MATLAB軟件在《信號與系統(tǒng)》課程實踐中的應(yīng)用

肖林　張永勝

【摘 要】美國20世紀(jì)80年代中期推出的數(shù)學(xué)軟件MATLAB，具有強大的數(shù)值計算能力和卓越的數(shù)據(jù)可視化能力，可以提供與矩陣有關(guān)的強大的數(shù)據(jù)處理和圖形處理功能， 是科學(xué)分析和科學(xué)計算領(lǐng)域最優(yōu)秀的應(yīng)用軟件之一。鑒于《信號與系統(tǒng)》這門課程傳統(tǒng)“黑板式”教學(xué)存在的理論計算繁瑣、信號及系統(tǒng)分析時圖像較多甚為抽象難以理解等弊端，不妨在《信號與系統(tǒng)》課程教學(xué)的各個環(huán)節(jié)中引入MATLAB軟件，教學(xué)成果有效地驗證了MATLAB軟件在《信號與系統(tǒng)》課程教學(xué)中的真實有效性以及優(yōu)越性。

【關(guān)鍵詞】MATLAB；信號與系統(tǒng)；課程教學(xué)改革

0 引言

《信號與系統(tǒng)》課程是通信工程電子信息工程等專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，然而，在傳統(tǒng)的黑板式教學(xué)過程中，我們不難發(fā)現(xiàn)學(xué)生普遍覺得該課程較為抽象學(xué)習(xí)起來難以理解。聯(lián)系到該課程傳統(tǒng)教學(xué)的模式，結(jié)合《信號與系統(tǒng)》這一課程較為抽象的特點，深入改革與實踐后，不難發(fā)現(xiàn)，將MATLAB軟件靈活地運用到《信號與系統(tǒng)》課程的各個教學(xué)環(huán)節(jié)，能明顯地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情、活躍學(xué)生學(xué)習(xí)氣氛以及提高該課程的教學(xué)效果。

1 傳統(tǒng)教學(xué)模式下《信號與系統(tǒng)》教學(xué)現(xiàn)狀

在過去很長的一段時間里面，《信號與系統(tǒng)》課程都是采用傳統(tǒng)的“黑板式”教學(xué)。一般情況下，學(xué)校給《信號與系統(tǒng)》課程安排的教學(xué)課時都相對較少，巧婦難為無米之炊，在一定程度上教師要在這有限的時間內(nèi)清晰透徹地將每個晦澀難懂的知識點講得讓大家都聽得懂非常困難，由于《信號與系統(tǒng)》這門課程公式定理推導(dǎo)步驟繁瑣、理論內(nèi)容十分豐富、概念較為抽象難懂，與此同時教師又不得不推進(jìn)教學(xué)進(jìn)度，在這雙重壓力下很多時候傳統(tǒng)式教室上課情況表現(xiàn)為教師在講臺上手持書本講課滔滔不絕，學(xué)生注視老師手捏鋼筆愁眉苦臉，更有甚者覺得反正左右都是聽不懂不如干脆加入“低頭族”隊伍若無其事玩手機。這種傳統(tǒng)“黑板式”教學(xué)在一定程度上可能會挫傷部分學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)熱情。在這種情況下，不妨在《信號與系統(tǒng)》的教學(xué)上引入MATLAB軟件。

2 MATLAB軟件的優(yōu)越性

MATLAB軟件是1984年美國推出的數(shù)據(jù)分析及圖形處理軟件。首先，該軟件采用非常接近人們書寫思維的直譯式編程和編譯系統(tǒng)，學(xué)生基本上都有C語言的基礎(chǔ)，因此，對于一般高校學(xué)生來說，MATLAB軟件操作簡便，具有引入到《信號與系統(tǒng)》課程教學(xué)的可行性。其次，MATLAB軟件可以用來解答一些線性方程組以及一些矩陣變換，比如傅里葉變換、拉普拉斯變換等。再者，MATLAB所具有強大的數(shù)據(jù)分析處理能力，在《信號與系統(tǒng)》課程教學(xué)中可以將艱深晦澀的理論可視化，更加便于學(xué)生洞悉其原理以及加深其記憶。

3 基于MATLAB軟件的《信號與系統(tǒng)》教學(xué)

在這一節(jié)中，我們將具體闡述如何將MATLAB運用到《信號與系統(tǒng)》課程的各個環(huán)節(jié)。

3.1 將MATLAB引入課堂理論教學(xué)

MATLAB是一個實用性非常強并且運用非常廣泛的的軟件，將MATLAB仿真軟件引入《信號與系統(tǒng)》課程教學(xué)近些年正逐漸呈現(xiàn)為一種趨勢。上課時，在課本與多媒體投影儀相結(jié)合之于，不妨再加入MATLAB軟件。無論是連續(xù)時間系統(tǒng)還是離散時間系統(tǒng)的知識體系，MATLAB軟件都可以把復(fù)雜的公式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為通熟易懂的圖像。比如周期矩形信號的頻譜，教材中給出的插圖僅僅是頻譜的局部，不利于學(xué)生對該波形整體的認(rèn)識和理解。而倘若運用將MATLAB仿真軟件來對周期矩形信號進(jìn)行模擬仿真的話，學(xué)生就可以看到多個周期，山重水復(fù)凝無路，柳暗花明又一村。這樣一來學(xué)生能夠更加加深對該頻譜的整體的認(rèn)識和理解，又如對三角脈沖信號波形及頻譜的分析，假如教師僅僅是用口述去描繪以及黑板來板書，相信很多學(xué)生對于三角脈沖信號的波形及頻譜的認(rèn)識就是是云里霧里，根本談不上分析。倘若教師在講臺上演示如何通過使用MATLAB來分析三角脈沖波形信號及頻譜，相信這樣可以更加便于學(xué)生加深對該波形及頻譜的理解及分析。同時，也可以帶動大家去思考討論活躍課堂氣氛，同時提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極主動性以及引導(dǎo)學(xué)生自己動手運用MATLAB軟件進(jìn)行實際的上機操作。

3.2 將MATLAB引入實驗操作教學(xué)

不少IT類專業(yè)都獨立開設(shè)了MATLAB這門課程，將MATLAB引入到《信號與系統(tǒng)》課程的實驗操作教學(xué)，一方面為MATLAB這門課程提供了實踐的平臺，海闊憑魚躍，天高任鳥飛。另一方面在《信號與系統(tǒng)》課程的實驗教學(xué)當(dāng)中使MATLAB軟件與實驗箱這一硬件相結(jié)合。實驗課時，我們可以在教學(xué)實驗大綱的指導(dǎo)下根據(jù)各個實驗的特點來選擇每一個實驗是用實驗箱還是用MATLAB軟件來操作才能使實驗效果更加美好，或者M(jìn)ATLAB軟件與實驗箱取長補短相結(jié)合。這樣一來學(xué)生通過軟硬結(jié)合的實驗設(shè)施可以提高效率得到更加直觀、形象、精確的實驗結(jié)果來驗證實驗的理論數(shù)據(jù)。比如單位階躍信號的拉普拉斯變換，如果用實驗箱的話，可能只是得到一個二維的平面振幅頻譜曲線圖，而如果使用MATLAB仿真軟件的高超的數(shù)據(jù)處理及繪圖能力，那么，就可以得到一個三維的立體曲面圖像，這樣可以更加便于學(xué)生對知識的理解和接受。

3.3 將MATLAB引入《信號與系統(tǒng)》課程設(shè)計

在常規(guī)的課堂理論教學(xué)與實驗實踐操作教學(xué)之余，不妨再布置《信號與系統(tǒng)》課程設(shè)計。課程設(shè)計無疑是《信號與系統(tǒng)》課程的一個非常不錯的實踐平臺。一方面，學(xué)生通過參與課程設(shè)計可以加深對所學(xué)知識的印象鞏固所學(xué)知識，使所學(xué)知識有更深的體會和運用。另一方面，理論與實踐相結(jié)合，可以鍛煉學(xué)生接受新事物的能力和培養(yǎng)創(chuàng)造力。

4 結(jié)束語

回首《信號與系統(tǒng)》課程的教學(xué)歷史，長期以來大量學(xué)生在繁雜的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)中苦苦掙扎而忽略了分析問題的基本方法的思考與理解，本文立足于傳統(tǒng)教學(xué)模式下的《信號與系統(tǒng)》課程教學(xué)背景，分析了MATLAB仿真軟件的各個特點，將MATLAB仿真軟件引入到《信號與系統(tǒng)》的教學(xué)中去，理論與實踐相結(jié)合，充分發(fā)揮利用了MATLAB仿真軟件的各項優(yōu)勢，能使學(xué)生更好地理解該課程的相關(guān)知識，既能使學(xué)生從繁瑣的數(shù)字計算中解脫開來，又能使學(xué)生透徹地理解所學(xué)知識，同時更加注重于分析方法的學(xué)習(xí)，在一定程度上提高了《信號與系統(tǒng)》的學(xué)習(xí)效率，增加了對該課程的學(xué)習(xí)積極性。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]