信號與系統實驗綜合管理系統的研究與設計

溫彬彬,曾 成,伍萍輝

(河北工業大學信息工程學院,天津 300401)

信號與系統實驗綜合管理系統的研究與設計

溫彬彬,曾 成,伍萍輝

(河北工業大學信息工程學院,天津 300401)

從學校實驗教學的管理現狀出發,結合軟件實驗教學和硬件實驗教學的優點,利用計算機和網絡創建了一套管理人員信息和實驗信息的綜合管理系統。介紹了該系統的框架及各個部分,重點分析了實驗管理系統,包括目標、設計思路和實現,最后說明了該系統的設計特點,為該系統大規模推廣奠定了基礎。

信號與系統;實驗管理;虛擬儀器;應用程序

信號與系統這門課程是電子通信類的專業基礎課程[1],這類課程理論性強,數學分析多,概念抽象,學生普遍反映學習枯燥無味且比較困難。實驗教學直觀、生動地把概念和理論轉化為實際物理電路,學生親身實踐,觀測物理信號,幫助理解理論和概念。采用Matlab軟件對實驗數據進行分析處理,減少人工計算和推理,增添學習興趣。傳統人工管理實驗室的方法耗費人力和時間,且管理功能上存在缺陷,已經不再適應當下的發展,為了提高教學質量和管理服務效率,各高校都在致力于實驗管理系統的開發[2-4]。

1 實驗管理系統的架構

信號與系統實驗綜合管理系統集實驗系統和管理系統于一體,遵循資源共享轉型建設的需求,在現有實驗設備條件的基礎上進行進一步的研究開發,構建如圖1所示實驗教學綜合管理平臺。

該管理平臺主要包括硬件實驗平臺、基于PC機的實驗教學管理系統、網絡用戶、服務器及數據庫系統等四大部分[5]。軟件實驗平臺和硬件實驗平臺通過信號采集/輸出模塊建立連接,實現硬件實驗模塊和信號分析處理軟件的有機結合,軟件平臺通過信號輸出模塊可以靈活提供硬件平臺所需的各類實驗信號,硬件平臺獲得的實驗結果則可以通過信號采集模塊輸入到軟件平臺進行記錄、分析和處理,而處理得到的結果又可以通過信號輸出模塊再次加載到相應的硬件模塊,進行更為具象化的展示。

圖1 實驗教學綜合管理平臺框圖

硬件實驗平臺采用拔插式模塊化結構,便于系統維護和后續的功能擴充與更新。硬件模塊根據其應用方向分為課程實驗模塊、課程設計模塊和創新訓練模塊三大類型,而按照其具體功能又可分為系統時域分析、信號頻域分析、系統頻域/復頻域分析、信號取樣與恢復、信號調制與解調、典型濾波器、系統模擬、音頻信號分析與處理等,箱體提供各模塊所需的電源、信號、可調電阻、音頻采集和回放接口等資源,按照不同的模塊配置和實踐教學要求,各種功能模塊既能用于課程實驗,也能用于課程設計和創新訓練。同時,音頻采集與回放接口除了可以實現音頻信號的分析和處理,還可以作為信號的另外一種展示形式,獲取音頻的直觀聽覺感受,這是對信號波形觀察視覺信息的一個有益補充,也能激發學生的學習興趣。

軟件實驗管理平臺是資源共享實驗教學管理系統的一個終端,除了提供基本的用戶登錄、個人信息管理、實驗過程管理等功能之外,它還集成了實驗教學所需的各種軟件功能模塊,主要包括:

(1)虛擬儀器模塊。提供硬件實驗平臺所需信號,采集、記錄硬件平臺實驗結果[6]。

(2)信號分析與處理模塊。采用連續/離散、變換域的各種方法,對虛擬儀器采集的結果進行分析和處理。

(3)虛擬實驗和仿真分析模塊。借助于各種仿真軟件,為用戶提供虛擬儀器。

軟件平臺與硬件平臺相結合,既可以發揮硬件實驗和軟件仿真實驗各自的優勢,克服硬件實驗難以實現變換域分析的不足,還能建立連續信號/系統與離散(數字)信號/系統的直接聯系,有利于信號與線性系統、數字信號處理2門課程實踐教學內容的整合與優化,有利于學生理解和掌握各相關知識模塊之間的聯系,構建較為全面完整的信號與系統知識體系。

網絡和數據庫系統為用戶(教師、學生、系統管理人員)提供實驗教學資源共享的網絡和數據存儲服務[7]。

2 實驗管理系統的分析與設計

2.1 系統目標

實驗綜合管理系統是從學生個人實驗過程管理入手,利用強大的數據庫功能,可以對學生的信息進行管理,大大提高了學生的自主學習興趣和對實驗的重視,同時也提高了實驗室的管理效率[7]。本系統在設計時滿足以下幾點:

(1)采用人機對話的操作方式,數據存儲速度快、安全可靠,查詢靈活、方便、快捷、準確。

(2)對學生和教師及實驗室的信息操作簡單,方便進行添加、修改和刪除。

(3)完善的實驗排課管理,可根據需要靈活地調整實驗課程信息。

(3)設置實驗性質和學分,選修類和必選類,方便學生根據自己的需求選擇實驗科目。

(4)提交預習報告批閱后方可進行實驗,在一定程度上提高了學生對實驗的自主性和重視性。

(5)向服務器提交實驗報告,電子存檔便于今后的教學檢查。

(6)教師批閱預習和實驗報告,針對課堂表現,給出綜合實驗成績。

(7)系統最大限度地實現了易維護和易操作性。

(8)系統運行穩定、安全可靠。

2.2 系統設計思路

利用課程資源共享平臺,開發相應的實驗綜合管理系統,對信號與系統實驗教學全過程(選題、預習、實驗操作步驟、實驗結果記錄、實驗報告的撰寫、報告批閱、實驗成績管理等)進行網絡化的管理,督促學生從被動學習變自主學習,將實驗教學模式從千篇一律、機械化的通識教育轉變為具有差異性和自主性的個性化教育,其基本思路如下:

(1)實驗教學內容的差異化和自主性。在滿足基本教學要求的前提下,對于同一個實驗教學內容,信號與系統實驗教學平臺支持多種不同的實驗方案,而同一個實驗方案,又可以選擇各種不同的實驗參數。實驗方案和實驗參數均由學生在實驗教學過程中自主選擇。

(2)實驗教學環節的進程根據實際情況分為3個階段,即實驗預習階段、實驗階段和實驗報告階段。對每個階段設置相應的時間段,進行網絡化管理,要求學生和實驗教師在規定的時間段完成各階段任務。在網絡化環境下,任課教師對學生完成實驗教學環節的質量和效果進行監控。每一個學生采用獨立的用戶名和密碼登錄實驗系統,其完成每項實驗教學任務的過程和結果均記錄在相應數據庫中。系統采用技術手段對實踐教學各階段形成的實驗方案、實驗參數、實驗結果、實驗分析、實驗報告等數據進行雷同甄別,并從技術上防止學生復制他人實驗結果或者篡改實驗記錄,督促學生及時地、獨立自主地完成實驗教學環節的全過程。

(3)在實驗預習階段,學生根據實驗教學任務和基本要求登錄客戶端,自主選擇實驗方案,計算確定實驗參數,并將預習結果保存到網絡數據庫中。在后續的實驗操作過程中,導入自己之前的實驗預習方案,若發現預習確定的方案或參數不合理,可以修正實驗方案和參數,但不能覆蓋原預習結果。在實驗報告中,除了正常的實驗結果分析之外,還必須對原預習結果不合理的原因以及將產生的后果進行分析。

(4)在實驗操作階段,登錄實驗系統,則從網絡自動導入個人預習時確定的實驗方案和實驗參數,按照實驗步驟進行實驗操作,分別記錄各步驟獲得的實驗結果,在最終確認之前,允許修改更新實驗結果。實驗操作完成之后,對各項實驗結果進行檢查確認,確認后的結果存入網絡數據庫,不允許再更改。

(5)在實驗結果分析和報告撰寫階段,學生對實驗操作階段獲取的各項結果進行整理并依次進行分析,完成之后由系統自動生成電子版的實驗報告或課程設計報告,確認無誤后進行網上提交。這樣可以實現實驗報告的無紙化管理,也能減輕學生撰寫實驗報告的負擔。在整理分析實驗結果時,若發現結果有誤,也應分析錯誤產生的原因,并說明正確的結果應該是什么。

(6)在報告批閱、成績管理階段,實驗教師對學生提交的實驗教學成果、報告進行評閱,并給出相應的成績,記錄到網絡數據庫中。

2.3 系統實現

實驗綜合管理系統根據教學角色不同把用戶分為3類:系統管理員、教師和學生[8]。針對不同的用戶,系統分別賦予不同的權限和功能,如圖2所示。

圖2 系統功能框圖

2.3.1 系統管理員模塊

根據管理員的任務和工作需要分為4個部分:

(1)教師信息管理。可對教師的基本信息進行錄入,生成教師信息表,并根據教師情況可對這些信息進行增加、刪除和修改。

(2)學生信息管理。可及時錄入新入學的學生、刪除已畢業的學生。

(3)實驗信息管理。包括實驗方案的設置、實驗開課學期、實驗課程選修和必選性質、實驗學分、實驗教學課程安排等[9]。

(4)數據庫管理。維護系統的安全和穩定。

2.3.2 學生功能模塊

學生是實驗教學的主體,根據學生對系統的需求可分為7個部分:

(1)登陸界面。輸入個人的學號和密碼,通過系統驗證成功后,可進入系統中進行實驗。

(2)修改個人信息界面。可修改個人信息,包括電話、郵箱及系統的登錄密碼等。

(3)實驗課程。為學生提供了本學期需要進行的必修實驗課程及上課時間、地點和實驗教師,還有選修實驗課程的介紹,學生可根據自己的興趣和需要選擇性質不同的實驗課程。

(4)實驗預習。學生在進入實驗前規定時間內要完成的預習工作,只有上傳預習報告并通過批閱才能進行實驗,對一些驗證性實驗來說,實驗預習只是一些參數的確定,而對開放性實驗或者課程設計來說,實驗預習還應向系統提交一份完整的實驗方案。

(5)實驗過程。導入之前提交的預習報告,按照系統中各個實驗的指導書,按步驟進行實驗。

(6)實驗報告。在實驗過程后對實驗結果的處理和分析,都要在實驗報告中體現,假如在實驗過程中發現之前的預習參數有問題,可在實驗報告中及時修改,并標注出錯誤原因。

(7)實驗成績查看。方便學生隨時跟蹤自己本次的實驗成績,還可以查詢以往實驗成績。

2.3.3 教師功能模塊

教師是實驗綜合管理系統的教學監督及管理人員,針對教師用戶的需求,這一模塊可分為5個部分:

(1)教師登陸界面。輸入個人的職工編號和密碼,通過系統的驗證成功后,可進入系統中進行實驗。

(2)個人信息修改界面。可修改個人信息,包括電話、郵箱及系統的登錄密碼。

(3)實驗課程界面。可呈現教師本學期的實驗課程以及實驗地點、時間和班級。

(4)實驗報告批閱。可對學生提交的報告進行批閱,有重大錯誤的需要反饋學生,及時指正學生。

(5)實驗成績評定。教師批閱學生完成的實驗報告,針對學生實驗操作過程中的實際表現,綜合給定學生的實驗成績。

3 系統設計的特點

根據信號與系統實驗資源共享建設指導原理,結合當前實驗室具體情況和學生數量,設計的系統具有以下的特點:

(1)軟硬件結合。這樣的實驗教學系統不但可以通過硬件平臺把概念變為形象、生動、直觀的圖像和實例,利用軟件進行信號的處理和分析,減少了手工繁雜的理論計算,而且學生親身實踐,接觸到實際硬件電路,真實地觀測物理信號,增添了實驗的樂趣。

(2)教師全方位介入。整個實驗過程還是延續傳統實驗教學的優點,集中進行實驗,不僅可以觀測學生整個實驗過程,防止別人替代的行為,而且學生實驗中遇到問題還可以及時地同教師和周圍同學溝通,加快解決問題的速度。

(3)脫機和聯網運行相結合。系統采用客戶端、服務器和數據庫的結構,就是要實現在網絡化的條件下實驗也可按計劃進行。客戶端中包含所有實驗,即便本學期不再開設這門實驗課程,學生在有學習需要時也可隨時在自己的電腦上學習,打破實驗課程學期的約束性。

(4)多元化的實驗管理功能[10]。在網絡已經完全覆蓋學校的大網絡環境下,學生和教師的信息、實驗課程安排、實驗成績查看等都可以網絡化管理。

(5)強大的數據庫系統[11]。教師和學生的個人信息、學生的實驗預習報告和實驗最終報告、實驗成績存儲都需要一個存儲數據量大、功能強、讀取速度快的網絡數據庫,并且還要能包容各種形式的數據處理結果。

(6)實驗自主性和實驗內容差異化。實驗分階段進行,要求在規定時間按一定順序完成實驗,并且能夠針對同一實驗設置不同參數和不同實驗方案,供學生自主選擇。

(7)防抄襲和篡改設置。系統中對實驗報告和實驗結果進行加密處理,防止學生間互相復制和篡改。

4 結束語

高校實驗教學綜合管理是一個必然的發展趨勢,將傳統的實驗模式加入虛擬儀器和網絡化的管理,使學生在實際動手的同時加深對課程的理解。實驗綜合管理系統既督促了學生自主學習性,又提高學生對實驗的興趣,同時還方便教師對實驗過程的掌握。系統還特別設有防抄襲、防篡改的功能,進一步保證了實驗教學的質量。數據庫管理學生實驗報告,極大方便了教學評估。目前此系統已在小范圍內測試使用,效果顯著,為進一步向其他專業和院校推廣奠定了基礎。

References)

[1]趙玲,姚金寶.“信號與系統”虛擬實驗平臺架構設計[J].現代科學儀器,2012,(3):34-35.

[2]張艷玲,黃聲烈,金京姬,等.實驗教學管理系統的設計與實現[J].實驗技術與管理,2009,26(9):87-90.

[3]王巖,徐金榮,高珍,等.實驗教學信息管理系統的開發與探索[J].實驗技術與管理,2010,27(2):83-86.

[4]萬桂怡.網絡開放式實驗教學資源管理[J].實驗室研究與探索, 2009,28(11):204-206.

[5]王攀,王晶,陳少平,等.基于Web的實驗教學管理系統的設計與實現[J].中國電化教育,2010(2):114-117.

[6]李翼.基于Lab VIEW的實驗管理系統[D].杭州:浙江大學,2005.

[7]黃天辰,馮長江,趙月飛,等.全開放實驗教學與管理系統的設計與實現[J].實驗室研究與探索,2011,30(4):181-183.

[8]呂才生.實驗教學管理信息系統的設計與實現[D].成都:電子科技大學,2012.

[9]侯志昌.實驗室信息管理系統的研究與實現[D].上海:上海交通大學,2009.

[10]楊公博.基于B/S架構的實驗教學管理系統的設計與實現[D].濟南.山東大學,2011.

[11]張袖斌.實驗中心綜合信息管理系統的設計與實現[D].廣州.華南理工大學,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

溫彬彬(1989—),女,河北邢臺,碩士研究生,研究方向為通信與信息系統、通信與電子測控技術

曾成(1971—),男,湖南株洲,工學博士,副教授,研究方向為信號處理和智能信息處理.

E-mail:zch＠hebut.edu.cn