MATLAB软件在《信号与系统》课程实践中的应用

肖林　张永胜

【摘 要】美国20世纪80年代中期推出的数学软件MATLAB，具有强大的数值计算能力和卓越的数据可视化能力，可以提供与矩阵有关的强大的数据处理和图形处理功能， 是科学分析和科学计算领域最优秀的应用软件之一。鉴于《信号与系统》这门课程传统“黑板式”教学存在的理论计算繁琐、信号及系统分析时图像较多甚为抽象难以理解等弊端，不妨在《信号与系统》课程教学的各个环节中引入MATLAB软件，教学成果有效地验证了MATLAB软件在《信号与系统》课程教学中的真实有效性以及优越性。

【关键词】MATLAB；信号与系统；课程教学改革

0 引言

《信号与系统》课程是通信工程电子信息工程等专业的一门重要的专业基础课，然而，在传统的黑板式教学过程中，我们不难发现学生普遍觉得该课程较为抽象学习起来难以理解。联系到该课程传统教学的模式，结合《信号与系统》这一课程较为抽象的特点，深入改革与实践后，不难发现，将MATLAB软件灵活地运用到《信号与系统》课程的各个教学环节，能明显地激发学生学习热情、活跃学生学习气氛以及提高该课程的教学效果。

1 传统教学模式下《信号与系统》教学现状

在过去很长的一段时间里面，《信号与系统》课程都是采用传统的“黑板式”教学。一般情况下，学校给《信号与系统》课程安排的教学课时都相对较少，巧妇难为无米之炊，在一定程度上教师要在这有限的时间内清晰透彻地将每个晦涩难懂的知识点讲得让大家都听得懂非常困难，由于《信号与系统》这门课程公式定理推导步骤繁琐、理论内容十分丰富、概念较为抽象难懂，与此同时教师又不得不推进教学进度，在这双重压力下很多时候传统式教室上课情况表现为教师在讲台上手持书本讲课滔滔不绝，学生注视老师手捏钢笔愁眉苦脸，更有甚者觉得反正左右都是听不懂不如干脆加入“低头族”队伍若无其事玩手机。这种传统“黑板式”教学在一定程度上可能会挫伤部分学生的学习积极性和学习热情。在这种情况下，不妨在《信号与系统》的教学上引入MATLAB软件。

2 MATLAB软件的优越性

MATLAB软件是1984年美国推出的数据分析及图形处理软件。首先，该软件采用非常接近人们书写思维的直译式编程和编译系统，学生基本上都有C语言的基础，因此，对于一般高校学生来说，MATLAB软件操作简便，具有引入到《信号与系统》课程教学的可行性。其次，MATLAB软件可以用来解答一些线性方程组以及一些矩阵变换，比如傅里叶变换、拉普拉斯变换等。再者，MATLAB所具有强大的数据分析处理能力，在《信号与系统》课程教学中可以将艰深晦涩的理论可视化，更加便于学生洞悉其原理以及加深其记忆。

3 基于MATLAB软件的《信号与系统》教学

在这一节中，我们将具体阐述如何将MATLAB运用到《信号与系统》课程的各个环节。

3.1 将MATLAB引入课堂理论教学

MATLAB是一个实用性非常强并且运用非常广泛的的软件，将MATLAB仿真软件引入《信号与系统》课程教学近些年正逐渐呈现为一种趋势。上课时，在课本与多媒体投影仪相结合之于，不妨再加入MATLAB软件。无论是连续时间系统还是离散时间系统的知识体系，MATLAB软件都可以把复杂的公式数据转化为通熟易懂的图像。比如周期矩形信号的频谱，教材中给出的插图仅仅是频谱的局部，不利于学生对该波形整体的认识和理解。而倘若运用将MATLAB仿真软件来对周期矩形信号进行模拟仿真的话，学生就可以看到多个周期，山重水复凝无路，柳暗花明又一村。这样一来学生能够更加加深对该频谱的整体的认识和理解，又如对三角脉冲信号波形及频谱的分析，假如教师仅仅是用口述去描绘以及黑板来板书，相信很多学生对于三角脉冲信号的波形及频谱的认识就是是云里雾里，根本谈不上分析。倘若教师在讲台上演示如何通过使用MATLAB来分析三角脉冲波形信号及频谱，相信这样可以更加便于学生加深对该波形及频谱的理解及分析。同时，也可以带动大家去思考讨论活跃课堂气氛，同时提高学生的学习积极主动性以及引导学生自己动手运用MATLAB软件进行实际的上机操作。

3.2 将MATLAB引入实验操作教学

不少IT类专业都独立开设了MATLAB这门课程，将MATLAB引入到《信号与系统》课程的实验操作教学，一方面为MATLAB这门课程提供了实践的平台，海阔凭鱼跃，天高任鸟飞。另一方面在《信号与系统》课程的实验教学当中使MATLAB软件与实验箱这一硬件相结合。实验课时，我们可以在教学实验大纲的指导下根据各个实验的特点来选择每一个实验是用实验箱还是用MATLAB软件来操作才能使实验效果更加美好，或者MATLAB软件与实验箱取长补短相结合。这样一来学生通过软硬结合的实验设施可以提高效率得到更加直观、形象、精确的实验结果来验证实验的理论数据。比如单位阶跃信号的拉普拉斯变换，如果用实验箱的话，可能只是得到一个二维的平面振幅频谱曲线图，而如果使用MATLAB仿真软件的高超的数据处理及绘图能力，那么，就可以得到一个三维的立体曲面图像，这样可以更加便于学生对知识的理解和接受。

3.3 将MATLAB引入《信号与系统》课程设计

在常规的课堂理论教学与实验实践操作教学之余，不妨再布置《信号与系统》课程设计。课程设计无疑是《信号与系统》课程的一个非常不错的实践平台。一方面，学生通过参与课程设计可以加深对所学知识的印象巩固所学知识，使所学知识有更深的体会和运用。另一方面，理论与实践相结合，可以锻炼学生接受新事物的能力和培养创造力。

4 结束语

回首《信号与系统》课程的教学历史，长期以来大量学生在繁杂的数学公式推导中苦苦挣扎而忽略了分析问题的基本方法的思考与理解，本文立足于传统教学模式下的《信号与系统》课程教学背景，分析了MATLAB仿真软件的各个特点，将MATLAB仿真软件引入到《信号与系统》的教学中去，理论与实践相结合，充分发挥利用了MATLAB仿真软件的各项优势，能使学生更好地理解该课程的相关知识，既能使学生从繁琐的数字计算中解脱开来，又能使学生透彻地理解所学知识，同时更加注重于分析方法的学习，在一定程度上提高了《信号与系统》的学习效率，增加了对该课程的学习积极性。

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[责任编辑：杨玉洁]