侯鹏亮， 林其斌

随着我校“培养应用型本科人才，服务地方经济发展”的人才培养模式的确立，机电学院肩负着培养应用型人才的重任，要改变以往只注重理论不重视实验的教学模式，加大实验环节在教学过程中的比例。“信号与系统”是我院电子信息工程、电子科学与技术和自动化专业的必修课，也是一门重要的专业基础课，其对学生的数学知识要求也比较高，特别是傅氏变换、拉氏变换、差分方程和微分方程等内容[1]。这门课能否学好将直接影响后续对“数字信号处理”和“通信原理”的学习。同时该课程还是许多学校考研入学考试的必考科目，如果这门课没有学好将增加学生考试的困难，将直接影响学生的考研结果。

“信号与系统”对数学知识和专业基础知识要求特别高，计算复杂，概念抽象不容易理解，教学方式单一，计算结果只是一堆数学公式，看不到实体的效果，这些因素造成了“信号与系统”这门课成了难学、不容易理解的代名词。我院“信号与系统”的教学模式是以老师的教学为主，主要依靠老师在课堂上将教学内容给予讲解，通过在黑板上对复杂的计算过程进行推导，画出不规范的波形，增强学生对抽象理论知识的理解[2]；同时也能增强学生对数学知识的掌握，熟悉具体的计算过程。学生通过做作业和课后的习题，熟练计算过程，加强对抽象理论、概念的理解，掌握基本的理论知识，有限的实现了教与学的有机结合。随着我校教学环境的改善，利用多媒体教学已经成为我院进行课堂教学的主要模式。多媒体教学有利于教师将抽象的理论以图形、图像的形式展现出来，增强了学生对抽象理论、概念的理解。但同时也存在有的教师减少了在黑板上对复杂理论知识的推导，导致数学基础薄弱的同学无法理解和掌握这些知识，打击了学生学习的热情。

如何提高“信号与系统”教学效果一直困扰着我们，近年来随着MATLAB应用的越来越广泛，特别是现在许多的教材都引入了MATLAB，通过利用MATLAB软件来进行“信号与系统”的计算、仿真，可以有效的提高学生的学习热情，方便的进行人机交流，将抽象的理论、概念直观的展现出来，增强了公式、概念的可读性。

1 MATLAB 简介

MATLAB (Matrix Laboratory ，矩阵实验室)是由美国Math works公司于1984年推出的。MATLAB即是Matrix + Laboratory，又称为“矩阵实验室，其强项就是高效的矩阵计算[3]。MATLAB广泛应用于电子、航空航天、数学、计算机、机械和经济学等领域。我国各大院校的相关专业都将MATLAB做为专业的必修课和选修课，增强学生对科学软件的掌握，为社会输送合格的人才。我校开设MATLAB的学院有机电学院、数学学院、计算机学院和经管学院，特别是我们学院对电子大类的所有专业都开设。对学生学习《信号与系统》、《通信原理》和《数字信号处理》等课程，起到辅助的作用，能够通过建立仿真模型，形象、直观的展现抽象的概念和理论知识，加强学生对这些专业知识的理解，提高学生的学习成绩。

MATLAB GUI(Graphical User Interface)即图形用户界面，是指由按钮、列表框、编辑框等用户界面控件构成的应用程序界面[4]。GUI 是一种结合计算机科学、美学、心理学、行为学，及各商业领域需求分析的人机系统工程，强调人-机-环境三者作为一个系统进行总体设计。

“GUI设计的原则是应力求简洁、直接、清晰地体现界面的功能和特征。设计的图形界面要直观，为此应多采用图形，而尽量避免数值。设计界面应尽量减少窗口数目，力求避免在不同的窗口之间进行来回切换[5]。”本虚拟平台的设计就是利用MATLAB GUI控件，在一个窗口中完成信号的输入与输出同时显示，力求界面简单，操作方便，以方便学生使用为宗旨，以提高“信号与系统”的教学效果为最终目的。

2 “信号与系统”虚拟实验平台的设计

2.1 虚拟实验平台的组成

由于“信号与系统”这门课的概念和理论知识太抽象，很不容易理解和掌握，所以通过这个实验平台可以让学生自已动手熟悉和掌握抽象的概念和理论知识，对学生的学习将产生事半功倍的效果。实验平台的系统组成如图1所示。

图1 实验平台的系统组成

2.2 虚拟实验平台的特点

相对于硬件实验箱，虚拟实验平台，具有操作界面简单、易懂、方便和灵活。教师也可以在上课的时候使用，增强学生对抽象概念和理论知识的理解，提高课堂教学质量。课后学生可以自己掌握时间来做实验，杜绝了硬件实验对时间的限制和实验内容的限制，学生可以自由掌握，根据自己的学习情况灵活的选择实验的内容。

2.3 虚拟实验平台主界面的设计

运行MATLAB后，在命令窗口中键入GUIDE，进入GUIDE设计向导，选择缺省的空白GUI即可。在弹出在新建窗口中拖入1个静态文本框(Static Text)和5个按钮(Push Button)以及一个坐标轴(Axes)。如图2所示。设置静态文本的String为“信号与系统虚拟实验平台欢迎你！”，Background Color为浅蓝色，FontSize为22.0，Foreground Color为红色。依次设置五个按钮的String为“实验一基本序列产生”、“实验二基本信号产生”、“实验三简单卷积实验”、“实验四傅里叶变换实验”、“实验五滤波器设计实验”。 在上面得到的GUI中，我们继续在figure上添加一个pushbutton，修改pushbutton的Units属性为pixels，将position属性的width和height分别设置为65和65，点击运行后的结果如图3所示。

图2 虚拟实验平台主界面的设计

图3 虚拟实验平台运行后显示的主界面

2.4 虚拟实验平台子界面的设计

以实验四为例来说明子界面的设计。从左边选择编辑框(Edit Text)这个控件然后拖入窗口中，调整到合适尺寸，保持整个实验界面的和谐，让操作者看起来简洁直观。双击编辑框，修改属性，将String设为空，字体由默认的8.0调为11.0，以便用户输入时能清楚地看见自己所输入的内容。点击GUI菜单栏的Tools，在下拉菜单中选择GUI options，然后在弹出的GUI options对话框中Resize behavior一栏中不选默认的Non-resizable，下拉选择第二个备选项Proportional，这样再运行后就会发现窗口可调了。设计好后的实验四如图4所示。

图4 实验一基本序列产生界面

2.5 虚拟实验平台调试结果输出

我们以实验四傅里叶变换和实验五滤波器的设计为例来说明虚拟实验平台的输出结果。在图3的主界面中，点击实验四傅里叶变换实验按钮，将弹出如图4所出的子界面。在方波傅里叶变换的后面方框输入4时，输出的波形如图5(a)所示；在离散傅里叶变换的后面方框输入2时，输出的波形如图5(b)所示。实验结束点击返回按钮，就可以返回到如图3所示的虚拟实验平台的主界面。点击实验五滤波器设计按钮，就可以进入实验五的子界面如图6所示。在低通滤波器的后面方框输入0.2，则输出结果如图7(a)所示，如果在高通滤波器的后面方框入0.6，则输出的结果如图7(b)所示,点击返回按钮将退出子界面，返回到主界面。

图5 虚拟实验平台实验输出结果

图6 实验五滤波器的设计界面

图7 实验五滤波器的输出结果

3 结论

“信号与系统”虚拟实验平台，界面简单，操作容易，可以方便教师在进行课堂理论教学时，进行演示，将抽象的概念和理论通过图示的形式，直观的展现出来。同时学生也可以利用课余时间，方便的进行实验和学习。本实验平台的原代码是公开的，教师和学生都可以根据自己的学习特点，设计符合自己学习特点的“信号与系统”虚拟实验平台。通过在教学的过程中使用“信号与系统”虚拟实验平台，使“信号与系统”这门课的教学效果发生了明显的改善，学生的学习成绩明显提高，达到了提高教学质量的效果。

[参 考 文 献]

[1] 张小虹.信号与系统[M].西安:西安电子科技大学出版社,2011: 2.

[2] 梁 虹,杨 鉴.基于MATLAB的“信号与系统”计算机辅助教学系统的设计[J].云南大学学报(自然科学版)，2001(23):111.

[3] 郑阿奇.MATLAB实验教程(第3版)[M].北京：电子工业出版社，2012.

[4] 谷源涛,应启珩,郑君里.信号与系统-MATLAB综合实验[M].北京:高等教育出版社,2008:221.

[5] 徐利民,舒君.基于MATLAB的信号与系统实验教程[M].北京:清华大学出版社,2010:55.