Matlab应用于电类课程教学改革的探讨

张 华，李莉莉，刘玉良，单海校

（浙江海洋学院机电工程学院,浙江舟山 316000）

Matlab(矩阵实验室)是美国Mathworks公司开发的一种使用简便的工程计算语言，具有绘图功能，能方便地绘制二维、三维图形，可视化的仿真环境Simulink为用户提供了方便的图形化模块功能，简化了设计流程，是工科特别是电类专业学习的最佳仿真工具之一。Matlab软件是以数学为基础的仿真性软件，能够用语言进行编程，也可以采用其专门提供的工具箱进行。Matlab有三十多个工具箱大致可分为两类：功能型工具箱和领域型工具箱。功能型工具箱主要用来扩充Matlab的符号计算功能、图形建模仿真功能、文字处理功能以及与硬件实时交互功能，能用于多种学科。而领域型工具箱是专业性很强的。如控制系统工具箱(Control System Toolbox)、信号处理工具箱(Signal Processing Toolbox)、财政金融工具箱(Financial Tool－box)等[1，2]。

针对电类专业特点，按照人才培养的规律和需要对课程进行统筹优化，合理安排，推动matlab在电类课程中的广泛应用，对提高学生综合设计能力、工程实践能力和创新能力发挥了积极有效的作用，产生意义深远的影响。传统的实验教学以硬件验证、设计和制作为主，随着软件技术的发展和软件功能的健全，越来越多的实验室引入各种各样的仿真软件来丰富实验内容，从而提高实验教与学的效率，matlab软件就是其中的佼佼者。本文从电类专业的基础课和专业课入手，并通过举例为matlab的教学改革进行了有益的尝试。

1 在基础课中的教学改革及应用

1.1 matlab在基础课中教学应用现状

电类专业，如电子信息工程和电气工程专业，日常教学、科研中离不开一些重要的仿真软件，如Protel,Matlab,Multisim,Solidworks,其中根据重要性还常常专门开设的课程就有matlab。在以往的教学中，包括实验实践性教学，主要采用灌输性讲授方式，学生往往不具备感性的认识，学习比较吃力，也难以深入理解。比如基础课《电路分析》中的受控源知识，学生一听就懂，一做就错，其实说到底，还是没有掌握受控源实质。

采用matlab软件的编程方式，建立受控源的数学模型，并能进行快速求解。通过仿真计算及参数的变更，让学生能够加深对理论知识的理解，领会其内涵，从而提升教学质量。Matlab作为一门独立课程宜尽早开设，以便让学生在基础课就开始使用该软件，帮助学生从感性、理性两个方面深入理解所学课程。

1.2 仿真实例

基础课《电路分析》中，含受控源类电路属于学生比较难以理解的内容，我们以此为例，用matlab软件进行仿真。

例：如图1所示为典型的直流电阻电路,含有电压控制的受控电流源 VCCS，其中，R1=24 Ω，R2=32 Ω，R3=8 Ω，US=20 V,IS=0.15 A,VCCS=0.25 U2，现需分析计算电流I1和电压U2[1]。

对电路进行分析的基本方法是先建立数学模型如方程组，通过方程组的求解，得到各支路电压和电流。电阻电路采用的分析方法比较多，如支路电流法，网孔电流法，回路电流法，节点电压法等。现对图1采用回路电流法，根据《电路分析》理论，可列出如下方程组：

图1 《电路分析》中受控源电路Fig.1 Circuit of controlled source in Circuit Analysis

整理以上方程(1)到(7)，写成形如AX=BU的矩阵方程形式，可得：

进行数学方程求解即可得到计算结果，但是对方程的计算很麻烦，需要进行大量的数学计算，导致学生常常将《电路》课程当成数学课，而不是学习电路方面的理论知识，进而导致学习质量的严重下降，对后继课程的学习产生畏惧心理。

显然，采用matlab大大简化了计算过程，能够直接得到所求结果，而编写程序的过程又是对原理的复习过程，通过对参数的修改，进一步体会到各变量之间的控制关系，从而加深学生对当前所学知识的理解。极大地满足学生的感性认识，刺激学生的主观能动性，从而调动学生的获取知识的欲望，也弥补了实验、实践环节方面的不足。

利用matlab对电路进行仿真分析，有如下的优点：1.实验后再进行软件仿真，仿真结果更加直观，与实验情况相验证，有助于学生加深记忆，也为后继课程的学习打下良好的理论基础；2.软件仿真中，电路或电路参数可随意设置，灵活机动，为电路的分析计算提供了更多更高效方法；3.节约了学生用于计算数学的时间，避免了学生把学习《电路分析》变成学习数学计算。从实践实验教学来看，采用matlab软件后，绝大部分同学能够较深入的理解电路理论，能熟练建立电路模型，正确的分析电路。

2 在专业课中的教学改革及应用

2.1 matlab在专业课中的应用现状

目前，有些专业课程依然没有开设仿真性软件，专业课的理论性很强，实践或者实验课也只是验证性，学生在学习专业课时比较吃力，难以深入理解所学知识。有些课程虽然开设了仿真软件，但学生需要学习新的应用软件，对于学时量固定的课程开设仿真软件，将极大的压缩理论教学课时，且各软件不相关联，消耗了学生较大的精力，学生必然对所学知识一知半解。matlab软件能够对很多专业进行仿真，有的专业还能使用工具箱，既能解决仿真问题，也能减少学生在学习软件所消耗的精力。

根据电类专业课程的内容不同，使用的matlab工具箱也各有不同，如电气专业，《自动控制原理》[3]、《信号与系统》[5]、《计算机控制技术》等课程，可将matlab软件的“smiulink”和“control system toolbox”等模块作为重点；而电信专业，《通信原理》[4]、《数字信号处理》、《数字图像与语音处理》等课程，可将matlab软件的“communications blockset”、“rf blockset”和“real-time workshop”等模块作为学习重点。

2.2 仿真实例

《数字信号处理》课程有专门的应用软件，但其与其他课程不具备关联性[7]。下面采用matlab软件中的Filter Design工具箱对《数字信号处理》课程中的FIR滤波器进行设计，实例如下。

例：采用等纹波法设计一个FIR滤波器，参数如下：采样频率fs＝8 KHz，通带截止频率fpass＝1.2 KHz，阻带截止频率fstop＝1.5 KHz，通带带最小衰减Apass＝3 dB；阻带最小衰减Astop1＝20 dB，阻带最大衰减Astop2=35 dB。

FIR数字滤波器的数学传递函数为

由此得到滤波器系统的差分方程描述形式：

如果滤波器单位冲激响应序列为y（n），表征为滤波器系数向量h（k）[9]。

对滤波器设计采用软件进行仿真，避免对专业理论的学习淹没在大量烦琐的数学计算中，matlab软件，特别是其工具箱易于上手，并能解决实际需求，下面是以matlab软件的FDATOOL工具箱进行滤波器设计的实例，具体如下。

进入matlab软件，在命令窗口下键入FDATOOL命令，调出界面。在Filter Type选项中选择Bandpass在Design Method中选择FIR滤波器；接着在FIR中选择Equiripple，然后在Filter Order中选择Minimum Order，这时，程序会根据所选择的滤波器类型自动使用最小阶数。在Frequency Specification选项中，将fs fstop1、fpass1、fpass2、fstop2 中分别键入 8 KHz、2 KHz、2.2 KHz、3.4 KHz 、3.7 KHz。再对 Magnitud Specification 进行设定，使 Apass＝3 dB；Astop1＝20 dB，Astop2=35 dB。最后点击下方的 Design Filter即可得到所设计的FIR滤波器。设计完成后，可以通过菜单选项Analysis来分析滤波器的幅频响应、相频响应特性。点击Analysis中的Phase Response和Magnitude Response对相频和幅频响应进行仿真，其输出的相频响应及幅频响应特性结果如下。

图2 相位响应图Fig.2 Phase response

图3 幅度响应图Fig.3 Magnitude response

图2和图3分布是FIR滤波器的相位响应和幅度响应，非常清晰直观。由此可以看出，matlab很方便的解决了滤波器的仿真问题：通过图形显示的方式能够对所设计的滤波器进行详尽深入的性能分析；通过修改输入参数，可以得到不同的实验数据，有助于学生更深入的理解所学理论知识，体会到各参数对设计性能的影响；同时，matlab软件采用了工具箱式的设计，省略了程序设计过程，直接进行仿真设计，把学生的全部精力集中到对滤波器本身的理解上，使得学习更加充分，理解更加深入。

3 船舶通信领域的应用

浙江海洋学院地处海岛，具有独特的海洋环境，将电类专业跟船舶紧密结合，如电子信息与船舶相结合，一定能够推动船舶通信[8]方面的经济发展；电气工程与船舶紧密结合，一定能够推动船舶电气方面的经济发展。

为了满足实际需要，传统方式是购置大量的专业实验设备，甚至分别建立船舶通信、船舶电气专业实验室或实训基地，那将花费巨资（保守估计，花费经额至少是数千万元人民币），这是一个巨大经济压力，也是不切实际的。matlab软件能够将这些需要实物形式达到的效果在软件中仿真实现，将在软件中实现的科研成果拿到当地数量庞大的船舶上进行试验，从而能够节约科研成本，促进学校科研水平的提高，推动地方船舶经济发展。

4 结束语

本文论述了matlab在电类专业的基础课程和专业课程中的应用现状，提出了相应的教改方案，给出了具体的仿真实例，对于理论性较强的工科课程通过引入matlab仿真手段，使得抽象的系统理论形象化，有助于培养学生的工程意识和创新能力。使用matlab软件进行船舶通信的仿真研究，能够节约科研成本，提高科研水平，促进地方经济的发展。

[1]邱关源.电路[M].第5版.北京:高等教育出版社，2006.

[2]陈怀琛，吴大正，高西全.matlab及在电子信息课程中的应用[M].第2版.北京:电子工业出版社，2006.

[3]马向国，刘同娟，张旭凤.基于MATLAB的自动控制原理虚拟实验仿真平台[J].中国现代教育装备，2010(1):45-47.

[4]程 铃.基于MATLAB的多进制数字调制仿真[J].现代电子技术，2009(22):60-62.

[5]马逸新.独立学院“信号与系统”课程的教学探讨[J].中国电力教育，2009(8):67-68.

[6]李秀娟，刘 伟.电力电子技术课程改革思考[J].电气电子学报，2009，31(6):30-31.

[7]刘玉良，赵秋亮，张 华，等.等利用仿真技术对数字信号处理教学改革的研究[J].浙江海洋学院学报：自然科学报，2008，27(3):301-305.

[8]刘玉良，张艳春，胡 瞿.基于n涡卷蔡氏电路的混沌保密通信的同步研究 [J].浙江海洋学院学报：自然科学版，2007，26(4):413-416.

[9]俞一彪，孙 兵.数字信号处理[M].南京:东南大学出版社，2005.