“信號(hào)與系統(tǒng)”課程計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)研究探討

摘 要 對(duì)“信號(hào)與系統(tǒng)”課程的教學(xué)，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、實(shí)踐環(huán)節(jié)、計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)等多方面進(jìn)行探討，著重探討計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的作用，并給出基于MATLAB的仿真實(shí)例。

關(guān)鍵詞 信號(hào)與系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)；MATLAB；仿真實(shí)例

中圖分類(lèi)號(hào) G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B 文章編號(hào) 1671-489X（2008）014-0080-02

“信號(hào)與系統(tǒng)”課程作為電子信息工程、通信工程等專(zhuān)業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課，起著承上啟下的重要作用。它以“高等數(shù)學(xué)”“工程數(shù)學(xué)”“電路”等課程作為基礎(chǔ)，同時(shí)又是“數(shù)字信號(hào)處理”“通信原理”“自動(dòng)控制原理”等后續(xù)課程的基礎(chǔ)。可以說(shuō)它是基礎(chǔ)課和專(zhuān)業(yè)課之間的橋梁，該課程學(xué)得好不好將直接影響后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。無(wú)論從教學(xué)任務(wù)還是從教學(xué)目的來(lái)看，該課程都是一門(mén)應(yīng)用性較強(qiáng)的課程，其基本原理和分析方法廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)信息處理的各個(gè)領(lǐng)域。不斷探討該課程的教學(xué)模式，使學(xué)生更好地掌握信號(hào)與系統(tǒng)分析的基本理論、方法和基本技能，是一項(xiàng)具有重要意義的工作。有關(guān)“信號(hào)與系統(tǒng)”教學(xué)與實(shí)驗(yàn)研究方面也已經(jīng)取得很多研究成果[1-3]。本文從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、實(shí)踐環(huán)節(jié)、計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)等多方面進(jìn)行探討，重點(diǎn)闡述計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的作用，并給出基于MATLAB的信號(hào)與系統(tǒng)分析仿真實(shí)例。

1 深入教學(xué)研究，精選教學(xué)內(nèi)容和改革教學(xué)方式

在選用統(tǒng)編教材時(shí)，不可能把教材中的所有內(nèi)容都作為教學(xué)內(nèi)容。因此，選擇教學(xué)內(nèi)容一定要做到精選。在選擇教學(xué)內(nèi)容時(shí)，牢牢抓住一條主線——與后續(xù)課程之間的聯(lián)系。如在后續(xù)課程中應(yīng)用較多的內(nèi)容，傅里葉變換為重中之重。“數(shù)字信號(hào)處理”中重復(fù)出現(xiàn)的Z變換及離散系統(tǒng)的分析可以刪除，把傅里葉變換、拉普拉斯變換、信號(hào)相關(guān)分析原理、連續(xù)系統(tǒng)的各種分析方法等作為主要教學(xué)內(nèi)容。在精選教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，還要把握重點(diǎn)。如傅里葉變換是信號(hào)分析的最基本也是最重要的內(nèi)容，一定要按層次講清楚，還要多做習(xí)題，尤其是一些典型題。根據(jù)筆者的教學(xué)體會(huì)，對(duì)傅里葉變換這一章的內(nèi)容，講清楚層次關(guān)系是非常重要的。如從周期信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)到非周期信號(hào)的傅里葉變換，再到周期信號(hào)的傅里葉變換表示式。

如果畫(huà)出cn、F0(ω)、F(ω)的頻譜圖，就會(huì)看到，F(xiàn)0(f)是連續(xù)譜，而cn和F(f)是離散譜，cn和F(ω)的區(qū)別僅僅在于F(ω)中離散時(shí)刻的表示是借助于單位沖激函數(shù)δ(t)來(lái)表示的。可見(jiàn)，三者有密切的聯(lián)系，講清楚這三者的內(nèi)在聯(lián)系，對(duì)掌握相關(guān)內(nèi)容是很有幫助的。

在教學(xué)方式上，將現(xiàn)代化教學(xué)手段和傳統(tǒng)教學(xué)的精華有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，在精心制作課件的基礎(chǔ)上，細(xì)致地組織課堂教學(xué)，采用啟發(fā)式、互動(dòng)式的教學(xué)模式。

在強(qiáng)化解題訓(xùn)練方面，則把重點(diǎn)放在典型題的求解上。如讓學(xué)生熟練掌握矩形脈沖信號(hào)的傅里葉變換、反變換及傅里葉變換的各種性質(zhì)是非常重要的。

筆者在教學(xué)實(shí)踐中，按上述思路在精選教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，采用合理的教學(xué)模式，并以典型題為主線，強(qiáng)化解題訓(xùn)練，收到很好的效果。

2 充分發(fā)揮實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)和計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的作用

“信號(hào)與系統(tǒng)”是應(yīng)用性很強(qiáng)的課程。如果學(xué)生僅僅依靠做習(xí)題來(lái)鞏固和理解教學(xué)內(nèi)容，對(duì)課程中大量的應(yīng)用性較強(qiáng)的內(nèi)容不能實(shí)際動(dòng)手設(shè)計(jì)、調(diào)試、分析，則會(huì)嚴(yán)重影響和制約教學(xué)效果。因此，該課程迫切需要進(jìn)行教學(xué)方法和教學(xué)手段的改革，即在改進(jìn)教學(xué)方法和調(diào)整教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，還要提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。如在開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)課的同時(shí)，采用計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)手段，用信號(hào)、系統(tǒng)分析的軟件引導(dǎo)學(xué)生完成數(shù)值計(jì)算、信號(hào)與系統(tǒng)分析的可視化建模及仿真調(diào)試，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)獲取知識(shí)和獨(dú)立解決問(wèn)題的能力，為學(xué)習(xí)相關(guān)的后續(xù)課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，雖然使學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容有了直觀的認(rèn)識(shí)，但是實(shí)驗(yàn)箱的功能畢竟有限，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單調(diào)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生只是簡(jiǎn)單地連連線、觀察示波器波形而已，不利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，也不利于學(xué)生綜合素質(zhì)的提高和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。引入計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)手段，利用MATLAB軟件強(qiáng)大的仿真功能，對(duì)進(jìn)一步提高教學(xué)效果起到很好的作用。

3 基于MATLAB的信號(hào)與系統(tǒng)分析實(shí)例

MATLAB是大量的計(jì)算機(jī)仿真軟件中的優(yōu)秀代表，它在科學(xué)研究，特別是電子信息科學(xué)中有著極為廣泛的應(yīng)用。MATLAB現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于數(shù)學(xué)、通信、信號(hào)處理、自動(dòng)控制、圖像處理等許多不同學(xué)科的研究中[4]。Simulink是MATLAB提供的交互式動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)，它允許用戶(hù)用模塊框圖代替系統(tǒng)，用戶(hù)只需用鼠標(biāo)的簡(jiǎn)單拖拉就可以構(gòu)造出復(fù)雜的仿真模型，無(wú)需糾纏于復(fù)雜的編程當(dāng)中，可以集中精力觀察系統(tǒng)的工作原理，調(diào)整參數(shù)分析系統(tǒng)的特性變化。這些特征使其非常適合做“信號(hào)與系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)仿真。

實(shí)例RLC電路的Simulink仿真。

電路如圖1所示，參數(shù)為R=2 Ω，，L=1 H，以e(t)作為輸入，uc(t)作為輸出，建立電路的Simulink仿真模型，并求單位階躍響應(yīng)。

對(duì)圖2所示原理圖，只要簡(jiǎn)單地調(diào)節(jié)參數(shù)就可以很方便地分析各種二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)特性，而不需要編寫(xiě)任何程序。圖2所示系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖3所示。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)“信號(hào)與系統(tǒng)”課程的教學(xué)，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、實(shí)踐環(huán)節(jié)、計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)等多方面進(jìn)行探討，并著重探討計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)在“信號(hào)與系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)中的作用。文中列舉的分析實(shí)例生動(dòng)說(shuō)明所論述觀點(diǎn)。在今后的教學(xué)實(shí)踐中，如何把各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)更有效地結(jié)合起來(lái)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量，還有待于做更深入的探討。

參考文獻(xiàn)

[1]劉李漫，等.基于DSP的信號(hào)與系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2005，33(6):61－63

[2]陳后金，等.我校“信號(hào)與系統(tǒng)”課程的改革與建設(shè)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2004，26(6):30－33

[3]李宏，賓寧.基于Matlab Web服務(wù)器的信號(hào)與系統(tǒng)遠(yuǎn)程教學(xué)課件[J].計(jì)算機(jī)工程，2003，29(19):184－185

[4]鐘麟，王峰.MATLAB仿真技術(shù)與應(yīng)用教程[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2004