基于Matlab GUI的“信號與系統(tǒng)”教、學一體化平臺研究與實現(xiàn)

饒偉

摘 要： 利用Matlab的圖形用戶界面（GUI）開發(fā)了一套“信號與系統(tǒng)”教、學一體化平臺。與其他采用類似方法制作的系統(tǒng)相比，該平臺不僅是讓學生直觀地得出仿真結果，更重要的是它能夠讓學生在操作的過程中思考結果產生的原因及方法，從而充分調動學生的主觀能動性，實現(xiàn)教、學一體化。

關鍵詞： “信號與系統(tǒng)”教、學一體化平臺 Matlab GUI

1.引言

《信號與系統(tǒng)》是高校電子信息類專業(yè)的核心基礎課。由于Matlab軟件可以幫助完成數(shù)值計算、信號與系統(tǒng)分析，可更快速、準確、形象、直觀地得到可視化計算機模擬與仿真，達到較好的教學效果[1][2]，因此將Matlab引入《信號與系統(tǒng)》課程的理論[3]-[5]和實踐[6]-[8]教學中，是近年來高校《信號與系統(tǒng)》教學改革的一種思路[9][10]。例如，在佐治亞理工大學、麻省理工學院、加州大學伯克利分校等，Matlab已經成為《信號與系統(tǒng)》的基本教學工具；在《信號與系統(tǒng)》國家級精品課程網站（西安電子科技大學、東南大學、北京交通大學等）及省級精品課程（清華大學、武漢大學、北京理工大學等）中，無一例外地出現(xiàn)基于Matlab軟件的《信號與系統(tǒng)》仿真實驗。現(xiàn)有的基于Matlab的“信號與系統(tǒng)”仿真實驗教學方式大致分為兩種：一是基于Matlab源代碼形式；二是基于圖形用戶界面（GUI）形式，兩者都有缺陷。

1.1基于Matlab源代碼形式

早在2008年舉辦的“信號與系統(tǒng)國家精品課程培訓”班級討論中，來自東南大學、上海大學及溫州大學等知名高校的數(shù)十位教授就對課程中Matlab的使用弊端進行了討論，他們一致認為：在使用Matlab進行仿真實驗時，由于學生的積極性不高及對軟件工具的掌握情況不理想，很多需要學生獨立完成的實驗無法正常進行，最后往往會出現(xiàn)給出程序學生照抄，不給程序學生不會的情況。

1.2基于圖形用戶界面形式

為了解決上述基于Matlab源代碼的實驗仿真中所存在的問題，近年來興起了一種利用Matlab圖形用戶界面（GUI）來開發(fā)設計的“信號與系統(tǒng)”仿真演示系統(tǒng)[7]，[11]，[12]。整個系統(tǒng)由實驗主界面和單個實驗界面組成，每個實驗界面可以由用戶自行設置和修改實驗參數(shù)，實現(xiàn)實驗結果的動態(tài)顯示。但是，美中不足的是：學生在使用該系統(tǒng)時，只要一輸入數(shù)據和確定相應參數(shù)后便立即得到正確的結果，而對于該結果是怎么來的卻完全不思考。

綜上所述，基于源代碼的仿真實驗教學方式讓學生負擔過重，而基于圖形用戶界面的仿真實驗教學方式又完全“解放”了學生。因此本文對現(xiàn)有的圖形用戶界面仿真進行重新設計，讓學生在操作環(huán)節(jié)思考得出正確結果的方法或步驟，充分發(fā)揮學生的主觀能動性，從而實現(xiàn)教、學一體化。

2.信號與系統(tǒng)互動式教、學一體化平臺設計

2.1平臺總體設計步驟

圍繞信號與系統(tǒng)課程的主要內容，進行了基于Matlab圖形用戶界面的“信號與系統(tǒng)”教、學一體化平臺設計。總體設計步驟如下：

2.1.1對信號與系統(tǒng)知識點進行甄選，確定應該且適合用于該平臺的內容。并對所選內容的表現(xiàn)方式進行分類：a.純演示型；b.用戶可自定義參數(shù)型；c.互動型。

2.1.2結合實驗大綱要求確定能設計成實驗的內容。

2.1.3利用m語言編寫及調試單個程序。

2.1.4在單個程序基礎上，利用Matlab GUI設計圖形用戶界面，并編寫相應的Callback函數(shù)。

2.1.5編寫每個用戶界面的“幫助”文檔，以及可用于實驗的實驗指導書。

2.1.6系統(tǒng)總體調試和完善。

2.2平臺所包含的內容

利用Matlab GUI開發(fā)的“信號與系統(tǒng)”教、學一體化平臺包括七大模塊：（1）“信號生成與運算”；（2）“系統(tǒng)時域分析”；（3）“頻域仿真分析”；（4）“復頻域仿真分析”；（5）“離散系統(tǒng)時域分析”；（6）“z域仿真分析”；（7）“狀態(tài)空間分析”。以上界面中均設有可調參數(shù)。

3.典型互動模塊設計

以“連續(xù)信號卷積”界面設計為例，介紹教、學一體化平臺設計的思想和方法。

利用“初始化”按鈕給出兩個將進行卷積運算的圖形信號。界面設計有5個單選按鈕分別為“變換”“平移”“反褶”“積分”“相乘”，利用Matlab的圖形顯示、相乘、積分等功能設計出上述5個單選按鈕對應的圖形，但并不預先顯示出來。界面還有一個提示窗口，給出了信號卷積的定義式，并對接下的操作步驟的正確性做出判斷，如圖1所示。接下來操作者如果需要得到這兩個信號的卷積結果，就要依次選擇正確的步驟。當步驟選擇正確時，相應的圖形也就顯現(xiàn)出來，反之提示窗口會給出“錯誤，請重試！”的提示信息。此外，界面中還有一個紅色“幫助”按鈕，按下后界面將以序號的方式：（1），（2），……給出卷積計算的正確步驟，并顯示出所有步驟對應的圖形，如圖2所示。

與輸入兩個信號后直接給出卷積結果的方式相比，通過該界面，操作者需要充分發(fā)揮主觀能動性，從而加深對該部分內容的理解，鞏固甚至可以自學卷積計算的物理含義，實現(xiàn)了該部分內容的教、學一體化。

4.結語

文章提出了基于Matlab GUI的“信號與系統(tǒng)”教、學一體化平臺。與現(xiàn)有類似的GUI界面相比，克服了確定輸入即得輸出的弊端，讓學生在使用的過程中不得不對相關知識點進行復習或自學，從而充分發(fā)揮Matlab GUI在“信號與系統(tǒng)”課程中的優(yōu)勢。該平臺實現(xiàn)了實驗教學、理論教學、自學的一體化，促進學生對教學內容的理解與掌握，從而增強教學效果，提高教學質量。此外，該平臺的設計思想可以拓展至其他類似課程中，如《數(shù)字信號處理》等課程。

參考文獻：

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江西省教育廳2012年度教學改革研究項目（JXJG-12-18-13）；江西省教育廳2011年度教學改革項目（JXJG-11-18-8）；南昌工程學院2012年度教學改革研究項目。