Matlab應用于《信號與系統》課程教學改革

李東輝 周永勤

摘要：《信號與系統》作為通信與信息類專業的專業必修課程之一，涉及概念、分析以及實踐操作等多個領域，具有理論性、實踐用性以及應用性廣的特征，該課程的教學質量情況占據著至關重要的地位。傳統的板書教學辦法已經很難滿足當前學生學習的需求了，不僅使學生主動學習和創新性難以得到保障，也難以實現提升學生綜合性能力的效果，不利于學生發展的全面性和長久性。文章以Matlab仿真軟件為研究對象，能夠促進學生《信號與系統》課程學習效果的提升，培養學生的獨立思考能力，從而優化教師教學的水平與質量。

關鍵詞：Matlab;信號與系統;教學改革;實踐

《信號與系統》課程具有理論性、實踐性以及應用性廣的特征。然而，現實是傳統的板書教學辦法已經很難滿足當前學生學習的需求了，不僅使學生主動學習和創新性難以得到保障，也難以實現提升學生綜合性能力的效果，該課程的教學質量情況占據著至關重要的地位。與此同時，還是高等數學、工程數學等作為其學習的基礎，不僅包括計算與推導、諸如微、差分方程求解，甚至是卷積等基礎計算，因此，針對目前信號與系統課程的教學現狀，在理論教學、課堂教學以及實驗教學的改革，不僅能夠達到提升學生的學習效果，而且能夠達到升華學生學習能力的教學目標。

一、Matlab在《信號與系統》教學方式的價值與作用

隨著信息化技術的日益發展，尤其是信息技術時代的到來，傳統的板書難以適應學生的學習需求。信號與系統課程長期采用傳統的教學方式，盡管推算練習在某種程度上能夠實現提升學生計算應用的能力、思維習慣改變的效果。但是在應用性較強的教學內容中，難以使用行之有效的辦法親自動手進行設計、詮釋和講解，對所學知識的理解、思考以及應用不夠靈活，對學生學習的主動性、科學以及創新性產生一定的影響，學生綜合能力，特別是應用能力難以提升，難以使學生得到全面發展的目標實現[1]。Matlab軟件是在國際上普遍最流行、使用最為廣泛、應用最強的科學、技術與工程計算軟件之一，其中主要技術包含了應用代數、數理統計、自動控制、工程繪圖以及數字圖像處理等[2]。在《信號與系統》教學中，引入Matlab在擺脫煩瑣的數學運算的同時，還可以使學生更加關注信號、系統最根本的分析、理解及應用的方法，達到信號與系統課程可看、可控的曲線以及圖像和聲音等兼備的效果，增強教學內容的畫面感，提升授課效率與效果，弱化理論與實踐教學的界限。達到提起學生學習興趣、培養自主獲得知識以及獨立學習能力提升的效果，進一步加深對信號與系統的基本原理、方法及應用的理解[3]。

二、革新《信號與系統》教學方式與教學手段

《信號與系統》常規課堂教學中存在眾多問題與不足，在一定的程度上降低了學生的學習積極性，不利于學習效率和教學質量的提高。因此，信號與系統課程迫切需要進行教學方法和教學手段的改革。

課堂教學方面主要是從三個層次入手：

第一個層次是尋找重點，將難點生動化。把一些很難理解的部分，使用聲音圖像、動畫等相結合，為圖片展示和公式推導等環節提供了便利。但也存在過分依靠多媒體，學生不僅會產生厭倦感，還弱化任課教師對教學重點與難點的把控，從而出現因課堂教學速度快，學生難以理解所學內容的問題。

第二個層次確保學生認知過程與課程體系二者之間的連貫性。信號分析即是信號理論的重要成分，它將信號作為其函數，采用數學與物理結合的方法對信號展開描述性分析，提出特征后，在鑒別課程體系內容結構基礎上，以連續信號與系統為出發點，完整地結合高等數學與電路知識，最后向離散信號與系統置入[4]。使得學生可以將章節進行串聯，形成一個固定的整體，便于學生掌握課程的核心內容。在教學的整個過程中，始終以通信系統的應用為背景，突顯通信工程的專業特點，正確地引導學生運用數學工具分析典型工程和物理問題，從而達到學以致用的目的。

第三個層次是實現課內實驗優化與課外實踐深化。信號與系統對于學生數學能力有較高的要求，造成學生對學習內容難以有效的理解。通過引入Matlab軟件改進教學方法，仿真實驗有新穎和互動性，理論與Matlab之間的相互結合，這樣就可以對枯燥的信號與系統課程進行生動形象地講解，在激發學生求知欲的同時，還可使學生編程能力提升，達到培養學生學習興趣有效提升的目的。見下圖。

三、《信號與系統》課程中應用Matlab的策略

通過Matlab仿真軟件能更好地幫助學生理解信號與系統中的抽象概念，可以調動學生的獨立思考能力，從而提升教師教學的質量。

（一）分析與處理知識

首先，是對于信號的運算領域。在Matlab中，可以實現信號的基本運算——加、乘、平移、反轉和尺度變換等，復雜的數學運算只需幾個簡單的語句就能完成，很大程度能夠提升學生的學習效率和質量的提升，從而達到提升數學運算的目的，對于系統進行有針對性分析，與此同時達到提升學生編程、實踐運用的能力。

其次，就信號頻譜的分析來講。信號頻譜分析被視為詮釋信號特征的重要部分，不僅應用于全部信號類型，包括雷達信號、金融股票數據和生物醫學信號[5]。

（二）分解與合成知識

在《信號與系統》課程中，信號的分解與合成思想基本上貫穿了整個教材內容。如在連續系統的時域分析中，連續信號可以分解成許多沖激信號的線性組合，系統的響應可以視為不同強度沖激信號產生的響應的合成[6]。在對連續系統進行分析的過程中，系統響屬于不同幅度虛指數信號。

周期信號分解與合成不僅對于理解信號頻譜特征作用顯著，而且從時域轉向變換域的關鍵步驟。因此，對于信號頻譜特性的理解、分析以及應用等發揮了關鍵性的重要。課程中往往會遇到很多比較抽象的概念，根據三角形式的傅里葉級數的理論，任何周期信號，只要滿足狄里赫利的條件，就可以分解成直流分量、正弦和余弦函數的疊加[7]。假如使用傳統的教學方式，概念缺乏生動性、形象性以及知識性，學生不僅難以理解，而且不利于學生對于課堂教學內容的理解和掌握。

（三）采樣與恢復知識

采樣定理被視為信號與系統分析原理領域中至關重的一個定理概論，它樹立起了連續信號與離散信號間的一座橋梁和紐帶[8]。作為核心內容，假如限制頻寬的不間斷的時間信號，就可能會擁有最高的頻率，經過采樣以后，僅僅在信號最高頻率高于采樣的頻率兩倍的情況下，均可達到在采樣信號過程中達到恢復原有信號的目的[9]。

四、結語

Matlab軟件作為當前廣為流行、使用的科學計算軟件，不僅在數據的科學計算、信息處理的效率、圖像繪制的仿真性等方面效果突出，還有助于學生利用軟件完成數值計算、可視化建模及仿真分析。在分析各種信號特性和各種參數特性的同時，利用對應的公式求解，并且在最后通過繪制圖形表現出來。在《信號與系統》這門課程中充分地利用該軟件，可以使抽象的定理概念和復雜的數學推導簡單直觀化，一方面豐富了教學手段，提高了教學效率;另一方面可以將學生從煩瑣的數學運算和推導中解脫出來，從而使學生對所學知識的理解更加清晰透徹。Matlab的運用極大提升、改進和促進信號與系統的教學方式的更新，使教學內容更為豐富，提升教學的有效性。

參考文獻：

[1]李娟，陳俊.信號與系統專業核心課程建設的探討與實踐[J].教育教學論壇，2017，5（22）：151-152

[2]火元蓮，齊永鋒.信號類課程的實踐教學改革與探索[J].高師理科學刊，2019，8（8）：87-90

[3]謝自梅，范黎林.基于MATLAB的促進師生共同發展的《信號與系統》課程教學改革[J].教育教學論壇，2018，3（11）：103-104

4]譚北海，彭秋明，姚小嬌，等.高等院校信號與系統課程教學輔助探究與實踐[J].實驗科學與技術，2018，4（2）：70-73，93

[5]薛楠，陳亭，于天河.電信專業MATLAB課程翻轉教學模式設計與實踐[J].高師理科學刊，2019，6（6）：81-84，110

[6]于泓博，張微，朱恒軍，等.《數字信號處理》與《信號與系統》教學方法的探索[J].現代商貿工業，2019，1（5）：159-160

[7]賀艷平，張海東，王向麗.基于MATLAB的信號與系統教學改革研究[J].甘肅科技，2017，12（24）：59-61

[8]熊莎莎，繆奇航，崔文超.信號與系統結合MATLAB案例式教學[J].電腦知識與技術，2019，2（5）：254-256，260

[9]侯大有，陳萬瓊，張巖，等.基于MATLAB的《信號與系統》課程教學研究[J].電腦知識與技術，2018，2（06）：89-91