“信号与系统”多媒体课件设计

吴 骏，曾华英，韩晓军，徐秀知

(天津工业大学 电子与信息工程学院，天津300387)

“信号与系统”课程是电子信息与通信类专业本科生的一门重要的专业基础课程。该课程的特点是理论难度大，相对于其它课程来说比较抽象，涉及到相当多的数学知识和数学公式。课程涉及LTI 系统时间域与变换域相关理论问题，需要用到积分变换和电路理论等基础知识。同时教材上有大量的例题和习题，学生消化吸收难度较大。在“信号与系统”的教学中过多地进行教学推导与分析，教师讲解费时费力，学生学习效果不佳。

我院“信号与系统”课程组在分析多媒体课件设计的一般性要求的基础上，结合本课程的特点及教学现状，提出了本课程多媒体设计的特殊性要求。我们根据这些要求，基于Flash 和Matlab 设计制作了多媒体课件，对传统的“信号与系统”教学环节起到了补充和辅助作用。

1 “信号与系统”课件设计

多媒体课件是根据教学大纲的要求和教学的需要，以多种媒体的表现方式和超文本结构制作而成的课程软件［1］。多媒体课件设计和制作过程中的共性要求包括:①选择合适的学习理论，保证课件的科学性;②选择合适的媒体类型;③合理设计课件结构;④设计美观，便于浏览的界面。

当设计和制作“信号与系统”课程的多媒体课件时，我们既要把握多媒体的特征和学生的接受能力，又要探究本课程教学内容的特点，要将多媒体课件设计的共性要求具体化。同时，我们要考虑以下几点特殊性要求。

(1)教师在设计和制作该课件时，要综合考虑授课内容的特点、学生的接受能力和教学时数等因素，使课件的结构有合适的学习理论作指导，使课件的每一屏都彰显出学习理论的光辉。

(2)多媒体教学和传统教学各有其优点，在教学中应坚持与传统教学手段相结合。“信号与系统”课程中公式和理论推导很多，各种波形和变换复杂，传统的板书教学在性质推导和习题解答等环节较为适用，而对于较复杂的图形变化展示，多媒体教学则更有优势。

(3)在课件中使用Flash 和Matlab 软件，可以制作形象和富有感染力的动画画面，学生以多种感官参与课程内容对所学知识的展示。导入的按钮触动声、背景音乐以及教学旁白等声音材料，可以实现人机界面的交互和学习内容的交互。

2 “信号与系统”课件特点

(1)结构合理—课件每页上方均标注了本页课件对应的章节和知识点，使得学生能够理清知识线索，紧跟教师的教学进程，也便于课下复习。

(2)生动形象—课程组利用Flash 制作了动画［3］，用于在多媒体课件中演示“信号与系统”课程中的基本概念、基本运算的讲解和教学案例。对于比较抽象的内容，尽量采用图表和动画形式。例如，我们在讲解“连续系统的时域分析”中零输入响应和零状态响应的概念、起始状态和初始条件间的关系时，采用图示方法(图1)。在讲解“卷积积分”的图解法时，设计制作了Flash 动画进行演示(图2)。该动画上方给出两个连续信号P(τ)和P(t －τ)的波形，下方给出P(τ)和P(t－τ)相乘后进行积分的结果，即P(t)和自身进行卷积积分的结果。动画演示过程中，P(τ)保持不动，P(t－τ)随着t 的增大由左向右移动，在此过程中下方同步绘制出卷积积分结果的波形。画面中间的按钮可以控制演示进程，非常适合于课堂教学的演示。

图1 零输入响应和零状态响应图示

图2 卷积积分的Flash 动画

(3)具有交互性—课程组利用Matlab 的信号处理工具箱和可视化的图形用户界面GUI 工具［4，5］，在多媒体课件中实现了交互式教学。本课件可以实现在“信号与系统”中经常用到的几种信号的时域波形显示，通过选择下拉列表框的信号可以实现实指数信号、正弦信号、复指数信号、抽样信号、周期方波信号、周期三角波信号和单位阶跃信号等的显示。用户还可以通过对信号频率和振幅等信号参数改变信号的形状，同时为了防止信号频率偏高时信号过于集中而看不清信号波形，还特别添加了滚动框。用户可以对信号的时间轴进行调整，抽样信号显示示例如图3所示。

图3 抽样信号显示

本课件还可以对门信号、单边指数函数、双边指数函数、三角函数、抽样函数、抽样函数平方、阶跃信号和单位冲激信号等的波形和频域进行观察，了解信号的时域和频域关系，并能实现傅里叶变换性质的演示，加深学生对信号时域和频域的认识，傅里叶性质的尺度变换特性示例如图4所示。

图4 傅里叶性质的尺度变换特性

本课件还可实现周期方波信号的傅里叶级数展开式前N 项的信号显示，可以对方波信号的幅度、周期和前N 项进行设定，并能对其进行频谱分析，实现对周期矩形脉冲信号频谱与信号脉冲宽度、周期T 之间的关系的观察。周期方波信号傅里叶级数前20 项展开显示示例如图5所示。

3 结语

本文分析了多媒体课件设计的一般性要求，针对“信号与系统”课程的特点，结合教学现状，提出了本课程多媒体课件的设计要求，并且基于Flash和Matlab 设计制作了“信号与系统”多媒体教学课件。该课件利用Flash 动画演示基本概念、基本运算的讲解和教学案例，解析难点;利用Matlab 的信号处理工具箱和可视化的图形用户界面GUI 工具，实现交互式教学。该课件优化了课程的教学过程，有效提高了教学质量，受到了广大学生的好评，并在第十一届全国多媒体课件大赛中获得了三等奖。

图5 周期方波信号傅里叶级数前20 项展开

［1］ 刘凤春，陈希有，李冠林. 多媒体课件的制作技巧及相关思考［J］. 南京:电气电子教学学报，32(2):97-100.

［2］ 王瑞.浅谈在课堂教学中如何提高学生的抽象思维能力［J］.南宁:东南亚纵横，2003，3:. 75-76.

［3］ 张金区. 多媒体交互式课件中关键的Flash 技术与方法［J］.北京:计算机教育，2008，14:94，102-103.

［4］ 侯其立，徐科军. 从Matlab 仿真到DSP 实现信号处理算法［J］. 南京:电气电子教学学报，2012，34(2):92-94.

［5］ 韩晓军，吴骏. 信号与系统教学改革的优化与实践［J］. 天津:天津工业大学学报(增刊)，2010，6:88-90.