新工科背景下信號與系統(tǒng)課程實踐教學(xué)改革研究

趙伶俐

摘 ?要 針對信號與系統(tǒng)課程理論性強，實踐教學(xué)形式較為單一的現(xiàn)狀，應(yīng)用新工科建設(shè)理念，對信號與系統(tǒng)實踐課進行教學(xué)改革，由驗證性實驗、建模仿真設(shè)計性實驗與電子設(shè)計制作三個環(huán)節(jié)結(jié)合進行實踐教學(xué)。該教學(xué)方法在北方民族大學(xué)相關(guān)專業(yè)中實施了三年，取得良好的教學(xué)效果，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強了學(xué)生解決問題能力和動手實踐能力。

關(guān)鍵詞 新工科;信號與系統(tǒng);實踐教學(xué);教學(xué)改革;MATLAB

中圖分類號：G642.0 ? ?文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）18-0119-03

Research on Practice Teaching Reform of Signal and System Course under Background of New Engineering//ZHAO Lingli

Abstract In view of the current situation that the signal and system

course is highly theoretical and the practice teaching form is rela-

tively single， the teaching reform of the signal and system practice course is carried out by applying the concept of new subject construc-

tion. Practical teaching is carried out by combining three links： veri-fication experiment， modeling simulation design experiment and electronic design and manufacture. This teaching method has been implemented for three years in the relevant majors of our university， and has achieved good teaching results， stimulated students interest in learning， and enhanced students ability to solve problems and practice.

Key words new engineering; signal and system; practical teaching; teaching reform; MATLAB

1 前言

新工科建設(shè)是基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求，國際競爭新形勢，由教育部提出的我國工程教育改革的新理念，發(fā)展人才培養(yǎng)的新模式。未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟需要的是工程實踐能力強、創(chuàng)新能力強、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才[1-2]。實踐教學(xué)是夯實理論基礎(chǔ)、培養(yǎng)工程素養(yǎng)的主要手段，所以在平時的實踐教學(xué)中要培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力、創(chuàng)新能力、多學(xué)科融合學(xué)習(xí)能力。

信號與系統(tǒng)課程是大學(xué)本科電子信息類專業(yè)的一門專業(yè)必修課，對專業(yè)課程的學(xué)習(xí)起到承上啟下的作用。信號與系統(tǒng)是理論性很強的課程，在理論課學(xué)習(xí)中，系統(tǒng)時域分析、傅里葉變換、拉普拉斯變換、Z變換等數(shù)學(xué)概念及公式繁多，容易使學(xué)生感到枯燥單一，缺乏學(xué)習(xí)積極性。因此，在信號與系統(tǒng)課程的教學(xué)中需要應(yīng)用新工科建設(shè)的理念，強化學(xué)生的工程素養(yǎng)和解決實際問題的能力，把理論和實踐相結(jié)合，提高動手實踐能力和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)高素質(zhì)的新工科人才。

2 信號與系統(tǒng)課程實踐教學(xué)現(xiàn)狀

信號與系統(tǒng)課程實踐教學(xué)目前多為兩種形式。

一種是采用信號與系統(tǒng)實驗箱的實驗教學(xué)方式。它是利用實驗電路板、信號發(fā)生器、示波器等器件測試、觀察、分析信號的波形，如可以完成常用信號的產(chǎn)生和測試、信號的取樣與恢復(fù)等實驗。利用信號與系統(tǒng)實驗箱教學(xué)的優(yōu)點是學(xué)生可以在電路板上搭建簡單實驗電路，測量輸入輸出信號，觀測實驗結(jié)果波形。但應(yīng)用實驗箱進行實踐教學(xué)，只能完成部分驗證性實驗，實驗電路板等硬件器材覆蓋知識點有限，設(shè)計類實驗會受到限制，難以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并且隨著實驗次數(shù)的增加，電路板耗損嚴(yán)重，更新?lián)Q代慢。

另一種形式是引入仿真實驗軟件。目前，國內(nèi)外很多高校把MATLAB軟件和信號與系統(tǒng)課程結(jié)合起來，利用MATLAB強大的計算能力和信號處理工具箱完成時域、頻域、復(fù)頻域等各種變換及系統(tǒng)分析，達到良好的學(xué)習(xí)和實驗效果。但是應(yīng)用MATLAB軟件仿真，學(xué)生的硬件設(shè)計及動手能力不夠。

鑒于信號與系統(tǒng)課程的特點以及所面臨的實踐教學(xué)現(xiàn)狀，北方民族大學(xué)信號與系統(tǒng)課程教研組對該課程特點和實踐教學(xué)方法進行探索研究，應(yīng)用新工科建設(shè)的理念，對信號與系統(tǒng)課程的實踐教學(xué)進行改革，構(gòu)建新的實驗和實踐教學(xué)方法。

3 實踐教學(xué)改革方法

新的信號與系統(tǒng)課程實踐教學(xué)方法，由原來單一的應(yīng)用實驗箱做實驗或應(yīng)用軟件實驗教學(xué)方式改為軟件仿真和電子設(shè)計制作相結(jié)合的實踐教學(xué)模式，實踐可分三個環(huán)節(jié)：1）實驗課前教師引導(dǎo)學(xué)生預(yù)習(xí)實驗內(nèi)容，應(yīng)用MATLAB軟件和學(xué)校自己開發(fā)的信號與系統(tǒng)實驗教學(xué)系統(tǒng)完成驗證性實驗;2）實驗課中進行建模仿真編程，完成設(shè)計性實驗;

3）實驗課后自主實踐環(huán)節(jié)進行電子設(shè)計制作。

驗證性實驗 ?自己開發(fā)信號與系統(tǒng)實驗教學(xué)軟件系統(tǒng)，此系統(tǒng)安裝在實驗室中，也可安裝在學(xué)生電腦中，學(xué)生可以在實驗課前應(yīng)用此系統(tǒng)和MATLAB軟件預(yù)習(xí)實驗內(nèi)容以及完成驗證性實驗。課前預(yù)習(xí)和完成驗證性實驗，可以讓學(xué)生對復(fù)雜的理論內(nèi)容有感性的認(rèn)識和理解。比如信號的合成實驗，以方波為例，圖1所示為實驗系統(tǒng)仿真了方波的組成情況，當(dāng)它包含的諧波分量愈多時，波形越接近于原來的方波信號。通過圖1實驗系統(tǒng)還可以幫助學(xué)生理解吉布斯現(xiàn)象，即合成方波包含的諧波分量越多時，除間斷點附近外，它越接近于原方波信號。在間斷點附近，隨著所含諧波次數(shù)的增高，合成波形的尖峰越靠近間斷點，但尖峰幅度并未明顯減小[3]，在間斷點處有大約9%的偏差。

圖2是連續(xù)系統(tǒng)的復(fù)頻域分析實驗，讓學(xué)生理解復(fù)頻域系統(tǒng)函數(shù)H（S）意義。系統(tǒng)函數(shù)只與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、元器件參數(shù)有關(guān)，與描述系統(tǒng)微分方程的系數(shù)有關(guān)，而與外界因素（激勵、初始狀態(tài)等）無關(guān)。在系統(tǒng)分析時，可以畫出零極點分布圖，判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性;也可以畫出系統(tǒng)的幅頻特性曲線和相頻特性曲線。在實驗系統(tǒng)中完成驗證性實驗，可以增強學(xué)生對理論的感性認(rèn)識，提高實驗效率。

建模仿真設(shè)計性實驗 ?通過課前預(yù)習(xí)和完成驗證性實驗后，學(xué)生對理論知識和實驗內(nèi)容有一些感性認(rèn)識。然后在實驗課中讓學(xué)生應(yīng)用MATLAB編寫程序，應(yīng)用Simulink建模仿真，完成設(shè)計性實驗，提高編程建模仿真能力。如在理論課教學(xué)中講解連續(xù)系統(tǒng)的時域分析，求解零狀態(tài)響應(yīng)、沖激響應(yīng)以及階躍響應(yīng)時，通過微分方程經(jīng)典解求解響應(yīng)問題，內(nèi)容抽象且數(shù)學(xué)公式繁多，這是課程中的一個難點。而用建模仿真編程方法可以讓求解變得簡單。

如某系統(tǒng)為y″（t）+2y′（t）+100y（t）=10f（t），求系統(tǒng)的沖激響應(yīng)、階躍響應(yīng)并分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在實驗中讓學(xué)生應(yīng)用Simulink對系統(tǒng)進行建模仿真，圖3所示為系統(tǒng)的模型。通過建模仿真，物理概念明確又便于理解，而且學(xué)生可以體會從建立數(shù)學(xué)模型、如何選擇參數(shù)再到系統(tǒng)仿真的設(shè)計全過程，這個過程鍛煉了學(xué)生思考問題、分析問題、設(shè)計創(chuàng)新的能力[4]。

同一個問題可以用不同的方法去完成，求解系統(tǒng)的響應(yīng)還可以在MATLAB中編程實現(xiàn)，圖4是通過編程仿真得到系統(tǒng)沖激響應(yīng)的波形。在這個實踐環(huán)節(jié)中，通過建模仿真編程的方法完成設(shè)計性實驗，提高學(xué)生解決問題和設(shè)計創(chuàng)新的能力。

電子設(shè)計制作 ?對于工科學(xué)生，要培養(yǎng)他們的工程素養(yǎng)，能進行電子電路的設(shè)計與制作。在課后讓學(xué)生進行自主實踐環(huán)節(jié)，由教師給出電子設(shè)計任務(wù)，給出需要設(shè)計的電子制作的性能要求，讓學(xué)生設(shè)計繪制電路圖并進行電子制作。比如在理論課程中講到激勵通過系統(tǒng)求解響應(yīng)的問題，課后可以讓學(xué)生設(shè)計一個電路系統(tǒng)，然后進行輸入信號和輸出信號的測試并進行分析。在設(shè)計中首先指導(dǎo)學(xué)生進行元器件的選擇，電氣元器件、分立元件、集成電路等元器件的選擇及參數(shù)測試，讓學(xué)生體會不同元器件選擇、不同的參數(shù)對電路產(chǎn)生的影響;其次讓學(xué)生設(shè)計電路，運用電路仿真軟件繪制電路圖，制板、焊接調(diào)試，測試數(shù)據(jù)并分析數(shù)據(jù)。從給出設(shè)計任務(wù)開始，查找資料、設(shè)計方案、元器件選擇、參數(shù)計算、電路圖繪制仿真調(diào)試、焊接調(diào)試，到電子作品制作完成并能夠很好地運行，學(xué)生會獲得成就感和自信心，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，發(fā)揮學(xué)習(xí)的主動性，真正提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和動手實踐能力。

另外，鼓勵學(xué)生參加電子設(shè)計大賽。學(xué)校每年組織電子設(shè)計競賽，通過參加比賽，給學(xué)生鍛煉和展示自己的平臺，將所學(xué)理論知識運用到實踐中，提高創(chuàng)新實踐能力和團隊協(xié)作能力。

近幾年，學(xué)校在全國電子設(shè)計大賽中取得可喜的成績。通過電路設(shè)計和制作的實踐環(huán)節(jié)，可以使學(xué)生很好地理解如信號與系統(tǒng)、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電路等相關(guān)課程所涉及的基本內(nèi)容、基本概念、基本電路結(jié)構(gòu)與原理、基本分析方法，提高多學(xué)科融合學(xué)習(xí)的能力。同時提高學(xué)生的動手能力和解決實際問題能力，使學(xué)生逐步建立起科學(xué)的、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓こ趟仞B(yǎng)，樹立嚴(yán)格要求自己的學(xué)習(xí)態(tài)度。

4 結(jié)語

應(yīng)用新工科建設(shè)的理念，對信號與系統(tǒng)的實踐教學(xué)進行改革，由原來單一的實驗課改為三個實踐環(huán)節(jié)：實驗課前引導(dǎo)學(xué)生預(yù)習(xí)并完成驗證性實驗;實驗課中進行建模仿真編程并完成設(shè)計性實驗;實驗課后進行電子設(shè)計制作。這種實踐教學(xué)改革方法已在北方民族大學(xué)電子信息工程專業(yè)中實施兩屆，取得良好的教學(xué)效果，不僅激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的信號與系統(tǒng)理論課成績，而且增強了學(xué)生解決問題的能力和動手實踐的能力，培養(yǎng)了學(xué)生的工程素養(yǎng)。

參考文獻

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