關于在“信號與系統”課程教學中設計“軟實驗”的嘗試與探討

朱偉芳　石霏

摘 要 “信號與系統”是電氣信息類專業的一門重要的專業基礎課程。由于涉及積分變換等較多數學理論知識，一般在教學過程中容易側重于理論推導，讓學生產生枯燥感。為了進一步幫助學生理解與掌握相關理論知識，本文就設計基于MATLAB和LabVIEW的“軟實驗”的嘗試進行探討，將課程的相關理論知識“可視化”，以調動學生的學習積極性和主動性。

關鍵詞 信號與系統 軟實驗 探索 可視化

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.10.043

Abstract "Signal and system" is an important basic course of electrical information specialty. Because of the mathematical knowledge of integral transformation， it is easy to focus on theoretical deduction in the process of teaching and make students feel boring. In order to help the students to understand and master the theory of knowledge， this paper design based on MATLAB and LabVIEW's "soft experiment" attempts to discuss the related theoretical knowledge， course of "visualization"， in order to arouse the students' enthusiasm and initiative.

Keywords signal and system； soft experiment； exploration； visualization

“信號與系統”課程是工科院校電氣信息類專業一門重要的必修專業基礎課，且多為學位課。以蘇州大學電子信息學院為例，教學課時設置為63學時，一般安排在第4學期，是“數字信號處理”、“數字圖像處理”、“多媒體技術”等專業課程的重要先修課程。由于課程內容涉及卷積積分以及傅里葉變換、拉普拉斯變換等重要的積分變換，教學過程中容易側重于公式推導和性質證明等理論分析，讓學生產生枯燥感以及理論脫離于實際的感覺。為了讓學生更深入地理解和掌握相關的知識要點，我們嘗試適當設計與增加了一系列基于MATLAB和LabVIEW軟件的軟實驗，將課程的相關理論知識“可視化”，能更好地幫助學生理解和掌握相應的知識點。

1增加“軟實驗”的必要性

蘇州大學電子信息學院現有的6個本科專業，包括電子信息工程、信息工程、通信工程、微電子科學與工程、電子科學與技術以及集成電路設計與集成系統，全部開設“信號與系統”課程，是各個專業的學位課程或者專業必修課程，理論課一般安排在第4學期進行。后續接著安排1學時的“電路、信號與系統實驗”課程，主要是有關電路、信號與系統課程內容的一些相關硬件實驗，比如一階、二階電路的系統特性、周期信號的頻譜分析等。也就是說，在開設“信號與系統”課程時，并沒有同步開設相應的實驗，而這門課程的特點是在涉及大量數學知識的同時，工程應用背景也非常廣泛，為了解決學生常有的“學這門課有什么用”的疑惑，在課程學習過程中激發學生的學習和研究興趣，我們嘗試補充了一些“軟實驗”，將相關理論知識“可視化”，作為對傳統硬件實驗的補充。

2 “軟實驗”設計

2.1 編程語言的選擇

經過調研與論證，我們選擇采用MATLAB以及LabVIEW語言來設計“軟實驗”：（1）MATLAB集成環境中包含了大量的信號處理、系統仿真等工具包，便于我們的“軟實驗”的設計與開展，我們的學生大多在第1、第2學期選修過MATLAB，有一定的編程基礎；（2）雖然大部分學生之前可能沒有學習和使用過LabVIEW語言，但是LabVIEW語言具有模塊化編程的特點，很好地體現了系統的級聯、并聯等模塊化集成這一“信號與系統”課程中的重要思想，有助于學生宏觀地、全面地建立和理解信號與系統之間、各個子系統與總系統之間的關聯，而且編程也比較容易上手。

2.2 “軟實驗”內容的設計

經過一定的討論與嘗試，圍繞“信號與系統”主要研究確定性信號經線性時不變系統進行傳輸與處理的基本概念與時域、頻域以及復頻域的基本分析方法這一思路，我們設計了一系列“軟實驗”供學生練習，如信號的時間變換運算、系統的時域、頻域及復頻域分析、系統函數的極零圖與穩定性、基于頻譜分析的相位差測量等。下面以信號的時間變換運算和基于頻譜分析的相位差測為例進行介紹，其中前者采用MATLAB編程環境，后者采用LabVIEW編程環境，內容安排為課程相關知識點的簡單擴展應用。

2.2.1 信號的時間變換運算

信號的時移、翻折和尺度變換等時間變換運算是針對自變量時間t進行的，其數學表達式與波形變化之間存在一定的變化規律。在講授上述信號時間變換運算時，幾乎每次都有個別學生掌握不了規律。因此，我們設計了采用MATLAB作圖實現以下信號：（其中表示原始信號，和表示時移量，表示尺度變換因子）。圖1以（a）圖中的鋸齒波為原始信號，依次利用MATLAB作圖實現了以及，可以讓學生在編程實現的同時，方便直觀地觀察分析信號的時移、翻折和尺度變換對信號波形的影響，加深對信號時間變換的理解和掌握。

2.2.2 基于傅里葉變換的相位差測量

為了學生加深對周期信號的傅里葉級數、采樣定理以及信號相位差等知識點的深入理解和掌握，我們設計了一個基于頻譜分析的相位差求解實驗方案，采用LabVIEW語言，目的在于求解兩個同頻、同幅、不同相位周期信號之間的相位差。在這個實驗中，涉及到周期信號的傅里葉級數展開、基波頻率和相位、諧波頻率和相位、采樣定理與采樣率的設置等聯系信號的時域與頻域分析的重要知識點，又結合了系統的級聯、并聯與LabVIEW的模塊化編程特點，是一個較好的綜合“軟實驗”嘗試。圖2和圖3給出了一種實現方案，可以避免諧波分量對相位差測量的干擾，同時學生可以直觀地觀測到噪聲、采樣率等對相位差測量的影響。endprint

3 探討與啟示

“信號與系統”，由于其理論性較強的特點，使得學生望而卻步，我們經過開展過程化考核、撰寫課程應用調研與拓展報告、增加“軟實驗”、微課講解課程難點與重點等多種教學形式相結合的課程改革，取得了較好的教學效果。其中“軟實驗”是實現相關理論“可視化”以及理論的工程應用的一種重要方式，是對傳統理論教學的一種補充，有助于提升學生的工程實踐與分析能力。我們將沿著學以致用的思路繼續推進“信號與系統”課程的改革。

€L？015年蘇州大學高等教育教改研究課題，青年項目，2015-49

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