)生直觀地得出仿真結(jié)果，更重要的是它能夠讓學(xué)生在操作的過程中思考結(jié)果產(chǎn)生的原因及方法，從而充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，實(shí)現(xiàn)教、學(xué)一體化。

關(guān)鍵詞： “信號與系統(tǒng)”教、學(xué)一體化平臺 Matlab GUI

1.引言

《信號與系統(tǒng)》是高校電子信息類專業(yè)的核心基礎(chǔ)課。由于Matlab軟件可以幫助完成數(shù)值計(jì)算、信號與系統(tǒng)分析，可更快速、準(zhǔn)確、形象、直觀地得到可視化計(jì)算機(jī)模擬與仿真，達(dá)到較好的教學(xué)效果[1][2]，因此將Matlab引入《信號與系統(tǒng)》課程的理論[3]-[5]和實(shí)踐[6]-[8]教學(xué)中，是近年來高?！缎盘柵c系統(tǒng)》教學(xué)改革的一種思路[9][10]。例如，在佐治亞理工大學(xué)、麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)伯克利分校等，Matlab已經(jīng)成為《信號與系統(tǒng)》的基本教學(xué)工具；在《信號與系統(tǒng)》國家級精品課程網(wǎng)站（西安電子科技大學(xué)、東南大學(xué)、北京交通大學(xué)等）及省級精品課程（清華大學(xué)、武漢大學(xué)、北京理工大學(xué)等）中，無一例外地出現(xiàn)基于Matlab軟件的《信號與系統(tǒng)》仿真實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)有的基于Matlab的“信號與系統(tǒng)”仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式大致分為兩種：一是基于Matlab源代碼形式；二是基于圖形用戶界面（GUI）形式，兩者都有缺陷。

1.1基于Matlab源代碼形式

早在2008年舉辦的“信號與系統(tǒng)國家精品課程培訓(xùn)”班級討論中，來自東南大學(xué)、上海大學(xué)及溫州大學(xué)等知名高校的數(shù)十位教授就對課程中Matlab的使用弊端進(jìn)行了討論，他們一致認(rèn)為：在使用Matlab進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)時，由于學(xué)生的積極性不高及對軟件工具的掌握情況不理想，很多需要學(xué)生獨(dú)立完成的實(shí)驗(yàn)無法正常進(jìn)行，最后往往會出現(xiàn)給出程序?qū)W生照抄，不給程序?qū)W生不會的情況。

1.2基于圖形用戶界面形式

為了解決上述基于Matlab源代碼的實(shí)驗(yàn)仿真中所存在的問題，近年來興起了一種利用Matlab圖形用戶界面（GUI）來開發(fā)設(shè)計(jì)的“信號與系統(tǒng)”仿真演示系統(tǒng)[7]，[11]，[12]。整個系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)主界面和單個實(shí)驗(yàn)界面組成，每個實(shí)驗(yàn)界面可以由用戶自行設(shè)置和修改實(shí)驗(yàn)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的動態(tài)顯示。但是，美中不足的是：學(xué)生在使用該系統(tǒng)時，只要一輸入數(shù)據(jù)和確定相應(yīng)參數(shù)后便立即得到正確的結(jié)果，而對于該結(jié)果是怎么來的卻完全不思考。

綜上所述，基于源代碼的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式讓學(xué)生負(fù)擔(dān)過重，而基于圖形用戶界面的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式又完全“解放”了學(xué)生。因此本文對現(xiàn)有的圖形用戶界面仿真進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，讓學(xué)生在操作環(huán)節(jié)思考得出正確結(jié)果的方法或步驟，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，從而實(shí)現(xiàn)教、學(xué)一體化。

2.信號與系統(tǒng)互動式教、學(xué)一體化平臺設(shè)計(jì)

2.1平臺總體設(shè)計(jì)步驟

圍繞信號與系統(tǒng)課程的主要內(nèi)容，進(jìn)行了基于Matlab圖形用戶界面的“信號與系統(tǒng)”教、學(xué)一體化平臺設(shè)計(jì)。總體設(shè)計(jì)步驟如下：

2.1.1對信號與系統(tǒng)知識點(diǎn)進(jìn)行甄選，確定應(yīng)該且適合用于該平臺的內(nèi)容。并對所選內(nèi)容的表現(xiàn)方式進(jìn)行分類：a.純演示型；b.用戶可自定義參數(shù)型；c.互動型。

2.1.2結(jié)合實(shí)驗(yàn)大綱要求確定能設(shè)計(jì)成實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。

2.1.3利用m語言編寫及調(diào)試單個程序。

2.1.4在單個程序基礎(chǔ)上，利用Matlab GUI設(shè)計(jì)圖形用戶界面，并編寫相應(yīng)的Callback函數(shù)。

2.1.5編寫每個用戶界面的“幫助”文檔，以及可用于實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。

2.1.6系統(tǒng)總體調(diào)試和完善。

2.2平臺所包含的內(nèi)容

利用Matlab GUI開發(fā)的“信號與系統(tǒng)”教、學(xué)一體化平臺包括七大模塊：（1）“信號生成與運(yùn)算”；（2）“系統(tǒng)時域分析”；（3）“頻域仿真分析”；（4）“復(fù)頻域仿真分析”；（5）“離散系統(tǒng)時域分析”；（6）“z域仿真分析”；（7）“狀態(tài)空間分析”。以上界面中均設(shè)有可調(diào)參數(shù)。

3.典型互動模塊設(shè)計(jì)

以“連續(xù)信號卷積”界面設(shè)計(jì)為例，介紹教、學(xué)一體化平臺設(shè)計(jì)的思想和方法。

利用“初始化”按鈕給出兩個將進(jìn)行卷積運(yùn)算的圖形信號。界面設(shè)計(jì)有5個單選按鈕分別為“變換”“平移”“反褶”“積分”“相乘”，利用Matlab的圖形顯示、相乘、積分等功能設(shè)計(jì)出上述5個單選按鈕對應(yīng)的圖形，但并不預(yù)先顯示出來。界面還有一個提示窗口，給出了信號卷積的定義式，并對接下的操作步驟的正確性做出判斷，如圖1所示。接下來操作者如果需要得到這兩個信號的卷積結(jié)果，就要依次選擇正確的步驟。當(dāng)步驟選擇正確時，相應(yīng)的圖形也就顯現(xiàn)出來，反之提示窗口會給出“錯誤，請重試！”的提示信息。此外，界面中還有一個紅色“幫助”按鈕，按下后界面將以序號的方式：（1），（2），……給出卷積計(jì)算的正確步驟，并顯示出所有步驟對應(yīng)的圖形，如圖2所示。

與輸入兩個信號后直接給出卷積結(jié)果的方式相比，通過該界面，操作者需要充分發(fā)揮主觀能動性，從而加深對該部分內(nèi)容的理解，鞏固甚至可以自學(xué)卷積計(jì)算的物理含義，實(shí)現(xiàn)了該部分內(nèi)容的教、學(xué)一體化。

4.結(jié)語

文章提出了基于Matlab GUI的“信號與系統(tǒng)”教、學(xué)一體化平臺。與現(xiàn)有類似的GUI界面相比，克服了確定輸入即得輸出的弊端，讓學(xué)生在使用的過程中不得不對相關(guān)知識點(diǎn)進(jìn)行復(fù)習(xí)或自學(xué)，從而充分發(fā)揮Matlab GUI在“信號與系統(tǒng)”課程中的優(yōu)勢。該平臺實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)、理論教學(xué)、自學(xué)的一體化，促進(jìn)學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解與掌握，從而增強(qiáng)教學(xué)效果，提高教學(xué)質(zhì)量。此外，該平臺的設(shè)計(jì)思想可以拓展至其他類似課程中，如《數(shù)字信號處理》等課程。

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江西省教育廳2012年度教學(xué)改革研究項(xiàng)目（JXJG-12-18-13）；江西省教育廳2011年度教學(xué)改革項(xiàng)目（JXJG-11-18-8）；南昌工程學(xué)院2012年度教學(xué)改革研究項(xiàng)目。