信号与系统实验教学探索

郗艳华,李宗领,张 辉

(1.咸阳师范学院物理与电子工程学院,陕西咸阳 712000;2.咸阳师范学院教务处,陕西咸阳 712000)

信号与系统实验教学探索

郗艳华1,李宗领2,张 辉1

(1.咸阳师范学院物理与电子工程学院,陕西咸阳 712000;2.咸阳师范学院教务处,陕西咸阳 712000)

本文从实验教学和理论教学的关系、实验方法、实验内容等三个方面探讨了信号与系统实验课的改革,以帮助学生加深对理论的理解和掌握,培养学生动手能力和创新精神。

实验教学;理论教学;实验方法;实验内容

信号与系统课程是电子信息类专业重要的学科基础课,在其课程体系中起着承上启下的作用,也是学习数字信号处理等诸多后续课程的基础。该课程理论性很强,学生普遍感觉难学。因此,让学生掌握好这门课程,除了加强理论课程教学外,实验教学环节的质量也直接影响着该课程整体教学效果。所以,对实验教学环节的探索与改革对于改善整个课程的教学效果,帮助学生加深对理论的理解和掌握,调动学生学习的积极性以及培养学生动手能力和创新精神都有重要作用。

1 将实验教学与理论教学有机结合,以提高教学效果

1.1 依照课程理论体系,合理安排实验教学计划

理论教学与实验教学各有侧重,两者相辅相成。因此如何将实验教学与理论教学合理地结合起来成为信号与系统实验教改的重要目标之一。传统的信号与系统实验教学与理论教学在教学内容方面或教学顺序可能会有一定的出入,这容易造成实验教学和理论教学脱节,影响学生的学习效果。因此我们对实验教学内容和教学进程进行调整,保证其与理论课教学一致,这样学生可以将理论课堂上抽象内容和实验教学中的感性认识联系起来进行比较和思考,加深学生对于理论内容的理解和掌握,提高学习效果。

1.2 将实验原理和理论教学相结合,调动学生对实验教学的积极性

将实验教学中有关的实验内容有机插入理论教学中。在传统实验教学中,学生只有在做实验时才会考虑有关实验内容,而且由于实验时老师会给学生讲解实验原理并进行简单演示,然后学生才自己动手做,这样学生更容易忽视对实验原理和目的的理解,更谈不上对相关理论知识的深刻理解和思考;而且会造成学生自己不动脑筋,而只是模仿老师做实验的过程或只需根据实验指导书来完成实验。这样学生只是被动地完成任务,并没有主动参与到实验中,严重影响了学生主动参与实验的积极性,更不能有效地培养学生主动思考问题和解决问题的能力。因此我们将与实验相关的内容有机地插入到理论课教学中并特别加以强调,以引起学生的思考和重视。对于一些简单的实验直接在课堂上讲解;对于一些稍微复杂的实验,则将其理论难点以作业的形式布置给学生完成;对于大家普遍感觉困难的实验,教师可以进行简单讲解。例如,在学习完傅利叶级数时留给学生的作业是完成周期性方波信号的分解,并分析其所含的频率分量。这样学生在做信号分解与合成实验时,对于实验原理已经很清楚,再做实验时就会有一种急切心理,想从实验中来观察、判断实验结果并进行分析和思考,这将会提高教学效率和学生学习积极性。

2 充分发挥各种实验方法优势,提高教学效果

实验教学的主要目的是使学生巩固所学知识,锻炼学生应用所学知识分析问题和解决问题的能力,培养科研素质和创新意识。在实验教学过程中,将软件仿真实验与硬件实验有机结合,充分发挥各自优势。

软件仿真实验具有直观、实时、逼真等特点,学生利用Matlab软件进行仿真不仅对相关理论知识有了感性认识,而且加强对相关内容的理解和巩固。如连续系统中傅里叶变换的性质比较抽象,是一个难点内容,也是重点内容,运用Matlab软件进行简单编程仿真,通过实际波形的观察、比较和仿真,更容易理解该知识点。这种仿真实验,有助于学生对本课程理论知识的理解和掌握,而且使学生掌握一些软件工具的使用,这为后续的相关课程学习以及毕业设计奠定了基础。

硬件实验可以使学生认识到抽象的理论知识在现实中如何来实现,同时通过对实验结果的分析及解决硬件实验过程中遇到的问题,学生不仅可以加深对理论知识的理解和巩固,而且在提高动手能力的同时,其分析问题和解决问题的能力也得到提高。例如通过信号分解和合成实验,学生就会知道在理论中通过三角型傅立叶级数进行周期信号分解,利用信号求和来实现信号合成,而硬件实验中是利用滤波器实现对信号的分解,利用加法器来实现对信号的合成;学生还会发现理论中方波信号只分解为其奇次谐波分量,而硬件实验测试中其偶次谐波分量并不为零,这两者之间好像是矛盾的。但经过分析、研究、讨论后就会知道这是由于实际中滤波器的幅频特性曲线的变化比较缓慢,其对其相邻其奇次谐波分量并不会完全滤除,因此在偶次谐波滤波器中就会出现被衰减相邻奇次谐波的合成波形。通过这个实验,学生不仅深刻理解了有关傅立叶级数知识,而且对于实际的滤波器有了感性的认识。

在实际操作中,实验分为软件仿真试验、硬件实验和软硬件都做的实验。对于软硬件都做实验,要求学生在完成仿真实验后紧跟着进行相应的硬件实验,而且在做完实验后分析其各自的特点及其区别。这样可使学生在实验的过程中,将理论知识、仿真结果与正在做的硬件实验结果以及实验过程中出现的问题联系起来进行对比、分析,有利于提高学生动手能力,同时其分析问题和解决问题的能力也得到提高。如采样定理实验中,先让学生利用Matlab提供的simulink,选择模块连成信号抽样的系统结构 (如图1)。适当地选择输入信号、抽样信号以及滤波器的参数后进行仿真。通过双击各示波器,能看到输入信号、抽样信号、抽样后的信号、滤波信号以及恢复信号的波形,学生对于采样和恢复过程中信号的波形有了直观的认识,有助于对采样定理的理解和掌握。这样学生做硬件实验时就会知道如何连接线路,如何进行测试,判断信号波形的正确与否,不会再出现以前只做硬件实验时,信号波形已经调试出来了,可学生并不认识的情况。而且当他们遇到困难时知道分析问题可能出现在哪些地方,然后想办法解决。

图1 信号采样及恢复仿真框图

通过这种虚实结合的实验模式,不仅加深了学生对理论知识的理解,而且提高了学生的实践能力,调动了他们的学习积极性和主动性。

3 加强实验内容的改革,提高学生学习兴趣

传统实验方式比较单调,几乎都是对于基本原理进行验证的实验,学生容易出现学习疲劳,影响学习效果。因此将实验内容调整为验证性实验、综合性实验和设计性实验,而且适当增加综合性和设计性实验比例。验证性实验能加强学生对于基本理论知识的学习、理解和掌握。如傅里叶变换的性质、卷积计算、系统零极点与频响等。而综合性实验通常涉及多个知识点,学生只有理解、掌握这些知识点才能顺利完成实验。如采样定理实验中会涉及带限信号频谱、周期性采样信号频谱、奈圭斯特频率和有关滤波器的知识,只有掌握了这些知识,才能正确地选择带限输入信号和采样信号频率,才能知道被采样信号波形是怎样的,恢复信号是否正确、是否与理论一致。设计性实验会给定实验要求和实验条件,由学生根据已有理论知识先进行分析、推导,再给出实验方案、实验步骤及过程。一般来讲,大部分学生害怕设计性实验,认为设计性实验比较难。所以为了减小难度,增强学生的学习兴趣,设计性实验不能太复杂,要根据学生的实际情况调整难度。由于综合、设计性实验的原理及有关的理论在课堂上讲过后,会以作业的形式进行相关练习,所以学生对于实验原理及有关内容比较熟悉,这样不管学生进行编程仿真实验还是进行硬件实验时都会有根据、有目的地去分析问题与解决问题。如,学完傅里叶变换后留给学生题目:图2为抑制载波的双边带幅度调制和解调系统,要求自己选择调制信号和载波信号以及滤波器,给出其理论推导过程并利用Matlab软件编程绘出系统中信号时域、频域图形。这样学生会根据所学理论内容进行理论分析 (课堂上已经练习过),然后绘出s(t)、c(t)、x(t)、y(t)和s1(t)时域波形及其频谱图。通过这些波形观察,学生会明白在时域中幅度调制是把调制信号加载在载波信号的幅度上,解调是从载波上取出调制信号,而在频域上调制就是把调制信号“搬出去”,解调就是把已调制信号“搬回来”。一般在理论推导过程中滤波器都是理想低通滤波器,但仿真中滤波器可以是巴特沃斯、切比雪夫滤波器等,所以要做好这个仿真实验,对于实际中使用的滤波器及其特点要有一定的了解。为了减小难度,一般实验前会给出滤波器的种类。可见综合和设计性实验有利于培养学生的独立思维能力和理论联系实际的能力。

图2 调制解调系统框图

另外在实验内容的选择上注意与工程应用结合,让学生通过自己实验和实践,去体验应用所学知识解决问题的过程,以提高学生的学习兴趣。如信号处理的应用中语音信号的频谱分析,学生在实验中不仅可以通过图形观察语音信号频谱的变化,同时还可以通过听来感受语音信号的变化,从而加深对频谱、滤波概念的理解。

4 结束语

实践证明,对该课程实验教学方法、实验方式和实验内容进行改革,可以提高学生对这门课程的学习兴趣,帮助学生加深对基本理论的理解和掌握,培养学生综合运用知识能力。但是如何合理地处理本课程实验与数字信号处理课程实验衔接等仍是有待研究的课题。

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Discussion on the Teaching of Signals and Systems Experiment

XI Yan-hua1,LI Z ong-ling2,ZHANG Hui1
(1.School of Physics and Electronic Engineering,Xianyang Normal University,Xianyang 712000,China;2.Office of Educational Administration,Xianyang Normal University,Xianyang 712000,China)

From the aspects of the relation between experimental teaching and theoretical teaching,experimental methods and experimental content,this paper discusses the reformof Signals and Systems Experiment course,in order to help students get a better grasp of the courseπs theory and improve their practical abilities and innovation spirits.

experimental teaching;theoretical teaching;experimental methods;experimental content

G642

A

1008-178X(2011)03-0145-03

2011-03-12

咸阳师范学院校级教改项目 (200802005);咸阳师范学院校级精品课程项目。

郗艳华 (1974-),女,陕西蒲城人,咸阳师范学院物理与电子工程学院讲师,硕士研究生,从事信号处理和电子技术研究。