面向电子信息类《信号与系统》课程的实践教学探讨

杨 帆

河北工业大学信息工程学院，天津 300401

引言

电子信息类专业的重要理论基础就是信号理论，信号理论课程体系包括信号与系统、随机信号分析、数字信号处理等课程。信号与系统是信号理论的首门课程，内容涵盖线性微分方程、复变函数、离散数学、电路分析等内容，理论性强，概念抽象不易理解、要求学生具有较强的数学功底以及电路分析的基础，同时它又是一门实践性较强的课程，是学生从事相关领域工程技术研究的必备知识。因此，信号与系统课程在整个信号理论课程体系中起到非常重要的承上启下的作用[1]。

如今，科学技术迅猛发展，高校培养大学生也要适应新时期的要求，既要有坚实的理论基础，又要能理论联系实际，特别是对工科院校的学生更要有严格的工程技术训练。针对信号与系统课程的特点，如何激发学生的学习兴趣，在讲授中如何结合实验教学环节，提高学生的分析计算能力、综合解决实际问题能力至关重要。笔者结合自己的实验教学实践，就实验教学环节的必要性和重要性，实验内容的安排以及教学的效果等方面对实验环节的设置在该课程讲授中的作用和实际教学中的问题进行了探讨。

1 实验教学环节的必要性

信号与线性系统这门课程理论性强，课程内容抽象不易理解。若在讲授的过程中过多强调数学推演，尤其是过多的理论分析，不能使学生了解所学知识与实际工程应用有何联系，抽象的概念缺乏具体化的实验教学演示，对应用性较强的内容不能实际动手调试分析，学生很难真正理解其内在联系，不能学以致用，学习兴趣自然较低，教学质量也将会受到影响。

如何把抽象的数学语言、具体的物理概念与实际应用联系起来，帮助学生理解与掌握该课程中的基本原理及基本分析方法，培养学生综合应用所学知识并解决实际问题的能力，是该课程教学中要解决的关键问题，革新教学方法也势在必行。

根据该课程的特点以及国内外高校的经验，将Matlab运用到信号与系统教学中,利用其中的信号处理工具箱、图形处理及数据可视化操作、直观的图形图像演示，可以较为直观的分析各类信号的特性以及各类参数对信号和系统各自特性的影响，将课程中抽象与不易理解的概念和问题变得具体化，使学生对这些概念与定理产生直观的认识，实现教学和实验验证同步进行，学生对知识加深了理解也更容易掌握[2]。这样的教学方式克服了理论性较强的课程难以进行交互式教学的缺点,能大大提高学生的积极性和学习兴趣，扩展学生的思维空间，培养他们主动获取知识和独立解决问题的能力，教学效果明显提升。因此，对Matlab软件在信号与系统教学中的应用进行探索，注重实验教学环节，努力为学生打造一个轻松、活跃的学习环境，激发学习兴趣和增强借助计算机辅助解决实际问题的能力，这将对信号与系统以及相关信息学科课程的教学起到促进作用。

2 实验教学内容的设置

“信号与系统” 课程中有许多复杂的数学运算及推导，例如高斯信号、三角函数、矩形方脉冲、随机信号等多种信号的运算，卷积积分，傅里叶变换，微分方程求解、差分方程求解、多项式求根、系统零极点计算等等。MATLAB是一种可视化的科学计算和分析软件，是以矩阵运算为基础的程序设计语言，语法规则简单易学，其指令格式与课本中的数学表达式非常相近，此外MATLAB还具有功能丰富和完备的数学函数库及工具箱，大量繁琐的数学运算和分析可通过调用MATLAB函数直接求解，这样可以把学生从繁重的手工运算与推导中解脱出来，既锻炼了学生用计算机辅助计算与分析解决实际问题的能力又大大增加了学生的学习热情。

卷积积分是LTI系统时域分析方法中的重要内容，由于计算中涉及信号反折、移位及分段确定积分上下限等过程，对于形式较复杂的信号求解过程更加繁琐。若利用Matlab提供的conv函数，可以借助简单的编程对卷积过程进行形象的验证与分析，在完成课堂讲授后，安排相应的实验课，让学生自己动手编写程序得到系统响应的波形再进行分析，这样学生可以将学习重点放在对基本概念的分析和原理的理解和运用上，既巩固了课堂的知识，又提高了他们的自主性和积极性，学生普遍反映较好。再如时域分析中的微分方程的求解是第二章的难点内容，可通过实验运用Matlab中的impulse，step，lsim函数对时域系统响应进行仿真，得到线性时不变连续系统的阶跃响应和冲激响应以及任意激励下响应的时域波形，学生通过这些验证性实验可以很直观地对系统在不同激励信号作用下产生的响应进行总结，归纳，这也为后续的综合性实验、课程设计实习和课题式研究奠定了基础。

在实验的安排上，除了验证性的实验外，适当设计综合性实验，让学生对知识达到融会贯通。如系统的频域分析部分，学生可通过设计多组仿真，并对得到的这些仿真现象进行比较，发现其中的问题，用所学的知识点来解释问题，达到对知识的整体把握，而不是局限在数学公式的推导和结论上[3]。周期信号的傅立叶级数及频谱分析是信号与系统中频域分析部分的一个难点，如果用公式直接描述，过于抽象，因此通过Matlab的图像仿真可以很好的描述矩形脉冲的宽度和周期变化对比效果图。这使得学生在轻松、活跃的学习环境中找到了乐趣，学到了知识。再如滤波器设计内容结束后，可要求学生利用Matlab实现不同滤波要求的滤波器设计，并分析计算结果是否与理论分析一致，这是对学生综合分析能力的一次提高，也是课题式研究的一种训练。

3 实践教学的效果及存在的问题

传统的信号与系统实验大都是硬件电路完成的，硬件实验很大程度上要依赖于实验设备，而且学生在实验中要将大量的精力花在电路调试上，易出故障，误差大，实验效果不直观，这使得硬件实验的设计和实验项目均受到较大的限制，很多内容学生无法通过实验验证。MATLAB软件仿真实验应用于信号与系统实验教学中有效地改革了以上传统实验教学的方法。根据课堂讲授中的重难点内容编写程序设计实验项目，增加了可实施的实验数目，可以拓宽学生的思路，特别是设计性实验，可以充分调动学生的独立思考能力，通过自己独立编写程序实现对所学理论知识的掌握，有效地提高了学生的综合素质和应用知识的能力。另外，软件实验克服了硬件实验容易引入较大误差的缺点，仿真结果与理论分析高度一致，学生印象更加深刻。

由于Matlab课程是信号课的先修课程，学生普遍感受到可以把信号课程的软件实验作为Matlab课程的实验对象。这样的安排既避免了不熟悉Matlab语言而产生的实验困难，又使得“Matlab 语言”这门课程有一个很合适的应用对象，二者相辅相成，学生受益匪浅。

虽然很多高校都将Matlab引入到信号与系统实践教学当中来，但受到学时的限制，通常信号课程为56学时，实验约8学时左右，受到学时的限制，实验设计多注重基础应用及验证，而综合性和设计性实验内容的安排受到一定程度的影响。对于验证性的实验，部分可以在课堂讲授中，用多媒体的方式和理论知识穿插进行，精简一部分让学生在实验课上完成，并且可以鼓励学生按照实验指导书课下在计算机上完成预习和一定的实验项目。这样实验课时学生有备而来自然完成较好，老师可以预留一部分时间安排思考题，并要求总结到实验报告中，学生在完成实验内容时就不再是机械的交差，而是带着问题做，实验的效果会明显提高。在考核方式上，理论知识的考核固然重要，但也应注重学生动手能力和创新能力的评价，适当提高实验环节所占的比重(30%～40%)，敦促学生自己动手、独立思考，完善自己的学习方法，在实践中理解和提高。这部分的考核成绩分两部分计入，一部分是学生课堂完成实验以及实验报告的情况，另一部分是课题设计性实验，要求学生可以借助各种学习资料在实验课结束后的1～2周内完成，鼓励学生自主学习，探求新知。

4 结语

在信号与系统课程的实践教学环节中引入基于Matlab的软件实验，很大程度上提高了学生综合应用所学知识以及解决实际问题的能力，是优化教学改革与提高教学质量的有效途径。本文在对“信号与系统”课程特点分析的基础上，阐述了将Matlab运用到信号与系统实践教学中必要性和重要性，结合自身实际教学实践，从实验内容的设置，教学的效果以及存在的问题等方面进行了探讨，并总结了一些有益的经验。

[1]江凤兵.基于MATLAB的信号与系统课程教学与实践研究[J].中国教育技术装备，2012，285(27)，120-122

[2]陈亚勇.M A T LA B信号处理详解[M].北京:人民邮电出版社，2000：137-162

[3]张红梅，李瑞，白雪玲.信号与系统分析软件研究[J].计算机应用与软件，2009，26(12)，10-12