信号与系统实验综合管理系统的研究与设计

温彬彬,曾 成,伍萍辉

(河北工业大学信息工程学院,天津 300401)

信号与系统实验综合管理系统的研究与设计

温彬彬,曾 成,伍萍辉

(河北工业大学信息工程学院,天津 300401)

从学校实验教学的管理现状出发,结合软件实验教学和硬件实验教学的优点,利用计算机和网络创建了一套管理人员信息和实验信息的综合管理系统。介绍了该系统的框架及各个部分,重点分析了实验管理系统,包括目标、设计思路和实现,最后说明了该系统的设计特点,为该系统大规模推广奠定了基础。

信号与系统;实验管理;虚拟仪器;应用程序

信号与系统这门课程是电子通信类的专业基础课程[1],这类课程理论性强,数学分析多,概念抽象,学生普遍反映学习枯燥无味且比较困难。实验教学直观、生动地把概念和理论转化为实际物理电路,学生亲身实践,观测物理信号,帮助理解理论和概念。采用Matlab软件对实验数据进行分析处理,减少人工计算和推理,增添学习兴趣。传统人工管理实验室的方法耗费人力和时间,且管理功能上存在缺陷,已经不再适应当下的发展,为了提高教学质量和管理服务效率,各高校都在致力于实验管理系统的开发[2-4]。

1 实验管理系统的架构

信号与系统实验综合管理系统集实验系统和管理系统于一体,遵循资源共享转型建设的需求,在现有实验设备条件的基础上进行进一步的研究开发,构建如图1所示实验教学综合管理平台。

该管理平台主要包括硬件实验平台、基于PC机的实验教学管理系统、网络用户、服务器及数据库系统等四大部分[5]。软件实验平台和硬件实验平台通过信号采集/输出模块建立连接,实现硬件实验模块和信号分析处理软件的有机结合,软件平台通过信号输出模块可以灵活提供硬件平台所需的各类实验信号,硬件平台获得的实验结果则可以通过信号采集模块输入到软件平台进行记录、分析和处理,而处理得到的结果又可以通过信号输出模块再次加载到相应的硬件模块,进行更为具象化的展示。

图1 实验教学综合管理平台框图

硬件实验平台采用拔插式模块化结构,便于系统维护和后续的功能扩充与更新。硬件模块根据其应用方向分为课程实验模块、课程设计模块和创新训练模块三大类型,而按照其具体功能又可分为系统时域分析、信号频域分析、系统频域/复频域分析、信号取样与恢复、信号调制与解调、典型滤波器、系统模拟、音频信号分析与处理等,箱体提供各模块所需的电源、信号、可调电阻、音频采集和回放接口等资源,按照不同的模块配置和实践教学要求,各种功能模块既能用于课程实验,也能用于课程设计和创新训练。同时,音频采集与回放接口除了可以实现音频信号的分析和处理,还可以作为信号的另外一种展示形式,获取音频的直观听觉感受,这是对信号波形观察视觉信息的一个有益补充,也能激发学生的学习兴趣。

软件实验管理平台是资源共享实验教学管理系统的一个终端,除了提供基本的用户登录、个人信息管理、实验过程管理等功能之外,它还集成了实验教学所需的各种软件功能模块,主要包括:

(1)虚拟仪器模块。提供硬件实验平台所需信号,采集、记录硬件平台实验结果[6]。

(2)信号分析与处理模块。采用连续/离散、变换域的各种方法,对虚拟仪器采集的结果进行分析和处理。

(3)虚拟实验和仿真分析模块。借助于各种仿真软件,为用户提供虚拟仪器。

软件平台与硬件平台相结合,既可以发挥硬件实验和软件仿真实验各自的优势,克服硬件实验难以实现变换域分析的不足,还能建立连续信号/系统与离散(数字)信号/系统的直接联系,有利于信号与线性系统、数字信号处理2门课程实践教学内容的整合与优化,有利于学生理解和掌握各相关知识模块之间的联系,构建较为全面完整的信号与系统知识体系。

网络和数据库系统为用户(教师、学生、系统管理人员)提供实验教学资源共享的网络和数据存储服务[7]。

2 实验管理系统的分析与设计

2.1 系统目标

实验综合管理系统是从学生个人实验过程管理入手,利用强大的数据库功能,可以对学生的信息进行管理,大大提高了学生的自主学习兴趣和对实验的重视,同时也提高了实验室的管理效率[7]。本系统在设计时满足以下几点:

(1)采用人机对话的操作方式,数据存储速度快、安全可靠,查询灵活、方便、快捷、准确。

(2)对学生和教师及实验室的信息操作简单,方便进行添加、修改和删除。

(3)完善的实验排课管理,可根据需要灵活地调整实验课程信息。

(3)设置实验性质和学分,选修类和必选类,方便学生根据自己的需求选择实验科目。

(4)提交预习报告批阅后方可进行实验,在一定程度上提高了学生对实验的自主性和重视性。

(5)向服务器提交实验报告,电子存档便于今后的教学检查。

(6)教师批阅预习和实验报告,针对课堂表现,给出综合实验成绩。

(7)系统最大限度地实现了易维护和易操作性。

(8)系统运行稳定、安全可靠。

2.2 系统设计思路

利用课程资源共享平台,开发相应的实验综合管理系统,对信号与系统实验教学全过程(选题、预习、实验操作步骤、实验结果记录、实验报告的撰写、报告批阅、实验成绩管理等)进行网络化的管理,督促学生从被动学习变自主学习,将实验教学模式从千篇一律、机械化的通识教育转变为具有差异性和自主性的个性化教育,其基本思路如下:

(1)实验教学内容的差异化和自主性。在满足基本教学要求的前提下,对于同一个实验教学内容,信号与系统实验教学平台支持多种不同的实验方案,而同一个实验方案,又可以选择各种不同的实验参数。实验方案和实验参数均由学生在实验教学过程中自主选择。

(2)实验教学环节的进程根据实际情况分为3个阶段,即实验预习阶段、实验阶段和实验报告阶段。对每个阶段设置相应的时间段,进行网络化管理,要求学生和实验教师在规定的时间段完成各阶段任务。在网络化环境下,任课教师对学生完成实验教学环节的质量和效果进行监控。每一个学生采用独立的用户名和密码登录实验系统,其完成每项实验教学任务的过程和结果均记录在相应数据库中。系统采用技术手段对实践教学各阶段形成的实验方案、实验参数、实验结果、实验分析、实验报告等数据进行雷同甄别,并从技术上防止学生复制他人实验结果或者篡改实验记录,督促学生及时地、独立自主地完成实验教学环节的全过程。

(3)在实验预习阶段,学生根据实验教学任务和基本要求登录客户端,自主选择实验方案,计算确定实验参数,并将预习结果保存到网络数据库中。在后续的实验操作过程中,导入自己之前的实验预习方案,若发现预习确定的方案或参数不合理,可以修正实验方案和参数,但不能覆盖原预习结果。在实验报告中,除了正常的实验结果分析之外,还必须对原预习结果不合理的原因以及将产生的后果进行分析。

(4)在实验操作阶段,登录实验系统,则从网络自动导入个人预习时确定的实验方案和实验参数,按照实验步骤进行实验操作,分别记录各步骤获得的实验结果,在最终确认之前,允许修改更新实验结果。实验操作完成之后,对各项实验结果进行检查确认,确认后的结果存入网络数据库,不允许再更改。

(5)在实验结果分析和报告撰写阶段,学生对实验操作阶段获取的各项结果进行整理并依次进行分析,完成之后由系统自动生成电子版的实验报告或课程设计报告,确认无误后进行网上提交。这样可以实现实验报告的无纸化管理,也能减轻学生撰写实验报告的负担。在整理分析实验结果时,若发现结果有误,也应分析错误产生的原因,并说明正确的结果应该是什么。

(6)在报告批阅、成绩管理阶段,实验教师对学生提交的实验教学成果、报告进行评阅,并给出相应的成绩,记录到网络数据库中。

2.3 系统实现

实验综合管理系统根据教学角色不同把用户分为3类:系统管理员、教师和学生[8]。针对不同的用户,系统分别赋予不同的权限和功能,如图2所示。

图2 系统功能框图

2.3.1 系统管理员模块

根据管理员的任务和工作需要分为4个部分:

(1)教师信息管理。可对教师的基本信息进行录入,生成教师信息表,并根据教师情况可对这些信息进行增加、删除和修改。

(2)学生信息管理。可及时录入新入学的学生、删除已毕业的学生。

(3)实验信息管理。包括实验方案的设置、实验开课学期、实验课程选修和必选性质、实验学分、实验教学课程安排等[9]。

(4)数据库管理。维护系统的安全和稳定。

2.3.2 学生功能模块

学生是实验教学的主体,根据学生对系统的需求可分为7个部分:

(1)登陆界面。输入个人的学号和密码,通过系统验证成功后,可进入系统中进行实验。

(2)修改个人信息界面。可修改个人信息,包括电话、邮箱及系统的登录密码等。

(3)实验课程。为学生提供了本学期需要进行的必修实验课程及上课时间、地点和实验教师,还有选修实验课程的介绍,学生可根据自己的兴趣和需要选择性质不同的实验课程。

(4)实验预习。学生在进入实验前规定时间内要完成的预习工作,只有上传预习报告并通过批阅才能进行实验,对一些验证性实验来说,实验预习只是一些参数的确定,而对开放性实验或者课程设计来说,实验预习还应向系统提交一份完整的实验方案。

(5)实验过程。导入之前提交的预习报告,按照系统中各个实验的指导书,按步骤进行实验。

(6)实验报告。在实验过程后对实验结果的处理和分析,都要在实验报告中体现,假如在实验过程中发现之前的预习参数有问题,可在实验报告中及时修改,并标注出错误原因。

(7)实验成绩查看。方便学生随时跟踪自己本次的实验成绩,还可以查询以往实验成绩。

2.3.3 教师功能模块

教师是实验综合管理系统的教学监督及管理人员,针对教师用户的需求,这一模块可分为5个部分:

(1)教师登陆界面。输入个人的职工编号和密码,通过系统的验证成功后,可进入系统中进行实验。

(2)个人信息修改界面。可修改个人信息,包括电话、邮箱及系统的登录密码。

(3)实验课程界面。可呈现教师本学期的实验课程以及实验地点、时间和班级。

(4)实验报告批阅。可对学生提交的报告进行批阅,有重大错误的需要反馈学生,及时指正学生。

(5)实验成绩评定。教师批阅学生完成的实验报告,针对学生实验操作过程中的实际表现,综合给定学生的实验成绩。

3 系统设计的特点

根据信号与系统实验资源共享建设指导原理,结合当前实验室具体情况和学生数量,设计的系统具有以下的特点:

(1)软硬件结合。这样的实验教学系统不但可以通过硬件平台把概念变为形象、生动、直观的图像和实例,利用软件进行信号的处理和分析,减少了手工繁杂的理论计算,而且学生亲身实践,接触到实际硬件电路,真实地观测物理信号,增添了实验的乐趣。

(2)教师全方位介入。整个实验过程还是延续传统实验教学的优点,集中进行实验,不仅可以观测学生整个实验过程,防止别人替代的行为,而且学生实验中遇到问题还可以及时地同教师和周围同学沟通,加快解决问题的速度。

(3)脱机和联网运行相结合。系统采用客户端、服务器和数据库的结构,就是要实现在网络化的条件下实验也可按计划进行。客户端中包含所有实验,即便本学期不再开设这门实验课程,学生在有学习需要时也可随时在自己的电脑上学习,打破实验课程学期的约束性。

(4)多元化的实验管理功能[10]。在网络已经完全覆盖学校的大网络环境下,学生和教师的信息、实验课程安排、实验成绩查看等都可以网络化管理。

(5)强大的数据库系统[11]。教师和学生的个人信息、学生的实验预习报告和实验最终报告、实验成绩存储都需要一个存储数据量大、功能强、读取速度快的网络数据库,并且还要能包容各种形式的数据处理结果。

(6)实验自主性和实验内容差异化。实验分阶段进行,要求在规定时间按一定顺序完成实验,并且能够针对同一实验设置不同参数和不同实验方案,供学生自主选择。

(7)防抄袭和篡改设置。系统中对实验报告和实验结果进行加密处理,防止学生间互相复制和篡改。

4 结束语

高校实验教学综合管理是一个必然的发展趋势,将传统的实验模式加入虚拟仪器和网络化的管理,使学生在实际动手的同时加深对课程的理解。实验综合管理系统既督促了学生自主学习性,又提高学生对实验的兴趣,同时还方便教师对实验过程的掌握。系统还特别设有防抄袭、防篡改的功能,进一步保证了实验教学的质量。数据库管理学生实验报告,极大方便了教学评估。目前此系统已在小范围内测试使用,效果显著,为进一步向其他专业和院校推广奠定了基础。

References)

[1]赵玲,姚金宝.“信号与系统”虚拟实验平台架构设计[J].现代科学仪器,2012,(3):34-35.

[2]张艳玲,黄声烈,金京姬,等.实验教学管理系统的设计与实现[J].实验技术与管理,2009,26(9):87-90.

[3]王岩,徐金荣,高珍,等.实验教学信息管理系统的开发与探索[J].实验技术与管理,2010,27(2):83-86.

[4]万桂怡.网络开放式实验教学资源管理[J].实验室研究与探索, 2009,28(11):204-206.

[5]王攀,王晶,陈少平,等.基于Web的实验教学管理系统的设计与实现[J].中国电化教育,2010(2):114-117.

[6]李翼.基于Lab VIEW的实验管理系统[D].杭州:浙江大学,2005.

[7]黄天辰,冯长江,赵月飞,等.全开放实验教学与管理系统的设计与实现[J].实验室研究与探索,2011,30(4):181-183.

[8]吕才生.实验教学管理信息系统的设计与实现[D].成都:电子科技大学,2012.

[9]侯志昌.实验室信息管理系统的研究与实现[D].上海:上海交通大学,2009.

[10]杨公博.基于B/S架构的实验教学管理系统的设计与实现[D].济南.山东大学,2011.

[11]张袖斌.实验中心综合信息管理系统的设计与实现[D].广州.华南理工大学,2012.

Research and design of comprehensive experimental management system for signals and system

Wen Binbin,Zeng Cheng,Wu Pinghui
(School of Information Engineering,HeBei University of Technology,Tianjin 300401,China)

This paper is based on the present management situation of experimental teaching,combined with the advantages of the software and the hardware experimental teaching,and a comprehensive system to manage the personnel information and experimental information is designed.The system framework and various parts of the system are introduced.This article specially focuses on the analysis of the experimental management system,including the goals,the design,and the implementation.Finally,the design features of the system are illustrated.This article also lays the foundation for large-scale promotion of this system.

signals and system;experimental management;virtual instrument;application program

G434

A

1002-4956(2015)4-0209-04

2014-09-24修改日期：2014-10-29

温彬彬(1989—),女,河北邢台,硕士研究生,研究方向为通信与信息系统、通信与电子测控技术

曾成(1971—),男,湖南株洲,工学博士,副教授,研究方向为信号处理和智能信息处理.

E-mail:zch＠hebut.edu.cn