Matlab应用于《信号与系统》课程教学改革

李东辉 周永勤

摘要：《信号与系统》作为通信与信息类专业的专业必修课程之一，涉及概念、分析以及实践操作等多个领域，具有理论性、实践用性以及应用性广的特征，该课程的教学质量情况占据着至关重要的地位。传统的板书教学办法已经很难满足当前学生学习的需求了，不仅使学生主动学习和创新性难以得到保障，也难以实现提升学生综合性能力的效果，不利于学生发展的全面性和长久性。文章以Matlab仿真软件为研究对象，能够促进学生《信号与系统》课程学习效果的提升，培养学生的独立思考能力，从而优化教师教学的水平与质量。

关键词：Matlab;信号与系统;教学改革;实践

《信号与系统》课程具有理论性、实践性以及应用性广的特征。然而，现实是传统的板书教学办法已经很难满足当前学生学习的需求了，不仅使学生主动学习和创新性难以得到保障，也难以实现提升学生综合性能力的效果，该课程的教学质量情况占据着至关重要的地位。与此同时，还是高等数学、工程数学等作为其学习的基础，不仅包括计算与推导、诸如微、差分方程求解，甚至是卷积等基础计算，因此，针对目前信号与系统课程的教学现状，在理论教学、课堂教学以及实验教学的改革，不仅能够达到提升学生的学习效果，而且能够达到升华学生学习能力的教学目标。

一、Matlab在《信号与系统》教学方式的价值与作用

随着信息化技术的日益发展，尤其是信息技术时代的到来，传统的板书难以适应学生的学习需求。信号与系统课程长期采用传统的教学方式，尽管推算练习在某种程度上能够实现提升学生计算应用的能力、思维习惯改变的效果。但是在应用性较强的教学内容中，难以使用行之有效的办法亲自动手进行设计、诠释和讲解，对所学知识的理解、思考以及应用不够灵活，对学生学习的主动性、科学以及创新性产生一定的影响，学生综合能力，特别是应用能力难以提升，难以使学生得到全面发展的目标实现[1]。Matlab软件是在国际上普遍最流行、使用最為广泛、应用最强的科学、技术与工程计算软件之一，其中主要技术包含了应用代数、数理统计、自动控制、工程绘图以及数字图像处理等[2]。在《信号与系统》教学中，引入Matlab在摆脱烦琐的数学运算的同时，还可以使学生更加关注信号、系统最根本的分析、理解及应用的方法，达到信号与系统课程可看、可控的曲线以及图像和声音等兼备的效果，增强教学内容的画面感，提升授课效率与效果，弱化理论与实践教学的界限。达到提起学生学习兴趣、培养自主获得知识以及独立学习能力提升的效果，进一步加深对信号与系统的基本原理、方法及应用的理解[3]。

二、革新《信号与系统》教学方式与教学手段

《信号与系统》常规课堂教学中存在众多问题与不足，在一定的程度上降低了学生的学习积极性，不利于学习效率和教学质量的提高。因此，信号与系统课程迫切需要进行教学方法和教学手段的改革。

课堂教学方面主要是从三个层次入手：

第一个层次是寻找重点，将难点生动化。把一些很难理解的部分，使用声音图像、动画等相结合，为图片展示和公式推导等环节提供了便利。但也存在过分依靠多媒体，学生不仅会产生厌倦感，还弱化任课教师对教学重点与难点的把控，从而出现因课堂教学速度快，学生难以理解所学内容的问题。

第二个层次确保学生认知过程与课程体系二者之间的连贯性。信号分析即是信号理论的重要成分，它将信号作为其函数，采用数学与物理结合的方法对信号展开描述性分析，提出特征后，在鉴别课程体系内容结构基础上，以连续信号与系统为出发点，完整地结合高等数学与电路知识，最后向离散信号与系统置入[4]。使得学生可以将章节进行串联，形成一个固定的整体，便于学生掌握课程的核心内容。在教学的整个过程中，始终以通信系统的应用为背景，突显通信工程的专业特点，正确地引导学生运用数学工具分析典型工程和物理问题，从而达到学以致用的目的。

第三个层次是实现课内实验优化与课外实践深化。信号与系统对于学生数学能力有较高的要求，造成学生对学习内容难以有效的理解。通过引入Matlab软件改进教学方法，仿真实验有新颖和互动性，理论与Matlab之间的相互结合，这样就可以对枯燥的信号与系统课程进行生动形象地讲解，在激发学生求知欲的同时，还可使学生编程能力提升，达到培养学生学习兴趣有效提升的目的。见下图。

三、《信号与系统》课程中应用Matlab的策略

通过Matlab仿真软件能更好地帮助学生理解信号与系统中的抽象概念，可以调动学生的独立思考能力，从而提升教师教学的质量。

（一）分析与处理知识

首先，是对于信号的运算领域。在Matlab中，可以实现信号的基本运算——加、乘、平移、反转和尺度变换等，复杂的数学运算只需几个简单的语句就能完成，很大程度能够提升学生的学习效率和质量的提升，从而达到提升数学运算的目的，对于系统进行有针对性分析，与此同时达到提升学生编程、实践运用的能力。

其次，就信号频谱的分析来讲。信号频谱分析被视为诠释信号特征的重要部分，不仅应用于全部信号类型，包括雷达信号、金融股票数据和生物医学信号[5]。

（二）分解与合成知识

在《信号与系统》课程中，信号的分解与合成思想基本上贯穿了整个教材内容。如在连续系统的时域分析中，连续信号可以分解成许多冲激信号的线性组合，系统的响应可以视为不同强度冲激信号产生的响应的合成[6]。在对连续系统进行分析的过程中，系统响属于不同幅度虚指数信号。

周期信号分解与合成不仅对于理解信号频谱特征作用显著，而且从时域转向变换域的关键步骤。因此，对于信号频谱特性的理解、分析以及应用等发挥了关键性的重要。课程中往往会遇到很多比较抽象的概念，根据三角形式的傅里叶级数的理论，任何周期信号，只要满足狄里赫利的条件，就可以分解成直流分量、正弦和余弦函数的叠加[7]。假如使用传统的教学方式，概念缺乏生动性、形象性以及知识性，学生不仅难以理解，而且不利于学生对于课堂教学内容的理解和掌握。

（三）采样与恢复知识

采样定理被视为信号与系统分析原理领域中至关重的一个定理概论，它树立起了连续信号与离散信号间的一座桥梁和纽带[8]。作为核心内容，假如限制频宽的不间断的时间信号，就可能会拥有最高的频率，经过采样以后，仅仅在信号最高频率高于采样的频率两倍的情况下，均可达到在采样信号过程中达到恢复原有信号的目的[9]。

四、结语

Matlab软件作为当前广为流行、使用的科学计算软件，不仅在数据的科学计算、信息处理的效率、图像绘制的仿真性等方面效果突出，还有助于学生利用软件完成数值计算、可视化建模及仿真分析。在分析各种信号特性和各种参数特性的同时，利用对应的公式求解，并且在最后通过绘制图形表现出来。在《信号与系统》这门课程中充分地利用该软件，可以使抽象的定理概念和复杂的数学推导简单直观化，一方面丰富了教学手段，提高了教学效率;另一方面可以将学生从烦琐的数学运算和推导中解脱出来，从而使学生对所学知识的理解更加清晰透彻。Matlab的运用极大提升、改进和促进信号与系统的教学方式的更新，使教学内容更为丰富，提升教学的有效性。

参考文献：

[1]李娟，陈俊.信号与系统专业核心课程建设的探讨与实践[J].教育教学论坛，2017，5（22）：151-152

[2]火元莲，齐永锋.信号类课程的实践教学改革与探索[J].高师理科学刊，2019，8（8）：87-90

[3]谢自梅，范黎林.基于MATLAB的促进师生共同发展的《信号与系统》课程教学改革[J].教育教学论坛，2018，3（11）：103-104

4]谭北海，彭秋明，姚小娇，等.高等院校信号与系统课程教学辅助探究與实践[J].实验科学与技术，2018，4（2）：70-73，93

[5]薛楠，陈亭，于天河.电信专业MATLAB课程翻转教学模式设计与实践[J].高师理科学刊，2019，6（6）：81-84，110

[6]于泓博，张微，朱恒军，等.《数字信号处理》与《信号与系统》教学方法的探索[J].现代商贸工业，2019，1（5）：159-160

[7]贺艳平，张海东，王向丽.基于MATLAB的信号与系统教学改革研究[J].甘肃科技，2017，12（24）：59-61

[8]熊莎莎，缪奇航，崔文超.信号与系统结合MATLAB案例式教学[J].电脑知识与技术，2019，2（5）：254-256，260

[9]侯大有，陈万琼，张岩，等.基于MATLAB的《信号与系统》课程教学研究[J].电脑知识与技术，2018，2（06）：89-91