基于Matlab的《信號與系統(tǒng)》課程教學(xué)改革

何海浪　林峰　黃乘順

摘要：《信號與系統(tǒng)》是一門抽象且難學(xué)的課程，現(xiàn)階段的教學(xué)方法已經(jīng)無法滿足學(xué)生全面發(fā)展的需要，Matlab有助于提升學(xué)生對《信號與系統(tǒng)》這門課程的理解，從而提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)知識運(yùn)用能力。文章闡釋了Matlab對《信號與系統(tǒng)》課程傳統(tǒng)的教學(xué)方式產(chǎn)生的主要影響，《信號與系統(tǒng)》這門課程的教學(xué)方式和教學(xué)手段的改革創(chuàng)新以及Matlab在《信號與系統(tǒng)》課程教學(xué)中的運(yùn)用等。

關(guān)鍵詞：Matlab；信號與系統(tǒng)；課程教學(xué)與改革

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）31-0119-02

《信號與系統(tǒng)》這門課程是通信與信息類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，這門課程里面的分析方法被普遍運(yùn)用于信號處理領(lǐng)域，其理論較強(qiáng)，涉及的范圍較廣，實際運(yùn)用較強(qiáng)，該課程的教學(xué)質(zhì)量情況占據(jù)著至關(guān)重要的地位。《信號與系統(tǒng)》這門課程多為抽象的概念，學(xué)生對這些概念的掌握很困難，這就需要實行切實可行的辦法解決這些困難，Matlab可以對相應(yīng)的概念進(jìn)行可視化，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)的效率，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

一、Matlab對《信號與系統(tǒng)》課程傳統(tǒng)的教學(xué)方式的作用

隨著信息技術(shù)時代的到來，傳統(tǒng)的板書教學(xué)辦法已經(jīng)無法滿足現(xiàn)階段學(xué)生學(xué)習(xí)的需求了，手工推算練習(xí)雖然在一定程度上可以訓(xùn)練學(xué)生的計算能力以及思維方式，但是，面對實際運(yùn)用性強(qiáng)的學(xué)習(xí)內(nèi)容還是沒有辦法親自動手操作、解析，從而極大地影響了學(xué)生對于學(xué)習(xí)知識的相關(guān)利用和了解，這就限制了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性以及創(chuàng)新性，無法培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，無法促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。Matlab已經(jīng)成為現(xiàn)階段使用最為廣泛的科學(xué)計算軟件，教師利用Matlab對于《信號與系統(tǒng)》這門課程的使用，使學(xué)生更加關(guān)注《信號與系統(tǒng)》最基礎(chǔ)的分析辦法以及如何應(yīng)用，這就把課程中的重點(diǎn)以及難點(diǎn)問題用Matlab進(jìn)行最直接的計算機(jī)模擬，從而更深一步地加強(qiáng)了學(xué)生對《信號與系統(tǒng)》這門課程的基本辦法以及如何運(yùn)用的了解。

二、《信號與系統(tǒng)》課程的教學(xué)方式和教學(xué)手段的改革創(chuàng)新

現(xiàn)階段，在《信號與系統(tǒng)》這門課程的教學(xué)過程中存在著很多的問題與不足，例如，教師在進(jìn)行課堂講解時注重知識的講解，這樣在一定的程度上能夠促進(jìn)學(xué)生掌握更加系統(tǒng)化的知識，以及教師能夠很好地掌握教學(xué)的速度，但是在一定的程度上也阻礙了學(xué)生主觀積極性的發(fā)揮，妨礙了學(xué)生進(jìn)一步的學(xué)習(xí)，這就需要對教師關(guān)于《信號與系統(tǒng)》這門課程的課堂教學(xué)方式和教學(xué)手段進(jìn)行改革與創(chuàng)新。

課堂教學(xué)方面主要是從三個層次入手，第一個層次是找尋重點(diǎn)，將難點(diǎn)生動化。教師進(jìn)行講解時，可以利用多媒體進(jìn)行講解，將難以理解的內(nèi)容，利用聲音動畫的形式進(jìn)行講解，這樣可以將重點(diǎn)以及難點(diǎn)進(jìn)行很好地講解，既進(jìn)行了有效的教學(xué)，同時還抓住了學(xué)生的焦點(diǎn)，但是也不可以沒有限制地使用，這樣教師可能對其產(chǎn)生依賴，學(xué)生也會感到厭煩，因而要合理、適度地使用多媒體進(jìn)行教學(xué)。第二個層次是教師講解課程的思路應(yīng)該具有連貫性。對待課程的不同變換區(qū)域進(jìn)行講解時，也應(yīng)該依照固有的順序講解信號以及性質(zhì)，最終利用系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行課程的講解，使得學(xué)生可以將章節(jié)進(jìn)行串聯(lián)，形成一個固定的整體，而不是將知識分散開來。第三個層次是理論與實踐之間的相互結(jié)合，《信號與系統(tǒng)》這門課程的教學(xué)過程中，教師將理論知識與實踐進(jìn)行結(jié)合的最好方式就是使用Matlab，將Matlab引入到教學(xué)方法中，這樣就可以對枯燥的《信號與系統(tǒng)》課程進(jìn)行生動形象地講解，從而提升教師教學(xué)的成果。

三、Matlab在《信號與系統(tǒng)》課程中的應(yīng)用情況

教師在教學(xué)上，借助Matlab進(jìn)行教學(xué)，能夠得到更好的成效，從而提升教師教學(xué)的質(zhì)量，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。Matlab在《信號與系統(tǒng)》課程中的應(yīng)用主要是在信號分析與處理中的應(yīng)用，信號分解與合成中的應(yīng)用，信號采樣與恢復(fù)中的應(yīng)用等方面。

（一）Matlab在信號分析與處理中的應(yīng)用

Matlab被廣泛地應(yīng)用于信號分析與處理中。首先，是信號的運(yùn)算方面。利用Matlab能夠?qū)崿F(xiàn)乘法、加法、平移以及微積分等方面的基礎(chǔ)運(yùn)算，當(dāng)然，相對來說比較復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算中也可以使用Matlab，例如，卷積運(yùn)算，如若只是在黑板上面進(jìn)行講解，學(xué)生們是無法理解與想象的。使用Matlab所提供的基礎(chǔ)函數(shù)，能夠使用簡便的編程對基礎(chǔ)計算的過程進(jìn)行解析，這樣也有益于學(xué)生們使用Matlab的仿真效果對基礎(chǔ)計算取得的結(jié)果進(jìn)行簡便的檢查。其次，是信號頻譜方面的分析。信號頻譜分析是指信號特征的關(guān)鍵性解析，信號頻譜分析能夠使用于全部的信號中，包含雷達(dá)信號、地震數(shù)據(jù)以及股票數(shù)據(jù)等多個方面。其有效的辦法是把信號發(fā)出源所發(fā)出的信號強(qiáng)弱程度依照頻率的順序進(jìn)行展開，這樣就能夠變成頻率的函數(shù)，并且通過監(jiān)測頻率變化的規(guī)律，得到所需要的數(shù)據(jù)，在信號的分析與處理過程中占據(jù)著至關(guān)重要的位置。在使用信號頻譜分析進(jìn)行計算時，應(yīng)該把時間函數(shù)乘以以頻率為系數(shù)的指數(shù)函數(shù)之后，在負(fù)無限大到正無限大的這個區(qū)間里面，對時間進(jìn)行積分，從而得出與時間函數(shù)相對應(yīng)的信號頻譜函數(shù)，如果這樣計算的話，計算的過程既復(fù)雜，又很難讓學(xué)生理解。而Matlab關(guān)于信號頻譜的分析算法是基于FFT的辦法，例如，周期圖，基于特征值的辦法，例如，多信號的分類，以此計算和觀看信號的標(biāo)識方式、功率譜密度以及均方譜，這樣的辦法更加的直觀、方便和簡單。

（二）Matlab在信號分解與合成中的應(yīng)用

Matlab在信號分解與合成中被廣泛地應(yīng)用。在《信號與系統(tǒng)》課程中，往往會遇到較為抽象的概念，例如，任何非正弦周期信號，只要滿足狄里赫利的條件，就可以分解為流分量以及由基波及各次諧波分量的疊加。如果采用傳統(tǒng)的教學(xué)方式，讓學(xué)生去理解，這是比較難的，但是，利用Matlab就可以把抽象的概念給予形象化，這樣學(xué)生就能夠更加直觀、更加形象地知道此概念所表達(dá)的意思。

（三）Matlab在信號采樣與恢復(fù)中的應(yīng)用

Matlab在信號采樣與恢復(fù)中被廣泛地應(yīng)用。在采樣定理中，一個限制頻寬的不間斷的時間信號，擁有著最高的頻率，經(jīng)過一定間隔的采樣之后，只要采樣的頻率大于等于信號的最高頻率的兩倍，就可以在采樣的信號中恢復(fù)原來的信號。教師在對采樣定理進(jìn)行講解時，要想將采樣以及恢復(fù)的程序講解清晰的話就需要依托圖形的幫助，如果用黑板進(jìn)行板書繪圖講解的話，既浪費(fèi)教師的時間，也浪費(fèi)教師的力氣，而且最終呈現(xiàn)出來的成果也沒有辦法保障。因此，使用Matlab進(jìn)行圖形的繪制，一方面節(jié)省了時間，另一方面節(jié)省了力氣，而且更加的高效便捷。

四、結(jié)束語

Matlab是現(xiàn)階段使用最廣泛的科學(xué)計算軟件，在《信號與系統(tǒng)》這門課程中充分地利用該軟件，使得教師進(jìn)行教學(xué)時，一方面節(jié)省了時間，一方面提升了學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的效率，并且能夠在極大的程度上幫助學(xué)生，有益于激發(fā)學(xué)生對于《信號與系統(tǒng)》這門課程的興趣，有益于培養(yǎng)學(xué)生積極主動學(xué)習(xí)相關(guān)知識以及分析問題、解決問題的能力。Matlab通過由深到淺分析不同信號的不同特征，以及使用相關(guān)的公式進(jìn)行問題的解答，最終用圖形的方式表達(dá)出來，使得更多難以理解的概念可以直觀、簡單地看出，從而體現(xiàn)了《信號與系統(tǒng)》的高效便捷性。

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