劉麗杰 韓曉軍 吳駿 徐秀知

摘 要： 針對(duì)《信號(hào)與系統(tǒng)》課程理論難度大、抽象、不容易理解等特點(diǎn)，作者分析了一些實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，包括加大綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)比重、課外選修實(shí)驗(yàn)和基于實(shí)驗(yàn)箱和MATLAB的軟硬件結(jié)合的教學(xué)模式。實(shí)踐證明，這些方法有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞： 《信號(hào)與系統(tǒng)》 創(chuàng)新能力培養(yǎng) 選修實(shí)驗(yàn)機(jī)制 實(shí)驗(yàn)箱 MATLAB

《信號(hào)與系統(tǒng)》課程是電子信息與通信類專業(yè)本科生必修的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，在信息類專業(yè)課程體系中起著承上啟下的作用。該課程的特點(diǎn)是理論難度大，相對(duì)于其他課程來(lái)說(shuō)比較抽象，涉及相當(dāng)多的數(shù)學(xué)知識(shí)和數(shù)學(xué)公式，老師講解費(fèi)時(shí)費(fèi)力，同時(shí)學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)不容易接受，對(duì)一些基本理論、概念和公式一知半解?！缎盘?hào)與系統(tǒng)》實(shí)驗(yàn)課開設(shè)的目的是使學(xué)生掌握《信號(hào)與系統(tǒng)》學(xué)科方面的基礎(chǔ)知識(shí)，掌握基本的實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)際動(dòng)手能力，通過本課程的實(shí)踐，提高分析問題和解決問題的能力，使學(xué)生有信心也有能力逐步適應(yīng)本領(lǐng)域迅速發(fā)展的需要。結(jié)合多年的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，筆者提出了一些提高《信號(hào)與系統(tǒng)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的方法。

1.合理調(diào)整綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的比重，注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

根據(jù)《信號(hào)與系統(tǒng)》實(shí)驗(yàn)大綱的要求，目前實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)數(shù)是10學(xué)時(shí)，多數(shù)為基礎(chǔ)性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)過程相對(duì)簡(jiǎn)單，大部分在實(shí)驗(yàn)箱上完成，實(shí)驗(yàn)電路已經(jīng)給出，學(xué)生只需根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求連線搭電路就可以。這樣造成學(xué)生機(jī)械地做實(shí)驗(yàn)，實(shí)際操作能力和綜合分析問題的能力不能提高。教研室經(jīng)過多年的努力，大力改革調(diào)整實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，適當(dāng)增加綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的比重。綜合性實(shí)驗(yàn)是指實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及本課程的綜合知識(shí)或與本課程相關(guān)課程知識(shí)的實(shí)驗(yàn)。綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是，給定實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊蠛蛯?shí)驗(yàn)條件，由學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并加以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及本課程的綜合知識(shí)或涉及本課程部分知識(shí)的實(shí)驗(yàn)。這種實(shí)驗(yàn)以學(xué)生為主體，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識(shí)，全面提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

2.增加實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)量，引入課外選修實(shí)驗(yàn)機(jī)制。

由于學(xué)時(shí)有限，課內(nèi)必須完成的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)數(shù)是10學(xué)時(shí)，有的理論知識(shí)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)不能涵蓋，學(xué)生理解起來(lái)有些困難。為了讓學(xué)生多動(dòng)手、多思考，深刻理解理論知識(shí)，課題組又設(shè)計(jì)了10學(xué)時(shí)的課外實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在課外時(shí)間到實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室能開設(shè)的所有實(shí)驗(yàn)都制作成電子版實(shí)驗(yàn)講義，該講義包含詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)要求、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)條件等，學(xué)生可以自主選擇做哪幾個(gè)實(shí)驗(yàn)。這些資源都掛在《信號(hào)與系統(tǒng)》校級(jí)精品課網(wǎng)站上，學(xué)生可以自行下載。

3.基于實(shí)驗(yàn)箱和MATLAB的軟硬件結(jié)合的教學(xué)模式在信號(hào)與系統(tǒng)課程的實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用。

常見的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式主要有基于信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱的硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)和基于MATLAB軟件的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。這兩個(gè)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)各有優(yōu)缺點(diǎn)，硬件實(shí)驗(yàn)箱可以使學(xué)生接觸到信號(hào)所依托的硬件電路，觀測(cè)到實(shí)際的物理信號(hào)。但存在信號(hào)調(diào)節(jié)范圍有限，對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)的理論體現(xiàn)不直觀等不足。此外，實(shí)驗(yàn)箱只能提供比較簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，可開設(shè)的綜合性、設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)較少，難以滿足現(xiàn)有的教學(xué)需要。MATLAB及其提供的SIMULINK仿真軟件包是集數(shù)值計(jì)算、符號(hào)運(yùn)算及出色的圖形處理、程序語(yǔ)言設(shè)計(jì)等強(qiáng)大功能于一體的數(shù)學(xué)仿真軟件，具備高效、用圖像和動(dòng)畫演示結(jié)果、動(dòng)態(tài)仿真等特點(diǎn)[1]。盡管其他的高級(jí)編程語(yǔ)言如C++、Java正在用于教學(xué)中，但由于其具有圖形處理及可視化能力、簡(jiǎn)單而寬松的編程方法、圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境、平臺(tái)的獨(dú)立性等特點(diǎn)，MATLAB仍然被廣泛地應(yīng)用于信號(hào)處理相關(guān)課程的教學(xué)中。在教學(xué)中引入MATLAB，有利于學(xué)生將所學(xué)到的理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為算法實(shí)現(xiàn)，從而促進(jìn)學(xué)生積極主動(dòng)地學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)甚至創(chuàng)新。MATLAB包含信號(hào)處理工具箱等豐富的科學(xué)計(jì)算工具，還提供了可視化的圖形用戶界面GUI（Graphical UserInterface）環(huán)境，可以方便地創(chuàng)建交互式的操作界面，用戶通過設(shè)計(jì)窗口、菜單、按鈕、滑動(dòng)條、文字說(shuō)明等對(duì)象生成界面，可以利用鼠標(biāo)或鍵盤方便地操作。MATLA軟件能使繁雜的理論計(jì)算變得易于實(shí)現(xiàn)，結(jié)果能可視化，可以使得教學(xué)過程變得更清晰直觀；實(shí)驗(yàn)方案和參數(shù)可以任意調(diào)節(jié)，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)箱教學(xué)的不足。如果全部用軟件平臺(tái)開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)則不利于學(xué)生從物理層面上對(duì)實(shí)際的信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行分析和理解。由此可見，采用單一平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)法達(dá)到較好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，所以課題組探討了一種“軟件+硬件”相結(jié)合的雙平臺(tái)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式[2]。硬件平臺(tái)的教學(xué)內(nèi)容全部在實(shí)驗(yàn)室完成，軟件平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可由學(xué)生在課余時(shí)間完成。在進(jìn)行硬件實(shí)驗(yàn)前，學(xué)生需先編寫程序，完成仿真實(shí)驗(yàn)，再將硬件實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。采用這樣的雙平臺(tái)教學(xué)法，一方面可以加深對(duì)實(shí)驗(yàn)知識(shí)點(diǎn)的理解，達(dá)到很好的實(shí)驗(yàn)效果，另一方面可以培養(yǎng)學(xué)生解決問題及分析問題的能力。課堂教學(xué)效果表明，雙平臺(tái)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)法更直觀，更容易讓學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及原理，同時(shí)有助于調(diào)動(dòng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性，提高學(xué)生的分析能力和創(chuàng)新能力。

此外，有一部分實(shí)驗(yàn)單獨(dú)用MATLAB軟件完成，并且根據(jù)學(xué)生的具體情況、教學(xué)過程中遇到的具體問題，每年對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行更新。

4.結(jié)語(yǔ)

本文探索的一些實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法能提高學(xué)生對(duì)理論的認(rèn)識(shí)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的求知欲望，激發(fā)學(xué)習(xí)《信號(hào)與系統(tǒng)》課程的興趣，充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，提高教學(xué)質(zhì)量，受到任課教師和學(xué)生的一致好評(píng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]甘俊英，胡異丁.基于MATLAB的信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.8.

[2]陳英等.基于軟硬件結(jié)合的“雙平臺(tái)教學(xué)”在《信號(hào)與系統(tǒng)》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].長(zhǎng)沙大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，26（2）：77-79.