李東輝 周永勤

摘要：《信號(hào)與系統(tǒng)》作為通信與信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)必修課程之一，涉及概念、分析以及實(shí)踐操作等多個(gè)領(lǐng)域，具有理論性、實(shí)踐用性以及應(yīng)用性廣的特征，該課程的教學(xué)質(zhì)量情況占據(jù)著至關(guān)重要的地位。傳統(tǒng)的板書(shū)教學(xué)辦法已經(jīng)很難滿(mǎn)足當(dāng)前學(xué)生學(xué)習(xí)的需求了，不僅使學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性難以得到保障，也難以實(shí)現(xiàn)提升學(xué)生綜合性能力的效果，不利于學(xué)生發(fā)展的全面性和長(zhǎng)久性。文章以Matlab仿真軟件為研究對(duì)象，能夠促進(jìn)學(xué)生《信號(hào)與系統(tǒng)》課程學(xué)習(xí)效果的提升，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力，從而優(yōu)化教師教學(xué)的水平與質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：Matlab;信號(hào)與系統(tǒng);教學(xué)改革;實(shí)踐

《信號(hào)與系統(tǒng)》課程具有理論性、實(shí)踐性以及應(yīng)用性廣的特征。然而，現(xiàn)實(shí)是傳統(tǒng)的板書(shū)教學(xué)辦法已經(jīng)很難滿(mǎn)足當(dāng)前學(xué)生學(xué)習(xí)的需求了，不僅使學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性難以得到保障，也難以實(shí)現(xiàn)提升學(xué)生綜合性能力的效果，該課程的教學(xué)質(zhì)量情況占據(jù)著至關(guān)重要的地位。與此同時(shí)，還是高等數(shù)學(xué)、工程數(shù)學(xué)等作為其學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，不僅包括計(jì)算與推導(dǎo)、諸如微、差分方程求解，甚至是卷積等基礎(chǔ)計(jì)算，因此，針對(duì)目前信號(hào)與系統(tǒng)課程的教學(xué)現(xiàn)狀，在理論教學(xué)、課堂教學(xué)以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革，不僅能夠達(dá)到提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，而且能夠達(dá)到升華學(xué)生學(xué)習(xí)能力的教學(xué)目標(biāo)。

一、Matlab在《信號(hào)與系統(tǒng)》教學(xué)方式的價(jià)值與作用

隨著信息化技術(shù)的日益發(fā)展，尤其是信息技術(shù)時(shí)代的到來(lái)，傳統(tǒng)的板書(shū)難以適應(yīng)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。信號(hào)與系統(tǒng)課程長(zhǎng)期采用傳統(tǒng)的教學(xué)方式，盡管推算練習(xí)在某種程度上能夠?qū)崿F(xiàn)提升學(xué)生計(jì)算應(yīng)用的能力、思維習(xí)慣改變的效果。但是在應(yīng)用性較強(qiáng)的教學(xué)內(nèi)容中，難以使用行之有效的辦法親自動(dòng)手進(jìn)行設(shè)計(jì)、詮釋和講解，對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解、思考以及應(yīng)用不夠靈活，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、科學(xué)以及創(chuàng)新性產(chǎn)生一定的影響，學(xué)生綜合能力，特別是應(yīng)用能力難以提升，難以使學(xué)生得到全面發(fā)展的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)[1]。Matlab軟件是在國(guó)際上普遍最流行、使用最為廣泛、應(yīng)用最強(qiáng)的科學(xué)、技術(shù)與工程計(jì)算軟件之一，其中主要技術(shù)包含了應(yīng)用代數(shù)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、自動(dòng)控制、工程繪圖以及數(shù)字圖像處理等[2]。在《信號(hào)與系統(tǒng)》教學(xué)中，引入Matlab在擺脫煩瑣的數(shù)學(xué)運(yùn)算的同時(shí)，還可以使學(xué)生更加關(guān)注信號(hào)、系統(tǒng)最根本的分析、理解及應(yīng)用的方法，達(dá)到信號(hào)與系統(tǒng)課程可看、可控的曲線(xiàn)以及圖像和聲音等兼?zhèn)涞男Ч?，增?qiáng)教學(xué)內(nèi)容的畫(huà)面感，提升授課效率與效果，弱化理論與實(shí)踐教學(xué)的界限。達(dá)到提起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)自主獲得知識(shí)以及獨(dú)立學(xué)習(xí)能力提升的效果，進(jìn)一步加深對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)的基本原理、方法及應(yīng)用的理解[3]。

二、革新《信號(hào)與系統(tǒng)》教學(xué)方式與教學(xué)手段

《信號(hào)與系統(tǒng)》常規(guī)課堂教學(xué)中存在眾多問(wèn)題與不足，在一定的程度上降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，不利于學(xué)習(xí)效率和教學(xué)質(zhì)量的提高。因此，信號(hào)與系統(tǒng)課程迫切需要進(jìn)行教學(xué)方法和教學(xué)手段的改革。

課堂教學(xué)方面主要是從三個(gè)層次入手：

第一個(gè)層次是尋找重點(diǎn)，將難點(diǎn)生動(dòng)化。把一些很難理解的部分，使用聲音圖像、動(dòng)畫(huà)等相結(jié)合，為圖片展示和公式推導(dǎo)等環(huán)節(jié)提供了便利。但也存在過(guò)分依靠多媒體，學(xué)生不僅會(huì)產(chǎn)生厭倦感，還弱化任課教師對(duì)教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)的把控，從而出現(xiàn)因課堂教學(xué)速度快，學(xué)生難以理解所學(xué)內(nèi)容的問(wèn)題。

第二個(gè)層次確保學(xué)生認(rèn)知過(guò)程與課程體系二者之間的連貫性。信號(hào)分析即是信號(hào)理論的重要成分，它將信號(hào)作為其函數(shù)，采用數(shù)學(xué)與物理結(jié)合的方法對(duì)信號(hào)展開(kāi)描述性分析，提出特征后，在鑒別課程體系內(nèi)容結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，以連續(xù)信號(hào)與系統(tǒng)為出發(fā)點(diǎn)，完整地結(jié)合高等數(shù)學(xué)與電路知識(shí)，最后向離散信號(hào)與系統(tǒng)置入[4]。使得學(xué)生可以將章節(jié)進(jìn)行串聯(lián)，形成一個(gè)固定的整體，便于學(xué)生掌握課程的核心內(nèi)容。在教學(xué)的整個(gè)過(guò)程中，始終以通信系統(tǒng)的應(yīng)用為背景，突顯通信工程的專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，正確地引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)工具分析典型工程和物理問(wèn)題，從而達(dá)到學(xué)以致用的目的。

第三個(gè)層次是實(shí)現(xiàn)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化與課外實(shí)踐深化。信號(hào)與系統(tǒng)對(duì)于學(xué)生數(shù)學(xué)能力有較高的要求，造成學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容難以有效的理解。通過(guò)引入Matlab軟件改進(jìn)教學(xué)方法，仿真實(shí)驗(yàn)有新穎和互動(dòng)性，理論與Matlab之間的相互結(jié)合，這樣就可以對(duì)枯燥的信號(hào)與系統(tǒng)課程進(jìn)行生動(dòng)形象地講解，在激發(fā)學(xué)生求知欲的同時(shí)，還可使學(xué)生編程能力提升，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣有效提升的目的。見(jiàn)下圖。

三、《信號(hào)與系統(tǒng)》課程中應(yīng)用Matlab的策略

通過(guò)Matlab仿真軟件能更好地幫助學(xué)生理解信號(hào)與系統(tǒng)中的抽象概念，可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力，從而提升教師教學(xué)的質(zhì)量。

（一）分析與處理知識(shí)

首先，是對(duì)于信號(hào)的運(yùn)算領(lǐng)域。在Matlab中，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的基本運(yùn)算——加、乘、平移、反轉(zhuǎn)和尺度變換等，復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算只需幾個(gè)簡(jiǎn)單的語(yǔ)句就能完成，很大程度能夠提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和質(zhì)量的提升，從而達(dá)到提升數(shù)學(xué)運(yùn)算的目的，對(duì)于系統(tǒng)進(jìn)行有針對(duì)性分析，與此同時(shí)達(dá)到提升學(xué)生編程、實(shí)踐運(yùn)用的能力。

其次，就信號(hào)頻譜的分析來(lái)講。信號(hào)頻譜分析被視為詮釋信號(hào)特征的重要部分，不僅應(yīng)用于全部信號(hào)類(lèi)型，包括雷達(dá)信號(hào)、金融股票數(shù)據(jù)和生物醫(yī)學(xué)信號(hào)[5]。

（二）分解與合成知識(shí)

在《信號(hào)與系統(tǒng)》課程中，信號(hào)的分解與合成思想基本上貫穿了整個(gè)教材內(nèi)容。如在連續(xù)系統(tǒng)的時(shí)域分析中，連續(xù)信號(hào)可以分解成許多沖激信號(hào)的線(xiàn)性組合，系統(tǒng)的響應(yīng)可以視為不同強(qiáng)度沖激信號(hào)產(chǎn)生的響應(yīng)的合成[6]。在對(duì)連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行分析的過(guò)程中，系統(tǒng)響屬于不同幅度虛指數(shù)信號(hào)。

周期信號(hào)分解與合成不僅對(duì)于理解信號(hào)頻譜特征作用顯著，而且從時(shí)域轉(zhuǎn)向變換域的關(guān)鍵步驟。因此，對(duì)于信號(hào)頻譜特性的理解、分析以及應(yīng)用等發(fā)揮了關(guān)鍵性的重要。課程中往往會(huì)遇到很多比較抽象的概念，根據(jù)三角形式的傅里葉級(jí)數(shù)的理論，任何周期信號(hào)，只要滿(mǎn)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(shù)的疊加[7]。假如使用傳統(tǒng)的教學(xué)方式，概念缺乏生動(dòng)性、形象性以及知識(shí)性，學(xué)生不僅難以理解，而且不利于學(xué)生對(duì)于課堂教學(xué)內(nèi)容的理解和掌握。

（三）采樣與恢復(fù)知識(shí)

采樣定理被視為信號(hào)與系統(tǒng)分析原理領(lǐng)域中至關(guān)重的一個(gè)定理概論，它樹(shù)立起了連續(xù)信號(hào)與離散信號(hào)間的一座橋梁和紐帶[8]。作為核心內(nèi)容，假如限制頻寬的不間斷的時(shí)間信號(hào)，就可能會(huì)擁有最高的頻率，經(jīng)過(guò)采樣以后，僅僅在信號(hào)最高頻率高于采樣的頻率兩倍的情況下，均可達(dá)到在采樣信號(hào)過(guò)程中達(dá)到恢復(fù)原有信號(hào)的目的[9]。

四、結(jié)語(yǔ)

Matlab軟件作為當(dāng)前廣為流行、使用的科學(xué)計(jì)算軟件，不僅在數(shù)據(jù)的科學(xué)計(jì)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(xué)生利用軟件完成數(shù)值計(jì)算、可視化建模及仿真分析。在分析各種信號(hào)特性和各種參數(shù)特性的同時(shí)，利用對(duì)應(yīng)的公式求解，并且在最后通過(guò)繪制圖形表現(xiàn)出來(lái)。在《信號(hào)與系統(tǒng)》這門(mén)課程中充分地利用該軟件，可以使抽象的定理概念和復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)簡(jiǎn)單直觀化，一方面豐富了教學(xué)手段，提高了教學(xué)效率;另一方面可以將學(xué)生從煩瑣的數(shù)學(xué)運(yùn)算和推導(dǎo)中解脫出來(lái)，從而使學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解更加清晰透徹。Matlab的運(yùn)用極大提升、改進(jìn)和促進(jìn)信號(hào)與系統(tǒng)的教學(xué)方式的更新，使教學(xué)內(nèi)容更為豐富，提升教學(xué)的有效性。

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