基于Matlab GUI的“信号与系统”教、学一体化平台研究与实现

饶伟

摘 要： 利用Matlab的图形用户界面（GUI）开发了一套“信号与系统”教、学一体化平台。与其他采用类似方法制作的系统相比，该平台不仅是让学生直观地得出仿真结果，更重要的是它能够让学生在操作的过程中思考结果产生的原因及方法，从而充分调动学生的主观能动性，实现教、学一体化。

关键词： “信号与系统”教、学一体化平台 Matlab GUI

1.引言

《信号与系统》是高校电子信息类专业的核心基础课。由于Matlab软件可以帮助完成数值计算、信号与系统分析，可更快速、准确、形象、直观地得到可视化计算机模拟与仿真，达到较好的教学效果[1][2]，因此将Matlab引入《信号与系统》课程的理论[3]-[5]和实践[6]-[8]教学中，是近年来高校《信号与系统》教学改革的一种思路[9][10]。例如，在佐治亚理工大学、麻省理工学院、加州大学伯克利分校等，Matlab已经成为《信号与系统》的基本教学工具；在《信号与系统》国家级精品课程网站（西安电子科技大学、东南大学、北京交通大学等）及省级精品课程（清华大学、武汉大学、北京理工大学等）中，无一例外地出现基于Matlab软件的《信号与系统》仿真实验。现有的基于Matlab的“信号与系统”仿真实验教学方式大致分为两种：一是基于Matlab源代码形式；二是基于图形用户界面（GUI）形式，两者都有缺陷。

1.1基于Matlab源代码形式

早在2008年举办的“信号与系统国家精品课程培训”班级讨论中，来自东南大学、上海大学及温州大学等知名高校的数十位教授就对课程中Matlab的使用弊端进行了讨论，他们一致认为：在使用Matlab进行仿真实验时，由于学生的积极性不高及对软件工具的掌握情况不理想，很多需要学生独立完成的实验无法正常进行，最后往往会出现给出程序学生照抄，不给程序学生不会的情况。

1.2基于图形用户界面形式

为了解决上述基于Matlab源代码的实验仿真中所存在的问题，近年来兴起了一种利用Matlab图形用户界面（GUI）来开发设计的“信号与系统”仿真演示系统[7]，[11]，[12]。整个系统由实验主界面和单个实验界面组成，每个实验界面可以由用户自行设置和修改实验参数，实现实验结果的动态显示。但是，美中不足的是：学生在使用该系统时，只要一输入数据和确定相应参数后便立即得到正确的结果，而对于该结果是怎么来的却完全不思考。

综上所述，基于源代码的仿真实验教学方式让学生负担过重，而基于图形用户界面的仿真实验教学方式又完全“解放”了学生。因此本文对现有的图形用户界面仿真进行重新设计，让学生在操作环节思考得出正确结果的方法或步骤，充分发挥学生的主观能动性，从而实现教、学一体化。

2.信号与系统互动式教、学一体化平台设计

2.1平台总体设计步骤

围绕信号与系统课程的主要内容，进行了基于Matlab图形用户界面的“信号与系统”教、学一体化平台设计。总体设计步骤如下：

2.1.1对信号与系统知识点进行甄选，确定应该且适合用于该平台的内容。并对所选内容的表现方式进行分类：a.纯演示型；b.用户可自定义参数型；c.互动型。

2.1.2结合实验大纲要求确定能设计成实验的内容。

2.1.3利用m语言编写及调试单个程序。

2.1.4在单个程序基础上，利用Matlab GUI设计图形用户界面，并编写相应的Callback函数。

2.1.5编写每个用户界面的“帮助”文档，以及可用于实验的实验指导书。

2.1.6系统总体调试和完善。

2.2平台所包含的内容

利用Matlab GUI开发的“信号与系统”教、学一体化平台包括七大模块：（1）“信号生成与运算”；（2）“系统时域分析”；（3）“频域仿真分析”；（4）“复频域仿真分析”；（5）“离散系统时域分析”；（6）“z域仿真分析”；（7）“状态空间分析”。以上界面中均设有可调参数。

3.典型互动模块设计

以“连续信号卷积”界面设计为例，介绍教、学一体化平台设计的思想和方法。

利用“初始化”按钮给出两个将进行卷积运算的图形信号。界面设计有5个单选按钮分别为“变换”“平移”“反褶”“积分”“相乘”，利用Matlab的图形显示、相乘、积分等功能设计出上述5个单选按钮对应的图形，但并不预先显示出来。界面还有一个提示窗口，给出了信号卷积的定义式，并对接下的操作步骤的正确性做出判断，如图1所示。接下来操作者如果需要得到这两个信号的卷积结果，就要依次选择正确的步骤。当步骤选择正确时，相应的图形也就显现出来，反之提示窗口会给出“错误，请重试！”的提示信息。此外，界面中还有一个红色“帮助”按钮，按下后界面将以序号的方式：（1），（2），……给出卷积计算的正确步骤，并显示出所有步骤对应的图形，如图2所示。

与输入两个信号后直接给出卷积结果的方式相比，通过该界面，操作者需要充分发挥主观能动性，从而加深对该部分内容的理解，巩固甚至可以自学卷积计算的物理含义，实现了该部分内容的教、学一体化。

4.结语

文章提出了基于Matlab GUI的“信号与系统”教、学一体化平台。与现有类似的GUI界面相比，克服了确定输入即得输出的弊端，让学生在使用的过程中不得不对相关知识点进行复习或自学，从而充分发挥Matlab GUI在“信号与系统”课程中的优势。该平台实现了实验教学、理论教学、自学的一体化，促进学生对教学内容的理解与掌握，从而增强教学效果，提高教学质量。此外，该平台的设计思想可以拓展至其他类似课程中，如《数字信号处理》等课程。

参考文献：

[1]Steven T.Karris.Signals and Systems with MATLAB Computing and Simulink Modeling 4th Edition[M].Orchard Publications，2008.

[2]徐利民，舒君，谢优忠.基于MATLAB的信号与系统实验教程[M].清华大学出版社，2011.

[3]童峰，李霞.Matlab在”信号与系统”课程教学中的应用[J].电气电子教学学报，2007，29（1）：82-84.

[4]廖延娜.Matlab在《信号与系统》课程教学中的应用[J].西安邮电学院学报，2009，14（5）：194-196，204.

[5]郭宝龙，朱娟娟，吴宪祥，闫允一.“信号与系统”课程可视化教学的实践探索[J].电气电子教学学报，2010，23（5）.

[6]林霖，杨丰，张志德.基于Matlab的“信号与系统”课程演示软件的应用[J].电气电子教学学报，2009，31（5）：98-100.

[7]金波.基于Matlab的“信号与系统”实验演示系统[J].实验技术与管理，2010，27（12）：104-107.

[8]陈怀侠，蔡火操，黄建林，等.设计性实验教学的实践与思考[J].实验技术与管理， 2006，23（11）：105-107.

[9]刘锋，段红，熊庆旭，等.信号与系统实验教学改革[J].实验技术与管理，2008，25（3）：118-120.

[10]赵琰.信号与系统实验教学改革初探[J].实验室科学，2010，13（4）：32-34.

[11]张小凤，金永幸，等.基于Matlab 的信号与系统综合实验系统研发[J].现代电子技术，2011，34（20）：24-26.

[12]俎云霄，贾越，等.“信号与系统”仿真演示系统设计[J].电气电子教学学报，2012，34（1）：70-72.

江西省教育厅2012年度教学改革研究项目（JXJG-12-18-13）；江西省教育厅2011年度教学改革项目（JXJG-11-18-8）；南昌工程学院2012年度教学改革研究项目。