朱偉芳　石霏

摘 要 “信號與系統(tǒng)”是電氣信息類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。由于涉及積分變換等較多數(shù)學(xué)理論知識，一般在教學(xué)過程中容易側(cè)重于理論推導(dǎo)，讓學(xué)生產(chǎn)生枯燥感。為了進(jìn)一步幫助學(xué)生理解與掌握相關(guān)理論知識，本文就設(shè)計基于MATLAB和LabVIEW的“軟實驗”的嘗試進(jìn)行探討，將課程的相關(guān)理論知識“可視化”，以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性。

關(guān)鍵詞 信號與系統(tǒng) 軟實驗 探索 可視化

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)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(tǒng)”課程是工科院校電氣信息類專業(yè)一門重要的必修專業(yè)基礎(chǔ)課，且多為學(xué)位課。以蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院為例，教學(xué)課時設(shè)置為63學(xué)時，一般安排在第4學(xué)期，是“數(shù)字信號處理”、“數(shù)字圖像處理”、“多媒體技術(shù)”等專業(yè)課程的重要先修課程。由于課程內(nèi)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(xué)過程中容易側(cè)重于公式推導(dǎo)和性質(zhì)證明等理論分析，讓學(xué)生產(chǎn)生枯燥感以及理論脫離于實際的感覺。為了讓學(xué)生更深入地理解和掌握相關(guān)的知識要點，我們嘗試適當(dāng)設(shè)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(guān)理論知識“可視化”，能更好地幫助學(xué)生理解和掌握相應(yīng)的知識點。

1增加“軟實驗”的必要性

蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院現(xiàn)有的6個本科專業(yè)，包括電子信息工程、信息工程、通信工程、微電子科學(xué)與工程、電子科學(xué)與技術(shù)以及集成電路設(shè)計與集成系統(tǒng)，全部開設(shè)“信號與系統(tǒng)”課程，是各個專業(yè)的學(xué)位課程或者專業(yè)必修課程，理論課一般安排在第4學(xué)期進(jìn)行。后續(xù)接著安排1學(xué)時的“電路、信號與系統(tǒng)實驗”課程，主要是有關(guān)電路、信號與系統(tǒng)課程內(nèi)容的一些相關(guān)硬件實驗，比如一階、二階電路的系統(tǒng)特性、周期信號的頻譜分析等。也就是說，在開設(shè)“信號與系統(tǒng)”課程時，并沒有同步開設(shè)相應(yīng)的實驗，而這門課程的特點是在涉及大量數(shù)學(xué)知識的同時，工程應(yīng)用背景也非常廣泛，為了解決學(xué)生常有的“學(xué)這門課有什么用”的疑惑，在課程學(xué)習(xí)過程中激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)和研究興趣，我們嘗試補(bǔ)充了一些“軟實驗”，將相關(guān)理論知識“可視化”，作為對傳統(tǒng)硬件實驗的補(bǔ)充。

2 “軟實驗”設(shè)計

2.1 編程語言的選擇

經(jīng)過調(diào)研與論證，我們選擇采用MATLAB以及LabVIEW語言來設(shè)計“軟實驗”：（1）MATLAB集成環(huán)境中包含了大量的信號處理、系統(tǒng)仿真等工具包，便于我們的“軟實驗”的設(shè)計與開展，我們的學(xué)生大多在第1、第2學(xué)期選修過MATLAB，有一定的編程基礎(chǔ)；（2）雖然大部分學(xué)生之前可能沒有學(xué)習(xí)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(xiàn)了系統(tǒng)的級聯(lián)、并聯(lián)等模塊化集成這一“信號與系統(tǒng)”課程中的重要思想，有助于學(xué)生宏觀地、全面地建立和理解信號與系統(tǒng)之間、各個子系統(tǒng)與總系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)，而且編程也比較容易上手。

2.2 “軟實驗”內(nèi)容的設(shè)計

經(jīng)過一定的討論與嘗試，圍繞“信號與系統(tǒng)”主要研究確定性信號經(jīng)線性時不變系統(tǒng)進(jìn)行傳輸與處理的基本概念與時域、頻域以及復(fù)頻域的基本分析方法這一思路，我們設(shè)計了一系列“軟實驗”供學(xué)生練習(xí)，如信號的時間變換運(yùn)算、系統(tǒng)的時域、頻域及復(fù)頻域分析、系統(tǒng)函數(shù)的極零圖與穩(wěn)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(yùn)算和基于頻譜分析的相位差測為例進(jìn)行介紹，其中前者采用MATLAB編程環(huán)境，后者采用LabVIEW編程環(huán)境，內(nèi)容安排為課程相關(guān)知識點的簡單擴(kuò)展應(yīng)用。

2.2.1 信號的時間變換運(yùn)算

信號的時移、翻折和尺度變換等時間變換運(yùn)算是針對自變量時間t進(jìn)行的，其數(shù)學(xué)表達(dá)式與波形變化之間存在一定的變化規(guī)律。在講授上述信號時間變換運(yùn)算時，幾乎每次都有個別學(xué)生掌握不了規(guī)律。因此，我們設(shè)計了采用MATLAB作圖實現(xiàn)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(xiàn)了以及，可以讓學(xué)生在編程實現(xiàn)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(xué)生加深對周期信號的傅里葉級數(shù)、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(shè)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(shù)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(shè)置等聯(lián)系信號的時域與頻域分析的重要知識點，又結(jié)合了系統(tǒng)的級聯(lián)、并聯(lián)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(xiàn)方案，可以避免諧波分量對相位差測量的干擾，同時學(xué)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(tǒng)”，由于其理論性較強(qiáng)的特點，使得學(xué)生望而卻步，我們經(jīng)過開展過程化考核、撰寫課程應(yīng)用調(diào)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(xué)形式相結(jié)合的課程改革，取得了較好的教學(xué)效果。其中“軟實驗”是實現(xiàn)相關(guān)理論“可視化”以及理論的工程應(yīng)用的一種重要方式，是對傳統(tǒng)理論教學(xué)的一種補(bǔ)充，有助于提升學(xué)生的工程實踐與分析能力。我們將沿著學(xué)以致用的思路繼續(xù)推進(jìn)“信號與系統(tǒng)”課程的改革。

€L？015年蘇州大學(xué)高等教育教改研究課題，青年項目，2015-49

參考文獻(xiàn)

[1] 陳昌紅.基于研究性教學(xué)的本科教學(xué)模式探索與實踐[J].科教導(dǎo)刊，2017.1：127-129.

[2] 朱明旱，成天樂.信號與系統(tǒng)研究性教學(xué)中創(chuàng)新思維的培養(yǎng)[J].科教導(dǎo)刊，2015.2：107-108.

[3] 鄭君里，谷源濤.信號與系統(tǒng)課程歷史變革與進(jìn)展[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2012.34（2）：1-6.

[4] 張軍，劉元盛，吳晶晶等.信號與系統(tǒng)課程群建設(shè)的研究與實踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2012.34（6）：18-20.

[5] 管致中，夏恭恪，孟橋.信號與線性系統(tǒng)（第4版）[M].高等教育出版社，2005.11.

[6] 熊慶旭.論“信號與系統(tǒng)”課程的基本結(jié)構(gòu)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2013.35（1）：32-35.

[7] 陳從顏，費(fèi)樹岷，柴琳.“信號與系統(tǒng)”課程教學(xué)改革趨勢探究[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2014.36（1）：13-14.

[8] 胡衛(wèi)軍，王榮秀，周沛，晏力.LabVIEW在“信號與系統(tǒng)”教學(xué)中的應(yīng)用[J].電腦知識與技術(shù)，2014.10（16）：3837-3839.

[9] 范羚.信號與系統(tǒng)課程的教學(xué)思考與改革[J].大學(xué)教育，2013.8：111-112.

[10] 何其銳，唐普英，吳援明等.卷積性質(zhì)綜合訓(xùn)練的探討[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2015.37（2）：100-102.

[11] 張維維，李敏，姜明新等.“信號與系統(tǒng)”課程教學(xué)研究性學(xué)習(xí)的探索[J].課程教育研究，2013.16：231.endprint