MATLAB軟件在《信號與系統》課程實踐中的應用

肖林　張永勝

【摘 要】美國20世紀80年代中期推出的數學軟件MATLAB，具有強大的數值計算能力和卓越的數據可視化能力，可以提供與矩陣有關的強大的數據處理和圖形處理功能， 是科學分析和科學計算領域最優秀的應用軟件之一。鑒于《信號與系統》這門課程傳統“黑板式”教學存在的理論計算繁瑣、信號及系統分析時圖像較多甚為抽象難以理解等弊端，不妨在《信號與系統》課程教學的各個環節中引入MATLAB軟件，教學成果有效地驗證了MATLAB軟件在《信號與系統》課程教學中的真實有效性以及優越性。

【關鍵詞】MATLAB；信號與系統；課程教學改革

0 引言

《信號與系統》課程是通信工程電子信息工程等專業的一門重要的專業基礎課，然而，在傳統的黑板式教學過程中，我們不難發現學生普遍覺得該課程較為抽象學習起來難以理解。聯系到該課程傳統教學的模式，結合《信號與系統》這一課程較為抽象的特點，深入改革與實踐后，不難發現，將MATLAB軟件靈活地運用到《信號與系統》課程的各個教學環節，能明顯地激發學生學習熱情、活躍學生學習氣氛以及提高該課程的教學效果。

1 傳統教學模式下《信號與系統》教學現狀

在過去很長的一段時間里面，《信號與系統》課程都是采用傳統的“黑板式”教學。一般情況下，學校給《信號與系統》課程安排的教學課時都相對較少，巧婦難為無米之炊，在一定程度上教師要在這有限的時間內清晰透徹地將每個晦澀難懂的知識點講得讓大家都聽得懂非常困難，由于《信號與系統》這門課程公式定理推導步驟繁瑣、理論內容十分豐富、概念較為抽象難懂，與此同時教師又不得不推進教學進度，在這雙重壓力下很多時候傳統式教室上課情況表現為教師在講臺上手持書本講課滔滔不絕，學生注視老師手捏鋼筆愁眉苦臉，更有甚者覺得反正左右都是聽不懂不如干脆加入“低頭族”隊伍若無其事玩手機。這種傳統“黑板式”教學在一定程度上可能會挫傷部分學生的學習積極性和學習熱情。在這種情況下，不妨在《信號與系統》的教學上引入MATLAB軟件。

2 MATLAB軟件的優越性

MATLAB軟件是1984年美國推出的數據分析及圖形處理軟件。首先，該軟件采用非常接近人們書寫思維的直譯式編程和編譯系統，學生基本上都有C語言的基礎，因此，對于一般高校學生來說，MATLAB軟件操作簡便，具有引入到《信號與系統》課程教學的可行性。其次，MATLAB軟件可以用來解答一些線性方程組以及一些矩陣變換，比如傅里葉變換、拉普拉斯變換等。再者，MATLAB所具有強大的數據分析處理能力，在《信號與系統》課程教學中可以將艱深晦澀的理論可視化，更加便于學生洞悉其原理以及加深其記憶。

3 基于MATLAB軟件的《信號與系統》教學

在這一節中，我們將具體闡述如何將MATLAB運用到《信號與系統》課程的各個環節。

3.1 將MATLAB引入課堂理論教學

MATLAB是一個實用性非常強并且運用非常廣泛的的軟件，將MATLAB仿真軟件引入《信號與系統》課程教學近些年正逐漸呈現為一種趨勢。上課時，在課本與多媒體投影儀相結合之于，不妨再加入MATLAB軟件。無論是連續時間系統還是離散時間系統的知識體系，MATLAB軟件都可以把復雜的公式數據轉化為通熟易懂的圖像。比如周期矩形信號的頻譜，教材中給出的插圖僅僅是頻譜的局部，不利于學生對該波形整體的認識和理解。而倘若運用將MATLAB仿真軟件來對周期矩形信號進行模擬仿真的話，學生就可以看到多個周期，山重水復凝無路，柳暗花明又一村。這樣一來學生能夠更加加深對該頻譜的整體的認識和理解，又如對三角脈沖信號波形及頻譜的分析，假如教師僅僅是用口述去描繪以及黑板來板書，相信很多學生對于三角脈沖信號的波形及頻譜的認識就是是云里霧里，根本談不上分析。倘若教師在講臺上演示如何通過使用MATLAB來分析三角脈沖波形信號及頻譜，相信這樣可以更加便于學生加深對該波形及頻譜的理解及分析。同時，也可以帶動大家去思考討論活躍課堂氣氛，同時提高學生的學習積極主動性以及引導學生自己動手運用MATLAB軟件進行實際的上機操作。

3.2 將MATLAB引入實驗操作教學

不少IT類專業都獨立開設了MATLAB這門課程，將MATLAB引入到《信號與系統》課程的實驗操作教學，一方面為MATLAB這門課程提供了實踐的平臺，海闊憑魚躍，天高任鳥飛。另一方面在《信號與系統》課程的實驗教學當中使MATLAB軟件與實驗箱這一硬件相結合。實驗課時，我們可以在教學實驗大綱的指導下根據各個實驗的特點來選擇每一個實驗是用實驗箱還是用MATLAB軟件來操作才能使實驗效果更加美好，或者MATLAB軟件與實驗箱取長補短相結合。這樣一來學生通過軟硬結合的實驗設施可以提高效率得到更加直觀、形象、精確的實驗結果來驗證實驗的理論數據。比如單位階躍信號的拉普拉斯變換，如果用實驗箱的話，可能只是得到一個二維的平面振幅頻譜曲線圖，而如果使用MATLAB仿真軟件的高超的數據處理及繪圖能力，那么，就可以得到一個三維的立體曲面圖像，這樣可以更加便于學生對知識的理解和接受。

3.3 將MATLAB引入《信號與系統》課程設計

在常規的課堂理論教學與實驗實踐操作教學之余，不妨再布置《信號與系統》課程設計。課程設計無疑是《信號與系統》課程的一個非常不錯的實踐平臺。一方面，學生通過參與課程設計可以加深對所學知識的印象鞏固所學知識，使所學知識有更深的體會和運用。另一方面，理論與實踐相結合，可以鍛煉學生接受新事物的能力和培養創造力。

4 結束語

回首《信號與系統》課程的教學歷史，長期以來大量學生在繁雜的數學公式推導中苦苦掙扎而忽略了分析問題的基本方法的思考與理解，本文立足于傳統教學模式下的《信號與系統》課程教學背景，分析了MATLAB仿真軟件的各個特點，將MATLAB仿真軟件引入到《信號與系統》的教學中去，理論與實踐相結合，充分發揮利用了MATLAB仿真軟件的各項優勢，能使學生更好地理解該課程的相關知識，既能使學生從繁瑣的數字計算中解脫開來，又能使學生透徹地理解所學知識，同時更加注重于分析方法的學習，在一定程度上提高了《信號與系統》的學習效率，增加了對該課程的學習積極性。

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[責任編輯：楊玉潔]