基于MATLAB的信號與系統(tǒng)課程的教學研究

王曉宇 楊永輝 齊艷

【摘要】為了改進《信號與系統(tǒng)》課程的教學方法，利用MATLAB軟件的信號處理與圖形處理功能，將抽象的理論可視化，簡單化，并引入具體的教學實例進行分析探討，提高學生的積極性和興趣。另外，傳統(tǒng)實驗教學方法存在弊端，將MATLAB引入實驗教學中，完善了實驗教學體系的改革。實行教學改革后，使學生鞏固了理論知識，還加深了課程之間的聯(lián)系。

【關鍵詞】信號與系統(tǒng);MATLAB;案例;實驗改革

Research on the Teaching of Signals and Systems based on MATLAB

Wang Xiao-yu，Yang Yong-hui，Qi Yan

（School of Electronic and Information Engineering，Liaoning University of Science and Technology，Anshan 114044，China）

Abstract：For the signal and graphics processing capabilities，MATLAB is used to improve the teaching of“Signals and Systems”.The abstract theory can be visualized and be simplified.It can raise the students'enthusiasm and interest with the introduction of specific teaching cases.As the disadvantages of the traditional experimental teaching method，MATLAB is applied.It will improve the teaching reform of experiment.After the teaching reform，it can consolidate the theoretical knowledge，and deepen the relation between courses.

Keywords：Signals and systems;MATLAB;case;experiment reform

《信號與系統(tǒng)》是工科學生的專業(yè)必修課程，由于它的理論性較強，內容抽象，而且需要大量扎實的數(shù)學知識，是一門教師難講，學生難學的課程。為了讓學生在理論分析與實驗環(huán)節(jié)兩個方面的能力都有所提高，本文從教學方法、實驗環(huán)節(jié)兩方面進行了探討與研究。

在課堂上引入案例教學法，通過設置具體的教學案例，引導學生參與分析、討論，讓學生在具體的問題情景中積極思考、主動探索，培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的綜合能力，提高教與學的效果。另外，信號與系統(tǒng)和數(shù)字信號處理這兩門課程均有實驗環(huán)節(jié)，但因為傳統(tǒng)的實驗教學過程各自為政，從而造成兩者的實驗之間毫無關聯(lián)，實驗內容的安排沒能考慮到相關課程的前后銜接等問題。為了加強他們之間的聯(lián)系與銜接，在實驗教學方面引入了MATLAB仿真實驗，并提出信號類課程群的綜合性實驗，同時鼓勵學生自擬設計題目。培養(yǎng)了學生的工程實踐能力，強化了課程間的聯(lián)系。

一、以案例引導的課堂教學

學生在學習信號與系統(tǒng)過程中，既要理解抽象的定理，又要牢記各種變換的公式，還要完成大量習題的計算。因此學生普遍反映過于枯燥，難于理解。為了把抽象的原理可視化，具體化，給學生展現(xiàn)出生動，有趣的課堂教學，采用一種以案例為基礎的教學法，大量引入與課程相關的案例，化解教學難點，提高學生的興趣。

頻譜是信號與系統(tǒng)的一個難點，學生對它總是覺得太晦澀難懂，一頭霧水，產生畏懼心理。為了幫助學生建立時域頻域的對應關系，引入一個案例——觀察分析聲音信號的時域波形和頻譜。通過反復播放男生和女生的聲音，讓學生細心辨別他們之間時域的區(qū)別;利用MATLAB軟件，用演示程序來輔助案例教學，把聲音的頻譜形象地展示出來，再讓學生對頻譜圖仔細觀察，從圖中可以看出，男生的聲音頻率主要分布在200Hz～800Hz，振動頻率低;女生的聲音頻率主要分布在300Hz～1800Hz，振動頻率高。讓他們從直觀上領會頻譜的意義，了解信號時域和頻域的對應關系。

例如卷積積分，它是一種數(shù)學上的計算方法，可以通過這樣一個教學案例分析和討論。在聲學中，回聲可以用源聲與一個反映各種反射效應的函數(shù)的卷積表示，這樣就把卷積知識具體化。首先錄入一段音頻，然后通過MATLAB程序將聲音信號與經過反射的信號卷積，得到另一個音頻信號，通過聲音的區(qū)別讓學生理解卷積的一個含義。引入貼近學生生活的教學案例，不僅可以給學生親切感，同時清除了過多抽象的概念給學生造成的學習障礙。

圖1 聲音信號的時域波形和頻域圖

傳統(tǒng)的教學模式通常是獨立地講授一門課程，課程之間的聯(lián)系較少，通過教學案例能夠強化課程之間聯(lián)系。結合學生以前所學過的課程，例如模擬電子技術，分析單管放大電路的頻譜特性，分析方波通過單管放大電路系統(tǒng)產生失真的原因，有利于理解電路系統(tǒng)與信號之間的相互作用。這樣既能幫助學生理解現(xiàn)在所學課程的知識，同時也復習以前所學課程知識，達到整體優(yōu)化的教學效果。

二、課程群實踐教學

實驗教學是學生掌握理論知識的一個重要環(huán)節(jié)，尤其是對理工科的學生，是培養(yǎng)學生基本分析實踐和創(chuàng)新能力的最直接的一個環(huán)節(jié)，也是全面培養(yǎng)和提高學生綜合科學素養(yǎng)的重要方式。但是單門課程的實驗教學改革很難收到理想效果，因此構建合理的信號類課程實踐體系就非常必要。促進信號處理系列課程的實驗整合優(yōu)化，使信號處理課程成為一個有機整體，增強課程群的實驗體系建設，調整實驗課程比例，加強創(chuàng)新型、綜合性實驗，同時將各課程中的重疊部分內容進行合理銜接、自然過渡。實驗體系的建設實現(xiàn)了基本原理與工程應用的有機結合，軟件仿真與硬件實現(xiàn)的有機結合。

將課程群的實驗進行重新編排和設計，構建包括基礎實驗、綜合設計性實驗和研究創(chuàng)新性實驗等不同層次的科學的實驗教學體系，既與理論教學有機結合、統(tǒng)籌協(xié)調又相對獨立。信號與系統(tǒng)實驗編寫11個實驗，數(shù)字信號處理實驗編寫6個實驗，課程群綜合實驗編寫4個實驗，學生可以利用硬件實驗箱及MATLAB仿真軟件的有機結合完成實驗項目。為學生提供一個綜合仿真實驗平臺，學生可以結合所學的理論知識，自己設計實驗項目。充分調動了學生實驗興趣，同時注重實驗綜合能力的培養(yǎng)，使學生在各個環(huán)節(jié)中得到鍛煉。

三、課程考核方式的多元化

傳統(tǒng)的考核方式采用平時成績和期末考試成績相結合的方式。平時成績占該課程成績的30%，期末考試成績占該課程的70%。為了全面測定學生對課程的掌握程度，有效避免單一考核方式所帶來的弊端，改變原有的考核方式，減少期末考試所占的比例，增加上機考試部分。期末考試以考查學生對基本概念的掌握和對知識的綜合應用能力為主，占總成績的50%，這樣就避免了考試前突擊復習得高分的情況。實驗部分占總成績的20%，包括實驗報告，側重考察學生的動手能力，注重對過程及能力的考核，弱化對結果的評價，將過程評價和結果評價有機的結合。增加MATLAB上機實驗考試，以考核實踐能力為主，通過綜合題目考查學生的編程能力和信號與系統(tǒng)實踐應用能力，占總成績的20%。平時表現(xiàn)占總成績的10%，考核學生學習態(tài)度、學習過程和學習結果，包括作業(yè)提交、回答問題、上課出勤等方面。改變考核方式的單一化。

四、結束語

如何在有限的時間內將基本知識傳授給學生，提高學生的學習興趣，充分發(fā)揮學生學習的主觀能動性是值得認真研究的問題。案例教學法以一種以案例為基礎的教學法，教師根據(jù)課堂教學目標和教學內容的需要，通過設置具體教學案例，引導學生參與分析、討論、實踐等，讓學生在具體的問題情景中積極思考、主動探索，提高教與學的效果。增強課程群的實驗體系建設，調整實驗課程比例，綜合設計性實驗密切了課程之間的聯(lián)系，應用技能為主的思想得到更好的體現(xiàn)，有利于教學質量的提高。使學生在校學習的許多理論和社會實踐較緊密地進行聯(lián)系，進一步提高學生的科技創(chuàng)新、工程實踐等方面的能力，為應用型人才培養(yǎng)打下堅實的基礎。

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作者簡介：

王曉宇（1978—），女，碩士，研究方向：通信與信息系統(tǒng)。

楊永輝（1971—），男，博士研究生在讀，研究方向：信息與通信工程。

齊艷（1979—），女，碩士，研究方向：信息與通信工程。