“信號(hào)與系統(tǒng)”多媒體課件設(shè)計(jì)

吳 駿，曾華英，韓曉軍，徐秀知

(天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，天津300387)

“信號(hào)與系統(tǒng)”課程是電子信息與通信類專業(yè)本科生的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。該課程的特點(diǎn)是理論難度大，相對(duì)于其它課程來(lái)說(shuō)比較抽象，涉及到相當(dāng)多的數(shù)學(xué)知識(shí)和數(shù)學(xué)公式。課程涉及LTI 系統(tǒng)時(shí)間域與變換域相關(guān)理論問(wèn)題，需要用到積分變換和電路理論等基礎(chǔ)知識(shí)。同時(shí)教材上有大量的例題和習(xí)題，學(xué)生消化吸收難度較大。在“信號(hào)與系統(tǒng)”的教學(xué)中過(guò)多地進(jìn)行教學(xué)推導(dǎo)與分析，教師講解費(fèi)時(shí)費(fèi)力，學(xué)生學(xué)習(xí)效果不佳。

我院“信號(hào)與系統(tǒng)”課程組在分析多媒體課件設(shè)計(jì)的一般性要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合本課程的特點(diǎn)及教學(xué)現(xiàn)狀，提出了本課程多媒體設(shè)計(jì)的特殊性要求。我們根據(jù)這些要求，基于Flash 和Matlab 設(shè)計(jì)制作了多媒體課件，對(duì)傳統(tǒng)的“信號(hào)與系統(tǒng)”教學(xué)環(huán)節(jié)起到了補(bǔ)充和輔助作用。

1 “信號(hào)與系統(tǒng)”課件設(shè)計(jì)

多媒體課件是根據(jù)教學(xué)大綱的要求和教學(xué)的需要，以多種媒體的表現(xiàn)方式和超文本結(jié)構(gòu)制作而成的課程軟件［1］。多媒體課件設(shè)計(jì)和制作過(guò)程中的共性要求包括:①選擇合適的學(xué)習(xí)理論，保證課件的科學(xué)性;②選擇合適的媒體類型;③合理設(shè)計(jì)課件結(jié)構(gòu);④設(shè)計(jì)美觀，便于瀏覽的界面。

當(dāng)設(shè)計(jì)和制作“信號(hào)與系統(tǒng)”課程的多媒體課件時(shí)，我們既要把握多媒體的特征和學(xué)生的接受能力，又要探究本課程教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)，要將多媒體課件設(shè)計(jì)的共性要求具體化。同時(shí)，我們要考慮以下幾點(diǎn)特殊性要求。

(1)教師在設(shè)計(jì)和制作該課件時(shí)，要綜合考慮授課內(nèi)容的特點(diǎn)、學(xué)生的接受能力和教學(xué)時(shí)數(shù)等因素，使課件的結(jié)構(gòu)有合適的學(xué)習(xí)理論作指導(dǎo)，使課件的每一屏都彰顯出學(xué)習(xí)理論的光輝。

(2)多媒體教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)各有其優(yōu)點(diǎn)，在教學(xué)中應(yīng)堅(jiān)持與傳統(tǒng)教學(xué)手段相結(jié)合?！靶盘?hào)與系統(tǒng)”課程中公式和理論推導(dǎo)很多，各種波形和變換復(fù)雜，傳統(tǒng)的板書教學(xué)在性質(zhì)推導(dǎo)和習(xí)題解答等環(huán)節(jié)較為適用，而對(duì)于較復(fù)雜的圖形變化展示，多媒體教學(xué)則更有優(yōu)勢(shì)。

(3)在課件中使用Flash 和Matlab 軟件，可以制作形象和富有感染力的動(dòng)畫畫面，學(xué)生以多種感官參與課程內(nèi)容對(duì)所學(xué)知識(shí)的展示。導(dǎo)入的按鈕觸動(dòng)聲、背景音樂以及教學(xué)旁白等聲音材料，可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的交互和學(xué)習(xí)內(nèi)容的交互。

2 “信號(hào)與系統(tǒng)”課件特點(diǎn)

(1)結(jié)構(gòu)合理—課件每頁(yè)上方均標(biāo)注了本頁(yè)課件對(duì)應(yīng)的章節(jié)和知識(shí)點(diǎn)，使得學(xué)生能夠理清知識(shí)線索，緊跟教師的教學(xué)進(jìn)程，也便于課下復(fù)習(xí)。

(2)生動(dòng)形象—課程組利用Flash 制作了動(dòng)畫［3］，用于在多媒體課件中演示“信號(hào)與系統(tǒng)”課程中的基本概念、基本運(yùn)算的講解和教學(xué)案例。對(duì)于比較抽象的內(nèi)容，盡量采用圖表和動(dòng)畫形式。例如，我們?cè)谥v解“連續(xù)系統(tǒng)的時(shí)域分析”中零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)的概念、起始狀態(tài)和初始條件間的關(guān)系時(shí)，采用圖示方法(圖1)。在講解“卷積積分”的圖解法時(shí)，設(shè)計(jì)制作了Flash 動(dòng)畫進(jìn)行演示(圖2)。該動(dòng)畫上方給出兩個(gè)連續(xù)信號(hào)P(τ)和P(t －τ)的波形，下方給出P(τ)和P(t－τ)相乘后進(jìn)行積分的結(jié)果，即P(t)和自身進(jìn)行卷積積分的結(jié)果。動(dòng)畫演示過(guò)程中，P(τ)保持不動(dòng)，P(t－τ)隨著t 的增大由左向右移動(dòng)，在此過(guò)程中下方同步繪制出卷積積分結(jié)果的波形。畫面中間的按鈕可以控制演示進(jìn)程，非常適合于課堂教學(xué)的演示。

圖1 零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)圖示

圖2 卷積積分的Flash 動(dòng)畫

(3)具有交互性—課程組利用Matlab 的信號(hào)處理工具箱和可視化的圖形用戶界面GUI 工具［4，5］，在多媒體課件中實(shí)現(xiàn)了交互式教學(xué)。本課件可以實(shí)現(xiàn)在“信號(hào)與系統(tǒng)”中經(jīng)常用到的幾種信號(hào)的時(shí)域波形顯示，通過(guò)選擇下拉列表框的信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)指數(shù)信號(hào)、正弦信號(hào)、復(fù)指數(shù)信號(hào)、抽樣信號(hào)、周期方波信號(hào)、周期三角波信號(hào)和單位階躍信號(hào)等的顯示。用戶還可以通過(guò)對(duì)信號(hào)頻率和振幅等信號(hào)參數(shù)改變信號(hào)的形狀，同時(shí)為了防止信號(hào)頻率偏高時(shí)信號(hào)過(guò)于集中而看不清信號(hào)波形，還特別添加了滾動(dòng)框。用戶可以對(duì)信號(hào)的時(shí)間軸進(jìn)行調(diào)整，抽樣信號(hào)顯示示例如圖3所示。

圖3 抽樣信號(hào)顯示

本課件還可以對(duì)門信號(hào)、單邊指數(shù)函數(shù)、雙邊指數(shù)函數(shù)、三角函數(shù)、抽樣函數(shù)、抽樣函數(shù)平方、階躍信號(hào)和單位沖激信號(hào)等的波形和頻域進(jìn)行觀察，了解信號(hào)的時(shí)域和頻域關(guān)系，并能實(shí)現(xiàn)傅里葉變換性質(zhì)的演示，加深學(xué)生對(duì)信號(hào)時(shí)域和頻域的認(rèn)識(shí)，傅里葉性質(zhì)的尺度變換特性示例如圖4所示。

圖4 傅里葉性質(zhì)的尺度變換特性

本課件還可實(shí)現(xiàn)周期方波信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)展開式前N 項(xiàng)的信號(hào)顯示，可以對(duì)方波信號(hào)的幅度、周期和前N 項(xiàng)進(jìn)行設(shè)定，并能對(duì)其進(jìn)行頻譜分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)周期矩形脈沖信號(hào)頻譜與信號(hào)脈沖寬度、周期T 之間的關(guān)系的觀察。周期方波信號(hào)傅里葉級(jí)數(shù)前20 項(xiàng)展開顯示示例如圖5所示。

3 結(jié)語(yǔ)

本文分析了多媒體課件設(shè)計(jì)的一般性要求，針對(duì)“信號(hào)與系統(tǒng)”課程的特點(diǎn)，結(jié)合教學(xué)現(xiàn)狀，提出了本課程多媒體課件的設(shè)計(jì)要求，并且基于Flash和Matlab 設(shè)計(jì)制作了“信號(hào)與系統(tǒng)”多媒體教學(xué)課件。該課件利用Flash 動(dòng)畫演示基本概念、基本運(yùn)算的講解和教學(xué)案例，解析難點(diǎn);利用Matlab 的信號(hào)處理工具箱和可視化的圖形用戶界面GUI 工具，實(shí)現(xiàn)交互式教學(xué)。該課件優(yōu)化了課程的教學(xué)過(guò)程，有效提高了教學(xué)質(zhì)量，受到了廣大學(xué)生的好評(píng)，并在第十一屆全國(guó)多媒體課件大賽中獲得了三等獎(jiǎng)。

圖5 周期方波信號(hào)傅里葉級(jí)數(shù)前20 項(xiàng)展開

［1］ 劉鳳春，陳希有，李冠林. 多媒體課件的制作技巧及相關(guān)思考［J］. 南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，32(2):97-100.

［2］ 王瑞.淺談在課堂教學(xué)中如何提高學(xué)生的抽象思維能力［J］.南寧:東南亞縱橫，2003，3:. 75-76.

［3］ 張金區(qū). 多媒體交互式課件中關(guān)鍵的Flash 技術(shù)與方法［J］.北京:計(jì)算機(jī)教育，2008，14:94，102-103.

［4］ 侯其立，徐科軍. 從Matlab 仿真到DSP 實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理算法［J］. 南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34(2):92-94.

［5］ 韓曉軍，吳駿. 信號(hào)與系統(tǒng)教學(xué)改革的優(yōu)化與實(shí)踐［J］. 天津:天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(增刊)，2010，6:88-90.