基于MATLAB仿真的《信号与系统》实验课程教学改革

2024-01-01成都大学电子信息与电气工程学院赵永鑫

内江科技 2023年9期

◇成都大学电子信息与电气工程学院胡林唐琳赵永鑫雷霖

高校传统的《信号与系统》实验教学的目的是对理论知识进行验证。随着就业形势日趋严峻，用人单位对学生综合实践能力的要求也越来越高。因此，《信号与系统》实验课程教学改革势在必行。教学改革主要集中在教学内容和教学模式两个方面。本文结合成都大学电气工程及其自动化专业学生实际，针对目前《信号与系统》实验教学的现状和不足，分别对实验课程教学内容和教学模式改革进行了探讨，希望以此提高学生学习的主动性和积极性和学生的综合实践能力进而提升其在职场中的竞争力。

《信号与系统》是一门专业实践性强、知识面涉及广的专业基础课，是电气工程及其自动化、电子信息工程、通信工程、自动化等专业本科生的必修课程。它也是电子信息类专业学生的考研专业课程之一。本课程是将学生从电路分析的知识领域引入到信号处理与传输领域的一门重要课程，对后续专业课程的学习起着衔接作用。因此，学生掌握好信号与系统分析的基本方法和理论，不论是对后期专业课程的学习，还是对毕业后从事专业相关工作，都具有十分重要的意义。《信号与系统》实验教学是其理论教学的延伸，通过实验教学，可以将《信号与系统》中所涉及的理论知识形象化、具体化，从而加强学生对重难点知识的理解，培养学生理论联系实际、分析问题、解决问题的能力。因此，实验教学在本课程的教学中起着重要的作用。目前我校开设的《信号与系统》课程也包含了相关的实验课程，所采用的实验方式有两种：基于实验箱的硬件实验和基于MATLAB软件的仿真实验。硬件实验箱存在信号调节范围有限、对“信号与系统”理论缺乏直观表达等缺点。此外，实验箱只能提供相对简单的验证性实验，可设置的综合性、设计性实验较少，难以满足目前的教学需求。因此，对信号与系统实验的内容进行改革势在必行。另外，对于教学改革来说，教学方法也很重要。

目前许多教学一线工作者对实验教学进行了长期而有效的探索和实践，提出了许多行而有效的改革措施[1-3]。但是，这些文献都不是针对《信号与系统》这门课程的。由于每门课程有其各自的特点，任一课程都无法直接照搬其它课程的实验课程教改措施。当然，也有一些文献关注《信号与系统》这门课程的实验教改。例如高瑞等提出了一种基于e-labsim虚拟仿真平台的综合教学法[4]；唐亮等结合西安思源学院电子信息工程专业学生实际对《信号与系统》实验课程内容进行了改革实践[5]；陈昌兆等通过一道具体例题详细介绍了《信号与系统》实验课程中应用MATLAB仿真软件时的一般环节和主要步骤[6]。不同于上述研究，本文以成都大学为例，通过分析目前《信号与系统》实验教学的现状和不足，分别对实验课程教学内容和教学模式提出了一些改革举措并结合实践探索改革效果。

1 实验教学的现状和不足

在以往我校的《信号与系统》实验课程教学过程中，存在着实验教学内容和教学模式两方面的问题。

1.1 实验教学内容

《信号与系统》实验内容由硬件实验和软件实验两部分组成，其中硬件实验均为验证实验，实验内容单一且固定;软件实验内容主要是验证实验，只能验证《信号和系统》中的理论知识点。在仿真过程中，学生需要使用MATLAB软件进行仿真。但是由于教学时间所限，授课老师对MATLAB软件并不会作特别地讲解。目前我校所设置的实验教学内容虽然可以达到验证理论知识的目的，但也严重限制了学生的创新思维。

1.2 实验教学模式

实验课时一般少于理论课时。在实验课上，除去老师的教学时间，留给学生进行实验的时间非常有限，大多数学生只能在课上完成基本的教学任务，试图通过目前教学大纲中所提供的实验提高学生的综合动手能力是很难的。

仅仅改变教学设备和内容而忽视教学方法的教学改革已经不适应当前的教学现状。实施教学改革，不仅需要教学内容的改革，更需要教学方法的改革。

综上所述，《信号与系统》实验课程的教学内容和教学模式存在以下问题。

（1）实验内容陈旧。现有的《信号与系统》实验以验证性实验为主，而综合实验和设计实验的内容几乎为零。这样的课程安排，会直接导致学生对课程学习的目的和意义认识不足，学生的工程思维和创新能力培养远远不够，严重影响学生学习后续课程的主动性和积极性。

（2）实验教材存在的问题。近年来，我校与大多数高校一样，都使用相同的实验教材，实验内容和操作过程变化不大。课堂上，实验教材与教师讲解同步进行。老师用手教，学生在混乱中学习。从准备实验到课堂讲解，教师花费了大量的时间和精力，但并没有取得良好的教学效果。

（3）课堂时间安排上的问题。目前，《信号与系统》实验课程理论课与实验课差异较大，导致实验课程内容不能扩充，时间少，任务重，学生在实验中遇到的问题不能及时应对，削弱了学生探索实验现象的意愿。

2 实验教学改革措施

2.1 注重设计型、探索型、研究型综合性实验

在保证学生能够通过基本验证性实验加深对理论教学中的重难点知识的理解、熟练掌握基本软硬件仿真操作方法的基础上，删去部分内容陈旧、操作简单、功能重复、缺乏自主性的单一验证性实验。加强实验内容的开放性、探索性、研究性、综合性，结合新时代背景，引入新技术和现代化实验手段丰富实验教学内容，进而建立起包含基础性实验、验证性实验、研究性实验、探索设计性综合实验的由易到难、层次清晰、循序渐进、引人入胜、布局全面的实验课程体系。

2.2 实施开放灵活的实验教学模式，因材施教

（1）给予学生更多灵活性和自主性。针对不同层次的实验，可以采取不同的授课模式。比如，针对基础性和验证性实验，任课老师可以使用统一实验内容，要求每位学生必须在课上独立完成，确保学生掌握基本实验操作、巩固所学理论知识点；针对探索研究性和自主设计性实验，给予学生充分的自由，在任课老师的引导下，学生可通过查阅相关文献，掌握实验课题相关领域的研究背景和现状，独立自主完成实验内容设计和选材，也可组队完成还可在任课老师以及其它专业老师的指导下完成，不限定学生的实验时间，不要求其必须在课堂上完成。最终的实验结果可以多种形式呈现，比如科技论文、创意作品、实验报告、发明专利、软件著作等，允许学生在研究探索性实验中失败。

（2）根据学生兴趣爱好以及职业规划不同，准备多套有针对性的实验教学内容供学生选择，定向培养学生的技能。例如：针对拟从事软件开发的学生，实验内容应侧重软件编程能力的训练；针对拟从事硬件开发的学生，实验内容则更多侧重于硬件电路的设计与连接；针对计划考研深造的学生，实验内容应偏向理论模型的仿真与验证；针对毕业后从事专业相关工作的学生，实验内容主要关注行业前沿技术手段，实现学生从课堂到职场无缝衔接。

（3）根据学生的专业不同，采用多目标培养模式。例如：针对计算机专业的学生，尽量督促他们学会利用计算机软件等所学专业知识来处理实验数据；针对自动换专业的学生，尽量要求他们从系统控制的角度思考问题，用控制理论方法解决问题等等。

2.3 优化实验课程考核方式

注重对学生实验过程的考核，实行科学精准的课程考核评价体系。为了精确、真实且公平的反映学生的实验课程学习目标达成度，应该重点考核学生的灵活运用所学理论知识的能力、动手能力、创新能力、分析问题解决问题能力等方面，不再只以学生出勤率作为唯一考核标准，设置平时分环节，对于课前准备充分，在平时实验过程中积极思考、提问、实验完成情况较好、动手能力强且能够独立分析和解决实验过程中出现的问题，课后实验报告书写质量较高的学生给出高分。

实施多元化成绩考核模式。针对不同层次的实验，使用不同的考核标准。针对自主设计型或研究型实验，不再以实验报告作为唯一考核依据，取而代之的可以是小论文、实物展示或者视频展示。而其考核重点则为实验设计内容的完整性、实验设计方案的可行性、实验结果的可靠性以及理论分析的准确性等。