侯鵬亮， 林其斌

隨著我?！芭囵B(yǎng)應(yīng)用型本科人才，服務(wù)地方經(jīng)濟發(fā)展”的人才培養(yǎng)模式的確立，機電學(xué)院肩負著培養(yǎng)應(yīng)用型人才的重任，要改變以往只注重理論不重視實驗的教學(xué)模式，加大實驗環(huán)節(jié)在教學(xué)過程中的比例。“信號與系統(tǒng)”是我院電子信息工程、電子科學(xué)與技術(shù)和自動化專業(yè)的必修課，也是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，其對學(xué)生的數(shù)學(xué)知識要求也比較高，特別是傅氏變換、拉氏變換、差分方程和微分方程等內(nèi)容[1]。這門課能否學(xué)好將直接影響后續(xù)對“數(shù)字信號處理”和“通信原理”的學(xué)習(xí)。同時該課程還是許多學(xué)?？佳腥雽W(xué)考試的必考科目，如果這門課沒有學(xué)好將增加學(xué)生考試的困難，將直接影響學(xué)生的考研結(jié)果。

“信號與系統(tǒng)”對數(shù)學(xué)知識和專業(yè)基礎(chǔ)知識要求特別高，計算復(fù)雜，概念抽象不容易理解，教學(xué)方式單一，計算結(jié)果只是一堆數(shù)學(xué)公式，看不到實體的效果，這些因素造成了“信號與系統(tǒng)”這門課成了難學(xué)、不容易理解的代名詞。我院“信號與系統(tǒng)”的教學(xué)模式是以老師的教學(xué)為主，主要依靠老師在課堂上將教學(xué)內(nèi)容給予講解，通過在黑板上對復(fù)雜的計算過程進行推導(dǎo)，畫出不規(guī)范的波形，增強學(xué)生對抽象理論知識的理解[2]；同時也能增強學(xué)生對數(shù)學(xué)知識的掌握，熟悉具體的計算過程。學(xué)生通過做作業(yè)和課后的習(xí)題，熟練計算過程，加強對抽象理論、概念的理解，掌握基本的理論知識，有限的實現(xiàn)了教與學(xué)的有機結(jié)合。隨著我校教學(xué)環(huán)境的改善，利用多媒體教學(xué)已經(jīng)成為我院進行課堂教學(xué)的主要模式。多媒體教學(xué)有利于教師將抽象的理論以圖形、圖像的形式展現(xiàn)出來，增強了學(xué)生對抽象理論、概念的理解。但同時也存在有的教師減少了在黑板上對復(fù)雜理論知識的推導(dǎo)，導(dǎo)致數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱的同學(xué)無法理解和掌握這些知識，打擊了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。

如何提高“信號與系統(tǒng)”教學(xué)效果一直困擾著我們，近年來隨著MATLAB應(yīng)用的越來越廣泛，特別是現(xiàn)在許多的教材都引入了MATLAB，通過利用MATLAB軟件來進行“信號與系統(tǒng)”的計算、仿真，可以有效的提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，方便的進行人機交流，將抽象的理論、概念直觀的展現(xiàn)出來，增強了公式、概念的可讀性。

1 MATLAB 簡介

MATLAB (Matrix Laboratory ，矩陣實驗室)是由美國Math works公司于1984年推出的。MATLAB即是Matrix + Laboratory，又稱為“矩陣實驗室，其強項就是高效的矩陣計算[3]。MATLAB廣泛應(yīng)用于電子、航空航天、數(shù)學(xué)、計算機、機械和經(jīng)濟學(xué)等領(lǐng)域。我國各大院校的相關(guān)專業(yè)都將MATLAB做為專業(yè)的必修課和選修課，增強學(xué)生對科學(xué)軟件的掌握，為社會輸送合格的人才。我校開設(shè)MATLAB的學(xué)院有機電學(xué)院、數(shù)學(xué)學(xué)院、計算機學(xué)院和經(jīng)管學(xué)院，特別是我們學(xué)院對電子大類的所有專業(yè)都開設(shè)。對學(xué)生學(xué)習(xí)《信號與系統(tǒng)》、《通信原理》和《數(shù)字信號處理》等課程，起到輔助的作用，能夠通過建立仿真模型，形象、直觀的展現(xiàn)抽象的概念和理論知識，加強學(xué)生對這些專業(yè)知識的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成績。

MATLAB GUI(Graphical User Interface)即圖形用戶界面，是指由按鈕、列表框、編輯框等用戶界面控件構(gòu)成的應(yīng)用程序界面[4]。GUI 是一種結(jié)合計算機科學(xué)、美學(xué)、心理學(xué)、行為學(xué)，及各商業(yè)領(lǐng)域需求分析的人機系統(tǒng)工程，強調(diào)人-機-環(huán)境三者作為一個系統(tǒng)進行總體設(shè)計。

“GUI設(shè)計的原則是應(yīng)力求簡潔、直接、清晰地體現(xiàn)界面的功能和特征。設(shè)計的圖形界面要直觀，為此應(yīng)多采用圖形，而盡量避免數(shù)值。設(shè)計界面應(yīng)盡量減少窗口數(shù)目，力求避免在不同的窗口之間進行來回切換[5]?！北咎摂M平臺的設(shè)計就是利用MATLAB GUI控件，在一個窗口中完成信號的輸入與輸出同時顯示，力求界面簡單，操作方便，以方便學(xué)生使用為宗旨，以提高“信號與系統(tǒng)”的教學(xué)效果為最終目的。

2 “信號與系統(tǒng)”虛擬實驗平臺的設(shè)計

2.1 虛擬實驗平臺的組成

由于“信號與系統(tǒng)”這門課的概念和理論知識太抽象，很不容易理解和掌握，所以通過這個實驗平臺可以讓學(xué)生自已動手熟悉和掌握抽象的概念和理論知識，對學(xué)生的學(xué)習(xí)將產(chǎn)生事半功倍的效果。實驗平臺的系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 實驗平臺的系統(tǒng)組成

2.2 虛擬實驗平臺的特點

相對于硬件實驗箱，虛擬實驗平臺，具有操作界面簡單、易懂、方便和靈活。教師也可以在上課的時候使用，增強學(xué)生對抽象概念和理論知識的理解，提高課堂教學(xué)質(zhì)量。課后學(xué)生可以自己掌握時間來做實驗，杜絕了硬件實驗對時間的限制和實驗內(nèi)容的限制，學(xué)生可以自由掌握，根據(jù)自己的學(xué)習(xí)情況靈活的選擇實驗的內(nèi)容。

2.3 虛擬實驗平臺主界面的設(shè)計

運行MATLAB后，在命令窗口中鍵入GUIDE，進入GUIDE設(shè)計向?qū)Вx擇缺省的空白GUI即可。在彈出在新建窗口中拖入1個靜態(tài)文本框(Static Text)和5個按鈕(Push Button)以及一個坐標軸(Axes)。如圖2所示。設(shè)置靜態(tài)文本的String為“信號與系統(tǒng)虛擬實驗平臺歡迎你！”，Background Color為淺藍色，F(xiàn)ontSize為22.0，F(xiàn)oreground Color為紅色。依次設(shè)置五個按鈕的String為“實驗一基本序列產(chǎn)生”、“實驗二基本信號產(chǎn)生”、“實驗三簡單卷積實驗”、“實驗四傅里葉變換實驗”、“實驗五濾波器設(shè)計實驗”。 在上面得到的GUI中，我們繼續(xù)在figure上添加一個pushbutton，修改pushbutton的Units屬性為pixels，將position屬性的width和height分別設(shè)置為65和65，點擊運行后的結(jié)果如圖3所示。

圖2 虛擬實驗平臺主界面的設(shè)計

圖3 虛擬實驗平臺運行后顯示的主界面

2.4 虛擬實驗平臺子界面的設(shè)計

以實驗四為例來說明子界面的設(shè)計。從左邊選擇編輯框(Edit Text)這個控件然后拖入窗口中，調(diào)整到合適尺寸，保持整個實驗界面的和諧，讓操作者看起來簡潔直觀。雙擊編輯框，修改屬性，將String設(shè)為空，字體由默認的8.0調(diào)為11.0，以便用戶輸入時能清楚地看見自己所輸入的內(nèi)容。點擊GUI菜單欄的Tools，在下拉菜單中選擇GUI options，然后在彈出的GUI options對話框中Resize behavior一欄中不選默認的Non-resizable，下拉選擇第二個備選項Proportional，這樣再運行后就會發(fā)現(xiàn)窗口可調(diào)了。設(shè)計好后的實驗四如圖4所示。

圖4 實驗一基本序列產(chǎn)生界面

2.5 虛擬實驗平臺調(diào)試結(jié)果輸出

我們以實驗四傅里葉變換和實驗五濾波器的設(shè)計為例來說明虛擬實驗平臺的輸出結(jié)果。在圖3的主界面中，點擊實驗四傅里葉變換實驗按鈕，將彈出如圖4所出的子界面。在方波傅里葉變換的后面方框輸入4時，輸出的波形如圖5(a)所示；在離散傅里葉變換的后面方框輸入2時，輸出的波形如圖5(b)所示。實驗結(jié)束點擊返回按鈕，就可以返回到如圖3所示的虛擬實驗平臺的主界面。點擊實驗五濾波器設(shè)計按鈕，就可以進入實驗五的子界面如圖6所示。在低通濾波器的后面方框輸入0.2，則輸出結(jié)果如圖7(a)所示，如果在高通濾波器的后面方框入0.6，則輸出的結(jié)果如圖7(b)所示,點擊返回按鈕將退出子界面，返回到主界面。

圖5 虛擬實驗平臺實驗輸出結(jié)果

圖6 實驗五濾波器的設(shè)計界面

圖7 實驗五濾波器的輸出結(jié)果

3 結(jié)論

“信號與系統(tǒng)”虛擬實驗平臺，界面簡單，操作容易，可以方便教師在進行課堂理論教學(xué)時，進行演示，將抽象的概念和理論通過圖示的形式，直觀的展現(xiàn)出來。同時學(xué)生也可以利用課余時間，方便的進行實驗和學(xué)習(xí)。本實驗平臺的原代碼是公開的，教師和學(xué)生都可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)特點，設(shè)計符合自己學(xué)習(xí)特點的“信號與系統(tǒng)”虛擬實驗平臺。通過在教學(xué)的過程中使用“信號與系統(tǒng)”虛擬實驗平臺，使“信號與系統(tǒng)”這門課的教學(xué)效果發(fā)生了明顯的改善，學(xué)生的學(xué)習(xí)成績明顯提高，達到了提高教學(xué)質(zhì)量的效果。

[參 考 文 獻]

[1] 張小虹.信號與系統(tǒng)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2011: 2.

[2] 梁 虹,楊 鑒.基于MATLAB的“信號與系統(tǒng)”計算機輔助教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計[J].云南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2001(23):111.

[3] 鄭阿奇.MATLAB實驗教程(第3版)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[4] 谷源濤,應(yīng)啟珩,鄭君里.信號與系統(tǒng)-MATLAB綜合實驗[M].北京:高等教育出版社,2008:221.

[5] 徐利民,舒君.基于MATLAB的信號與系統(tǒng)實驗教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2010:55.