信息類課程教學軟件平臺的設計

劉明君 史慧敏 王月新 遲碧清 荀艷琴

摘? 要：針對信息類課程存在教學內(nèi)容抽象、涉及數(shù)理方法較多、學習難度較大，以及傳統(tǒng)實驗教學主要是通過硬件實驗箱實現(xiàn)、內(nèi)容單一等問題，需要設計一款信息類課程輔助教學軟件。該平臺實現(xiàn)了信息類課程的相關內(nèi)容和實驗的仿真演示，教師和學生可以靈活地改變參數(shù)，觀察和分析結(jié)果的變化。在教學過程中引入信息類課程輔助教學軟件，將抽象繁瑣的理論教學轉(zhuǎn)化成生動形象的仿真實驗，激發(fā)學生的學習興趣的同時，也有助于提升學生的工程實踐能力。

關鍵詞：信息類課程；立體式教學模式；輔助教學軟件

中圖分類號：TP311；G640? ? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）07-0195-04

Abstract： Aiming at the problems of abstract teaching content， involving more mathematical and physical methods， and learning difficulty in information courses， as well as the problems of traditional experimental teaching， which is mainly realized through hardware experimental boxes， and single content， an auxiliary teaching software for information courses is necessary to be designed. The platform realizes the simulation demonstration of the relevant contents and experiments of information courses. Teachers and students can flexibly change the parameters， observe and analyze the changes of the results. This paper introduces the auxiliary teaching software for information courses in the teaching process， transforms abstract and tedious theoretical teaching into a vivid simulation experiment， which can stimulate students' interest in learning and also help to improve students' engineering practice ability.

Keywords： Information course; three-dimensional teaching mode; auxiliary teaching software

0? 引? 言

為了應對新一輪產(chǎn)業(yè)技術的變革，探索先進工程教育模式，培養(yǎng)新型的工程科技人才，在各專業(yè)中進行“新工科”的建設已成為高校教育模式改革的熱點[1]。隨著信息技術的快速發(fā)展，信息類課程也應順應時代需求，在教學模式和教學內(nèi)容的設計上也要做出必要的創(chuàng)新。

信息類課程包括電路分析、數(shù)理方法課程、信號與系統(tǒng)、數(shù)字圖像處理等。電路分析是信息類專業(yè)重要的基礎課程，是數(shù)理方法課程過渡到信息處理課程的紐帶和橋梁。信號與系統(tǒng)課程是信息類課程的重要專業(yè)課程，起到承上啟下的作用。數(shù)字圖像處理課程涉及計算機科學與技術、信息與計算科學等多領域的重要的應用型專業(yè)課，覆蓋信號處理技術、數(shù)理方法等多個課程內(nèi)容。因此，以信息類課程中電路分析、信號與系統(tǒng)、圖像處理課程為研究對象，對教學模式、教學方法進行改革創(chuàng)新。

信息類課程是信息、通信專業(yè)的重要的專業(yè)課程群，通常涉及到大量公式的推導，理論性強、內(nèi)容豐富、計算復雜和不容易理解等特點[2-4]。該類課程的實驗教學主要是通過在實驗箱上連線，利用示波器演示波形，硬件實驗系統(tǒng)容易受儀器本身等因素的影響，導致實驗結(jié)果存在偏差。實驗箱內(nèi)部模塊固定，不能靈活修改，內(nèi)容凸顯單一[5-7]。這些問題限制了學生發(fā)揮空間，影響學生的學習興趣，不利于培養(yǎng)學生的工程實踐能力[8]。為了克服教學過程中存在的局限性，急需使用計算機及其他工具來輔助教學，協(xié)助教師和學生實現(xiàn)理論知識驗證與分析。以電路分析、信號與系統(tǒng)、圖像處理課程為對象，利用MATLAB設計一款教學輔助軟件。該平臺包括理論演示和實驗演示兩大內(nèi)容構(gòu)成。內(nèi)容和實驗界面設計顯示窗口、參數(shù)設置模塊。教師可通過輔助教學軟件將教學知識中抽象的理論轉(zhuǎn)化為圖像直觀的展示給學生，同時，根據(jù)教學內(nèi)容，可以靈活的布置理論綜合分析內(nèi)容和綜合分析實驗。學生通過改變參數(shù)，觀察和分析結(jié)果的變化。利用該軟件平臺將抽象的理論轉(zhuǎn)化為圖形兼?zhèn)涞哪M實驗，在激發(fā)學生的學習興趣的同時，也有助于學生工程實踐能力的提高。

1? 信息類軟件平臺的整體設計框架

MATLAB軟件是一種開發(fā)率高的工具，是國內(nèi)外專家學者認同的頂尖的數(shù)學與運算應用工具之一[9]。該軟件將信號處理、圖像處理、矩陣運算以及創(chuàng)建用戶界面等諸多功能融合在了一起，并且可以將結(jié)果顯示在一個可視化的窗口環(huán)境中，便于操作者使用。MATLAB中的工具箱中含有數(shù)百種可直接調(diào)用的不同函數(shù)，讓現(xiàn)在的許多專業(yè)領域的研究者可以直接、快速的應用，節(jié)約了大量的時間和精力。MATLAB中的GUI開發(fā)環(huán)境是一個設計圖形用戶界面工具。包括窗口、圖標、面板、按鈕、滑動條等控件，也可以改變各種控件的顏色、大小、坐標位置和字體大小等屬性。可以根據(jù)任務需求設計不同的界面，編寫回調(diào)函數(shù)實現(xiàn)相應功能。因此，采用MATLAB中的GUI開發(fā)環(huán)境，設計一款信息類教學軟件平臺。

信息類教學軟件平臺設計三門課程的理論和實驗教學，每部分包括基本理論知識的驗證和綜合分析內(nèi)容，實驗部分包括驗證性實驗和綜合實驗。根據(jù)教學內(nèi)容確定設計內(nèi)容，整體的設計框架如圖1所示。

信息類教學軟件平臺采用由外向內(nèi)的設計布局，根據(jù)所整理的知識結(jié)構(gòu)，確定軟件平臺框架。首先在運用MATLAB中的GUI開發(fā)環(huán)境中，設計開始界面和選擇界面，設置界面和空間的基礎屬性。其次，采取由總到分的順序，編寫各引導控件的回調(diào)函數(shù)，達到使用者在進入開始界面根據(jù)需求選擇按鈕，進入所需界面的功能。然后，編寫子界面的控件，以及編寫所需理論和實驗模塊的程序，可以使用戶通過編寫文本框控件所需參數(shù)得到相應顯示結(jié)果。最后將其打包為EXE可執(zhí)行文件。

2? 信息類課程教學軟件模塊介紹

2.1? 主界面模塊

運用MATLAB中的GUI開發(fā)環(huán)境中提供的不同控件，搭建系統(tǒng)框架，設計出教學輔助平臺的各個模塊界面，主要包括開始界面、課程選擇界面、基礎理論部分、實驗平臺選擇界面、各實驗子界面。

主界面包括開始界面和選擇課程界面，主界面只有進入系統(tǒng)和退出系統(tǒng)兩個控件，用戶可以點擊開始按鈕教學平臺。如圖2所示。

點擊開始界面的開始按鈕，進入選擇課程界面。選擇界面包括課程選擇控件和返回控件。用戶按照需求選擇課程和內(nèi)容。如果教學完成點擊返回按鈕，返回選擇界面。如圖3所示。

2.2? 電路分析教學模塊

電路分析課程主要以電阻、電容、電感、電源等元件進行電路描述，涉及恒定電壓、電流分析，以及動態(tài)電路響應隨時間變化的過程等。電路分析模塊分為基礎理論驗證和綜合分析部分。該模塊設計顯示結(jié)果窗口、參數(shù)設置模塊等。在基礎理論部分，可以打開電路分析教學模塊，通過設計參數(shù)，教師可將復雜的理論內(nèi)容直觀的展示給學生。包括：電路的恒定電壓和電流分析、動態(tài)電路的一階電路零狀態(tài)響應、零輸入響應、沖激響應、階躍響應等。同時，教師可以設計綜合分析內(nèi)容，學生通過設計不同的參數(shù)，分析不同的結(jié)果。包括二階串聯(lián)電路電阻對的響應影響、二階并聯(lián)電路的響應分析等。

舉例1考察如圖4所示二階動態(tài)電路的零輸入響應，有過阻尼、臨界阻尼和欠阻尼三種情況。其中，初始值R分別選擇1 Ω，2 Ω，…，10 Ω，L=0.5 H，C=0.02 F，uc（0）=2 V，i（0）=0 A。

學生可以隨機設定電阻，電感，電容參數(shù)，分析不同參數(shù)下，響應波形的變化特點，幫助學生理解相關知識，有利于培養(yǎng)學生分析和解決問題的能力，提高學生工程實踐能力。軟件平臺參數(shù)設置與仿真結(jié)果如圖5所示。

2.3? 信號與系統(tǒng)教學模塊

信號與系統(tǒng)課程主要運用數(shù)理方法和電路分析課程中的內(nèi)容，從信號處理與系統(tǒng)分析角度出發(fā)，為信息處理研究提供基本的方法。該課程理論和實踐性強，實驗內(nèi)容單一。在信號與系統(tǒng)理論驗證模塊中，根據(jù)不同教學內(nèi)容，設計不同的仿真模塊。每個子模塊中，設計顯示結(jié)果區(qū)域、參數(shù)設置區(qū)域。例如在基本信號產(chǎn)生模塊中，有正弦信號、階躍信號、復指數(shù)序列等。在界面設置中用戶可以設置幅度、平移量、頻率、初相等參數(shù)。通過設置的不同的參數(shù)，系統(tǒng)執(zhí)行相應程序，在窗口區(qū)域顯示不同的信號波形。在授課過程中，引入信息類課程教學輔助軟件，可以實現(xiàn)連續(xù)信號、連續(xù)信號的卷積、離散信號、傅里葉變換等基本的理論知識的仿真。在理論綜合分析部分，設計多個窗口顯示可以顯示原始信號、變換后的信號等，教師和學生可通過設計不同參數(shù)，對比分析不同的結(jié)果。

在實驗模塊，內(nèi)容分為基礎理論實驗和綜合性實驗。包括信號的基本運算、信號的分解與合成、抽樣過程、信號的調(diào)制與解調(diào)、濾波器實驗等內(nèi)容。教師可以設計綜合性實驗，通過設置不同參數(shù)，可以使學生直觀的觀察到不同的實驗結(jié)果。

舉例2，波形中離散信號的時間變量用 表示，波形中線段的長短表示在每個時間點信號函數(shù)值的大小。

信號抽樣是連續(xù)時間信號在時間上的離散化，主要是利用抽樣脈沖序列δT （t）在連續(xù)信號f （t）上按照一定的采樣間隔Δt采樣，逐點采取函數(shù)值得到的離散樣值的過程，這個離散信號就稱“抽樣信號”。采樣頻率越高，采樣信號的采樣點數(shù)越多，得到的離散信號與原模擬信號越接近。通過該過程，得到抽樣后的信號fs （t），公式為：

2.4? 圖像處理教學模塊

數(shù)字圖像處理通常要求先研修數(shù)理方法、信號處理類等課程，理論性強，內(nèi)容抽象，還涉模式識別等理論知識，使得學生學習有一定難度。隨著信息技術的快速發(fā)展，圖像處理技術應用領域廣泛，這些要求學生有很強的工程實踐能力。因此，在教學過程中，引入信息類課程教學軟件，可有效客服教學中存在的局限，有效增強學生的學習興趣，有助于提高學生的實踐能力的培養(yǎng)。

在圖像處理教學模塊中，設計原始圖像顯示窗口、處理結(jié)果顯示窗口、選擇方法模塊等。教師可以導入不同的原始圖像，通過選擇不同的處理方法，得到不同的處理結(jié)果，并顯示。圖像處理模塊包括基礎圖像處理模塊和綜合分析模塊，包括圖像旋轉(zhuǎn)、剪切、灰度處理、二值化等。綜合分析模塊包括去噪處理模塊、圖像分割模塊、邊緣提取模塊等。

舉例4，在基礎圖像處理部分，對一幅圖像進行二值化處理。仿真結(jié)果如圖9所示。

舉例5，對一副圖像，用不同的閾值分割方法，進行分析比較。圖10中仿真結(jié)果是對比全局閾值處理與Otsu最佳閾值法的比較。

3? 打包軟件

為了實現(xiàn)脫離環(huán)境的軟件操作，將MATLAB的.m文件打包為獨立可執(zhí)行程序.exe的形式。

步驟如下：

1）打開編譯器接口界面之后，點擊應用程序編譯器，如圖11所示。

2）點擊后，首先會在對話框“Add main file”項中自動添加一個主程序文件，輸入要開發(fā)的軟件項目的名稱地址與程序作者個人信息，在對話框“Files required for your application to run”項目里面自動添加所有的文件，即可點擊package進行打包。

3）等待一下，可以看到顯示打包成功了，直接點擊“打開輸出文件夾”。

4）在保存路徑下可以看到xx.exe程序。

4? 結(jié)? 論

為了克服信息類課程教學過程中存在的局限性，設計一款信息類教學輔助軟件，協(xié)助教師和學生實現(xiàn)理論知識驗證與分析。以信息類課程中電路分析、信號與系統(tǒng)、圖像處理課程為研究對象，根據(jù)教學內(nèi)容確定軟件設計內(nèi)容。利用MATLAB中的GUI設計平臺主界面、課程選擇界面、子模塊界面。在界面中設計基本控件，通過設計控件的回調(diào)函數(shù)，完成各個子模塊的理論驗證內(nèi)容、實驗內(nèi)容仿真設計。該平臺設計多個顯示區(qū)域和參數(shù)設置模塊，用戶可以在該教學軟件平臺輸入所需參數(shù)，點擊對應控件得到波形。通過信息類教學軟件的輔助教學，可以讓教學過程更加清晰，仿真結(jié)果更加直觀，增強學生的學習興趣，使得學生學習效率和工程實踐能力有了實質(zhì)性的提高。

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作者簡介：劉明君（1981—），男，漢族，山西臨汾人，副教授，碩士研究生，研究方向：信號檢測、圖像處理、設備安全管理。