以成果為導(dǎo)向的信號處理軟件課程教學(xué)改革淺析

姜霞 盧嘉 李薇薇

摘 要：從本校信息工程學(xué)院專業(yè)課教學(xué)特點(diǎn)出發(fā)，以成果為導(dǎo)向，針對課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革實(shí)踐。討論了在授課時引入“案例教學(xué)法”，把MATLAB的相關(guān)知識點(diǎn)和實(shí)際相關(guān)問題結(jié)合，使學(xué)生在學(xué)習(xí)軟件語言的同時，掌握如何用軟件解決實(shí)際問題，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和自主學(xué)習(xí)意識，提高綜合實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：MATLAB;案例教學(xué);實(shí)驗(yàn)教學(xué);成果導(dǎo)向

近年來，信號處理軟件MATLAB在各類教學(xué)改革中的應(yīng)用研究越來越多，尤其對于電子信息類專業(yè)，許多課程的實(shí)驗(yàn)設(shè)計都是直接或間接的建立在MATLAB基礎(chǔ)之上[1]。在我國，MATLAB在高校已經(jīng)流傳和應(yīng)用了10余年，現(xiàn)在幾乎所有的理工科院校都開設(shè)MATLAB課程，它已經(jīng)成為高校師生和科研工作者必須掌握的最常用的軟件之一。

但目前的課程設(shè)置重點(diǎn)放在軟件本身的使用方法和編程技巧上，而不是以成果為導(dǎo)向，忽視了在本專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用和與后續(xù)課程的連續(xù)性。因此必須合理配置教學(xué)內(nèi)容，緊密結(jié)合本專業(yè)特色，突出本專業(yè)領(lǐng)域仿真應(yīng)用的學(xué)習(xí);同時改進(jìn)課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，引入“案例教學(xué)法”，突出以成果為導(dǎo)向，將MATLAB更好地融入后續(xù)課程，為這些課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)打好基礎(chǔ)。

一、研究現(xiàn)狀

對于我校電信專業(yè)類的學(xué)生，到二年級的上學(xué)期就開始學(xué)習(xí)使用MATLAB軟件，并且在以后的許多相關(guān)專業(yè)課程和課程設(shè)計中需要更深入的應(yīng)用它。如《信號與線性系統(tǒng)》《通信原理》《數(shù)字信號處理》《數(shù)字圖像處理》《移動通信》《光纖通信》《模式識別》等，這些課程的共同特點(diǎn)是公式多，理論性強(qiáng)，直觀性差，學(xué)生學(xué)習(xí)起來比較困難。如果能將MATLAB仿真引入課堂，把很多抽象的東西直觀地展現(xiàn)出來，不僅起到了輔助教學(xué)的良好效果，而且會激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)理論課程的積極性，加深學(xué)生對理論內(nèi)容的理解，提高課堂教學(xué)質(zhì)量。無一例外，這些課程的實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計，都要使用MATLAB軟件。

但目前MATLAB的教學(xué)仍然側(cè)重于軟件本身的編程技巧和使用方法的描述，而沒有和專業(yè)課結(jié)合，體現(xiàn)本專業(yè)特色。以至于在后續(xù)課程中應(yīng)用MATLAB時，不少學(xué)生仍然會有陌生的感覺。其實(shí)，MATLAB語言本身語句簡單，基本沒有理論難度，比較容易學(xué)習(xí)和掌握，重點(diǎn)是如何用它來解決實(shí)際問題[2]。有些同學(xué)在MATLAB這門課考試的時候分?jǐn)?shù)很高，可是在用MATLAB解決實(shí)際問題的時候往往感到無從下手，這就需要教師在授課時多結(jié)合本專業(yè)特點(diǎn)，注意把MATLAB和后續(xù)課程內(nèi)容緊密地結(jié)合起來，培養(yǎng)學(xué)生用所學(xué)軟件分析和解決實(shí)際問題的能力。

二、課堂教學(xué)

由于《信號處理軟件》（MATLAB）是一門應(yīng)用軟件類課程，其目的是使學(xué)生掌握MATLAB語言的基本使用方法，并能熟練地應(yīng)用于和專業(yè)相關(guān)的各個領(lǐng)域的建模和仿真分析中[3]。因此除了常規(guī)授課方式加合理使用多媒體手段外，對于這種應(yīng)用類的課程教學(xué)，“案例教學(xué)法”正日益廣泛地被接受和采用。所謂“案例教學(xué)法”，就是根據(jù)教學(xué)目的和要求，以案例出發(fā)，設(shè)計一個或幾個實(shí)際問題或場景，引導(dǎo)學(xué)生深入學(xué)習(xí)對應(yīng)的知識點(diǎn)，并以所學(xué)知識主動靈活地解決問題，培養(yǎng)他們的主動思維能力，達(dá)到開放互動的教學(xué)目的[4]。

例如在講授“微分方程”知識點(diǎn)時，可以給出《電路分析》中RLC充、放電電路的模型案例，要求學(xué)生對該案例進(jìn)行分析建模，在得到的微分方程基礎(chǔ)上，運(yùn)用“dslove”函數(shù)對方程進(jìn)行求解，并利用符號繪圖函數(shù)“ezplot”描繪出電壓和電流隨時間的變化規(guī)律;在講“多項式運(yùn)算和卷積”內(nèi)容的時候，可以結(jié)合《信號與線性系統(tǒng)》中的求兩個序列卷積的問題;在講解SIMULINK交互式仿真集成環(huán)境時，可以結(jié)合《通信原理》中的通信系統(tǒng)仿真，以通信系統(tǒng)模塊工具箱（Comm）為例，讓學(xué)生在各個模塊中找到相應(yīng)組件搭建通信系統(tǒng)模型，并通過設(shè)置和改變參數(shù)觀察、分析系統(tǒng)性能，讓學(xué)生對枯燥的理論有了直觀的認(rèn)識，而這些在實(shí)驗(yàn)箱上是無法完成的。

再比如第四章數(shù)值計算，要求學(xué)生掌握數(shù)據(jù)擬合和數(shù)據(jù)插值的基本方法。一般地，從各種試驗(yàn)得來的數(shù)據(jù)總是有一定的數(shù)量，而利用插值技術(shù)能夠從有限的數(shù)據(jù)中獲取系統(tǒng)整體的狀態(tài)，因此，數(shù)據(jù)插值在各行各業(yè)，特別是信號處理領(lǐng)域內(nèi)有著廣泛的應(yīng)用。此時，我們在講數(shù)據(jù)插值時，如果直接告訴學(xué)生，插值就是在已知數(shù)據(jù)之間尋找估計值，那學(xué)生得到的就只是泛泛的概念，對插值定義理解的就不夠深入。此時，我們可以先提供一個案例，如在某處測得海洋不同深度處水溫度數(shù)據(jù)如下表所示，用插值法求出水深500m、900m和1500m處的水溫（℃）。

通過這個案例，學(xué)生能夠?qū)Σ逯档母拍钣忻鞔_的理解，插值實(shí)際上就是根據(jù)一組已知數(shù)據(jù)，估計其他未知數(shù)據(jù)的取值，在實(shí)際工程中用處很大。通過這個案例，可以引出MATLAB插值常用的方法，有鄰近插值、線性插值（默認(rèn)）、三次樣條插值，進(jìn)而詳細(xì)說明三種插值方法的特點(diǎn)和優(yōu)異。以三次樣條插值“spline”為例，只需要輸入下面四條指令，就可以得到需要的結(jié)果。

>>M=[466 715 950 1422 1635];

>>W=[7.04 4.28 3.40 2.52 2.13];

>>H=[500 900 1500];

>>Wi=interp1（M，W，H，'spline'）

其中前三條均為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，最后一條為插值指令。運(yùn)行后結(jié)果如下：

Wi= 6.4903 3.5226 2.3845

這三個數(shù)即為水深500m、900m和1500m處的水溫值。通過這個生活中的實(shí)際“案例”，理論聯(lián)系實(shí)際，不僅有利于教學(xué)，引起學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，而且有助于培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力。

“案例”教學(xué)法能有效的提高課堂教學(xué)質(zhì)量，有利于學(xué)生對知識的深入理解和掌握，但對教師的要求比較高。授課教師首先要深入了解本課程知識體系結(jié)構(gòu)，知道在什么地方可以用案例，用什么樣的案例。案例的引入要生動自然，不著痕跡，要和課程內(nèi)容相關(guān)聯(lián)，而不是生搬硬套，案例設(shè)計是為教學(xué)服務(wù)，教學(xué)為主，案例為輔，不要為了使用案例而強(qiáng)行引入一些不恰當(dāng)?shù)陌咐?。案例設(shè)計時既要考慮相關(guān)的知識點(diǎn)，還要考慮和后續(xù)課程的連續(xù)性，這樣即拓寬了知識面，也為MATLAB在后續(xù)課程中的使用做好鋪墊。其次要求教師要有一定的工程實(shí)踐背景。案例是為了幫助學(xué)生更好理解課程內(nèi)容，所以案例要盡可能生動有趣，最好是學(xué)生易于接收，和生活、實(shí)際工程有關(guān)，這就要求教師在平時要注意積累生活中的素材，不斷加強(qiáng)學(xué)習(xí)，擴(kuò)展自己的知識面。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)

要使學(xué)生真正熟練掌握MATLAB工作環(huán)境、編程技巧、建模方法和仿真技術(shù)，僅僅依靠理論授課是不行的，必須把上機(jī)操作的實(shí)踐教學(xué)作為一種非常重要的課程組成部分。在本校，信號處理軟件課程的總學(xué)時為32學(xué)時，其中實(shí)驗(yàn)學(xué)時為10學(xué)時，共安排5個授課章節(jié)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，但根據(jù)學(xué)情分析及開展的多次學(xué)生座談來看，實(shí)驗(yàn)學(xué)時遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足學(xué)生的實(shí)踐要求。而且本門課實(shí)質(zhì)上就是學(xué)習(xí)一門軟件編程語言，需要學(xué)生進(jìn)行大量實(shí)踐，許多課堂講授的理論知識，其實(shí)學(xué)生通過實(shí)踐完全可以自行學(xué)習(xí)掌握。“紙上得來終覺淺”，通過實(shí)踐過程自己體會得到的理論知識，比課堂上通過老師講解被動吸收效果要好很多，因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程也非常重要。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容應(yīng)摒棄過去傳統(tǒng)的單一驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，應(yīng)該結(jié)合本專業(yè)特點(diǎn)，開設(shè)綜合性、設(shè)計性實(shí)驗(yàn)，以激發(fā)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性，使學(xué)生能夠把MATLAB和分屬于各個學(xué)科的知識聯(lián)系起來，加強(qiáng)學(xué)生利用MATLAB分析和解決實(shí)際問題的能力。此外，通過合理安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，也讓學(xué)生了解到MATLAB課程和后續(xù)課程具有非常緊密的關(guān)系，意識到他們在后續(xù)課程的學(xué)習(xí)中將以MATLAB作為輔助手段，從而培養(yǎng)他們自主學(xué)習(xí)、終身學(xué)習(xí)的意識，為后續(xù)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)打好基礎(chǔ)。

為此，可以從以下幾個方面來確保實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的質(zhì)量和效果：每講完一章內(nèi)容，緊接著就安排適當(dāng)?shù)纳蠙C(jī)練習(xí)，使學(xué)生及時消化和吸收所學(xué)的內(nèi)容，而不是等理論課全部講完，集中安排上機(jī);每節(jié)實(shí)驗(yàn)課布置一個編程仿真類型的設(shè)計，要求學(xué)生在自己的電腦上安裝MATLAB軟件并獨(dú)立完成，以M文件或模型文件的形式上交;在全部實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，組織一次上機(jī)考核，為保證考核效果，上機(jī)考試和期末考試一樣，不準(zhǔn)攜帶手機(jī)等通信設(shè)備，考核題目從題庫隨機(jī)抽取，要求在規(guī)定的時間內(nèi)完成相應(yīng)題目，以此來檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，以及考核學(xué)生利用所學(xué)知識，解決實(shí)際問題的能力。

四、結(jié)語

MATLAB相關(guān)課程已經(jīng)成為許多理工科院校電子信息工程相關(guān)專業(yè)學(xué)生的專業(yè)必修課程，為了更好地發(fā)揮MATLAB在其他相關(guān)學(xué)科中的作用，充分調(diào)動學(xué)生的積極性，提高教學(xué)質(zhì)量和效果，引入“案例”教學(xué)法，通過對形象生動的案例進(jìn)行學(xué)習(xí)分析和研討，不僅使學(xué)生掌握了理論知識，還培養(yǎng)了學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。通過近幾屆學(xué)生進(jìn)行的學(xué)習(xí)評價和后續(xù)相關(guān)課程老師的反饋，證實(shí)這種教學(xué)模式取得了很好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

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[2]張志涌，楊祖櫻.MATLAB教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

[3]余國先，王峻.面向科研創(chuàng)新的MATLAB課程教學(xué)模式探索[J].西南師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，1：164-168.

[4]武文佳.《MATLAB基礎(chǔ)與應(yīng)用》通識課程案例教學(xué)法探索[J].教育教學(xué)論壇，2020，10：270-271.

作者簡介：姜霞（1978— ），女，漢族，河北懷來縣人，博士，講師，研究方向：信號處理。