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[摘 要]作为电子信息类专业的专业基础课程，信号与系统是涉及很多概念、原理，这些概念与原理通常使学生感受枯燥、抽象，不能很好地理解与掌握。将计算机仿真软件用于学生的课堂教学和实验教学之中，可以实现课堂教学和实验教学的可视化、动态式多媒体教学，使教学难点直观易懂。本文结合实际教学讨论了如何应用仿真软件，实现图形辅助教学，帮助学生理解与掌握课程中的基本概念、基本原理、基本分析以及应用方法，从而提高教学质量。
[关键词]Matlab、labview、教学演示、仿真教学
中图分类号：TH131 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）34-0003-02
1 引言
作为学习信息类专业课程的基础，信号与系统使用数学方法进行电信号与系统的分析与求解，在专业知识结构中，起着构筑数学研究方法和实际工作之间桥梁的重要作用。一直以来，它都是一门难学、难教的课程，学生通常反应理论性太强，抽象概念难以理解，也难以贯通复杂难懂的公式与工程应用的联系[1]。如何解决学生在学习过程中的困惑，帮助学生在理解基本理论知识的基础上，学会将理论应用到工程实践中，是我们在授课中一直关注的问题。
随着科技的发展一些新的教学手段被引入教学过程。将计算机仿真设计软件用于学生的课堂教学和实验教学之中，可以实现教学内容的可视化、概念的图形化，使教学难点直观易懂。本校根据备课教案，在课堂上利用天煌公司的Matlab信号仿真包，及NI公司提供的Labview信号处理实验室，对教学内容直接进行演示，达到事半功倍的教学效果；同时，学生主要使用Matlab软件经过计算机仿真多媒体教学和参与仿真实验，不仅可加深对信号处理原理、系统时域频域分析方法的理解，而且能提高学习的兴趣，增强学习的自信心和成就感。
2 Matlab在课程实验中的应用
多年的信号与系统教学推广使我们看到，由于信号与系统的概念比较抽象，算法的推导需要较深的数学基础，学生理解和掌握这门课程具有一定的困难。另外，信号与系统的计算、推导较为繁琐甚至无法实现，学生的课后实践受到相当的限制，在很大程度上影响教学效果。多数院校信号与系统实验均是在计算机上用Matlab语言进行仿真，以加深对课堂所学知识的理解，我们也同样采用了这一实验形式。根据理论课，设置了5个基于matlab的验证性实验，分别为：MATLAB程序入门和基础应用信号（2学时）、系统时域分析（3学时）、信号的频域分析（3学时）、系统的频域分析（3学时）、连续信号与系统的复频域分析（3学时）。通过这五个实验能够充分帮助学生理解信号时域表达与运算，频谱的基本概念，系统函数的基本概念等频域分析的基本内容。在此基础上设置了两个综合性实验，同样基于matlab软件，分别为音乐合成（3学时）及simulink仿真（3学时）。这两个实验增强了学生的对于信号与系统课程的兴趣，同时與模型建立相结合，让学生初步尝试利用simulink进行系统模型的建立及更为直观的从信号输入输出关系上，理解系统对于信号的作用。
同时在Matlab编程过程中，学生能初步接触到如何利用软件进行信号处理，可以深入浅出地分析各类信号的特性以及各类参数对信号和系统各自特性的影响。通过matlab实验与理论课程的交替进行，教学和实验验证同步进行的教学方式克服了理论性较强的课程难以进行交互式教学的缺点，能大大激发学生的学习兴趣，扩展学生的思维空间，取得良好的教学效果。
3 仿真软件在课堂教学中的应用
通过教学积累，针对课堂教学中的难点，在课堂的有限时间内我们希望能更为直观的给学生展示一些抽象问题，随堂演示不失为一个极好的选择。天煌公司在Matlab6.5的平台上开发了一款信号与系统仿真软件，该软件的仿真内容包括信号的时域表达、信号的基本运算、连续时间系统的冲激响应和阶跃响应、二阶系统的模拟、系统的零输入零状态及全响应周期信号的频谱表示等多个内容。其中不乏实际电路的模拟仿真，能够较好的将数学分析与实际工程应用相印证。这些内容与构成该课程的核心内容及一些基本概念、基本理论和方法相关联，便于与课程课堂讲解中的重难点相印证。根据理论课内容，我们随堂演示主要选择一、二、五、六、七、九，这六个仿真内容进行演示（图1）。
例如在：在讲解无失真传输内容时，可利用该仿真软件直观检验一电路是否为无失真电路，改变仿真电路输入端的正弦信号频率，调节电路的C1、C2、R1、R2的值，能够直观看到各参量对于输出信号的幅值和相位的影响，理解无失真传输的要求（图2）。
而对于频率变换、采样定理、低通滤波几个讲解内容我们选择了动态性更强，能较好展示频谱信息的NI公司的信号处理实验室仿真，该软件是使用Labview编写的虚拟实验平台辅助教学，但其中内容更适合于数字信号处理等课程的讲解，所以只能选取其中部分進行演示实验（图3-图5）。
4 labview在课程实验中的应用
利用Matlab这类仿真软件进行实验由于成本低、效率高，受到广泛应用，但是经过多轮教学，我们发现单一软件实验无法提供真实的实验环境，纯软件实验无法让学生体会到实际中由于硬件的构成和特性参数变化而出现的差异，且Matlab实验本质上其实为数字化的信号处理，不利于学生对于连续信号系统的理解。因此我们在学生完成基础教学内容后，在学生课余自主学习中，进行了了软硬件结合的实验教学，而不光只是用Matlab做仿真。考虑到实际硬件电路的复杂性，及调试电路的困难性和时效性，采用了固定式硬件及可调式软件的实验形式。
NI公司Labview是一种可视化的编程软件，采用图形化编程语言—G语言，能较快的学会基础编程，易于学生对于程序进行调试和理解。根据我校医学院校的特点，前期信号与系统教学更多的是为医学服务，结合医学基础课程，学生对于医学信号处理表示出了浓厚兴趣。为了是学生接触实际信号分析处理，而不仅仅停留在信号系统的仿真上，我们使用了labview软件搭配NI的数据采集卡以及固定的传感器与前置放大电路等，作为学生创新实验的基本平台，采集实际生理信号，如心电、脉搏、呼吸信号等，在labview中自行编程对于实际采集信号进行处理分析，如低通滤波、50Hz陷波，频谱分析等。通过实验激励学生自行探索信号处理分析、系统设计中的奥妙，从而激发学生的专业学习兴趣，成功的构建了学生从理论到实际，从课程到应用的桥梁。
5 结束语
在信号与系统课程中合理的使用仿真软件，不仅能够帮助学生理解抽象枯燥的理论知识，帮助学生学好本门课程，为后续学习打下基础；同时由于前期对于实际信号处理的接触，随着学生知识结构的加深，在创新实验、课程设计、毕业设计等任务中，能够前后对照，帮助其培养分析实际问题、解决实际问题的能力。随着教学改革的加深，我们的教学目标逐渐向培养“工程师”的方向进行，在这一过程中如何发挥各种工具进行教学辅助是值得继续探索深化的。仿真软件的各种优势也逐渐在信号与系统的教学中得到体现，在后续的教学改革中，我们将进一步深入学习、总结，使其在教学中发挥更大的作用。
参考文献
[1] 许佳.生物医学工程专业信号与系统课程教学启示[J].现代医药卫生，2011，27（14）：2238-2239.
[2] 曹斌芳，姚亮，石博.仿真软件的信号处理课群中的应用尝试[J].教育现代化，2016（35）.
[3] 肖志红.信号与系统实验教学改革探讨[J].中国现代教育装备，2009（17）：76-77
作者简介
许佳，（1982.1-）女，汉，重庆市沙坪坝区职称：讲师研究方向：电磁感应检测技术。
[关键词]Matlab、labview、教学演示、仿真教学
中图分类号：TH131 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）34-0003-02
1 引言
作为学习信息类专业课程的基础，信号与系统使用数学方法进行电信号与系统的分析与求解，在专业知识结构中，起着构筑数学研究方法和实际工作之间桥梁的重要作用。一直以来，它都是一门难学、难教的课程，学生通常反应理论性太强，抽象概念难以理解，也难以贯通复杂难懂的公式与工程应用的联系[1]。如何解决学生在学习过程中的困惑，帮助学生在理解基本理论知识的基础上，学会将理论应用到工程实践中，是我们在授课中一直关注的问题。
随着科技的发展一些新的教学手段被引入教学过程。将计算机仿真设计软件用于学生的课堂教学和实验教学之中，可以实现教学内容的可视化、概念的图形化，使教学难点直观易懂。本校根据备课教案，在课堂上利用天煌公司的Matlab信号仿真包，及NI公司提供的Labview信号处理实验室，对教学内容直接进行演示，达到事半功倍的教学效果；同时，学生主要使用Matlab软件经过计算机仿真多媒体教学和参与仿真实验，不仅可加深对信号处理原理、系统时域频域分析方法的理解，而且能提高学习的兴趣，增强学习的自信心和成就感。
2 Matlab在课程实验中的应用
多年的信号与系统教学推广使我们看到，由于信号与系统的概念比较抽象，算法的推导需要较深的数学基础，学生理解和掌握这门课程具有一定的困难。另外，信号与系统的计算、推导较为繁琐甚至无法实现，学生的课后实践受到相当的限制，在很大程度上影响教学效果。多数院校信号与系统实验均是在计算机上用Matlab语言进行仿真，以加深对课堂所学知识的理解，我们也同样采用了这一实验形式。根据理论课，设置了5个基于matlab的验证性实验，分别为：MATLAB程序入门和基础应用信号（2学时）、系统时域分析（3学时）、信号的频域分析（3学时）、系统的频域分析（3学时）、连续信号与系统的复频域分析（3学时）。通过这五个实验能够充分帮助学生理解信号时域表达与运算，频谱的基本概念，系统函数的基本概念等频域分析的基本内容。在此基础上设置了两个综合性实验，同样基于matlab软件，分别为音乐合成（3学时）及simulink仿真（3学时）。这两个实验增强了学生的对于信号与系统课程的兴趣，同时與模型建立相结合，让学生初步尝试利用simulink进行系统模型的建立及更为直观的从信号输入输出关系上，理解系统对于信号的作用。
同时在Matlab编程过程中，学生能初步接触到如何利用软件进行信号处理，可以深入浅出地分析各类信号的特性以及各类参数对信号和系统各自特性的影响。通过matlab实验与理论课程的交替进行，教学和实验验证同步进行的教学方式克服了理论性较强的课程难以进行交互式教学的缺点，能大大激发学生的学习兴趣，扩展学生的思维空间，取得良好的教学效果。
3 仿真软件在课堂教学中的应用
通过教学积累，针对课堂教学中的难点，在课堂的有限时间内我们希望能更为直观的给学生展示一些抽象问题，随堂演示不失为一个极好的选择。天煌公司在Matlab6.5的平台上开发了一款信号与系统仿真软件，该软件的仿真内容包括信号的时域表达、信号的基本运算、连续时间系统的冲激响应和阶跃响应、二阶系统的模拟、系统的零输入零状态及全响应周期信号的频谱表示等多个内容。其中不乏实际电路的模拟仿真，能够较好的将数学分析与实际工程应用相印证。这些内容与构成该课程的核心内容及一些基本概念、基本理论和方法相关联，便于与课程课堂讲解中的重难点相印证。根据理论课内容，我们随堂演示主要选择一、二、五、六、七、九，这六个仿真内容进行演示（图1）。
例如在：在讲解无失真传输内容时，可利用该仿真软件直观检验一电路是否为无失真电路，改变仿真电路输入端的正弦信号频率，调节电路的C1、C2、R1、R2的值，能够直观看到各参量对于输出信号的幅值和相位的影响，理解无失真传输的要求（图2）。
而对于频率变换、采样定理、低通滤波几个讲解内容我们选择了动态性更强，能较好展示频谱信息的NI公司的信号处理实验室仿真，该软件是使用Labview编写的虚拟实验平台辅助教学，但其中内容更适合于数字信号处理等课程的讲解，所以只能选取其中部分進行演示实验（图3-图5）。
4 labview在课程实验中的应用
利用Matlab这类仿真软件进行实验由于成本低、效率高，受到广泛应用，但是经过多轮教学，我们发现单一软件实验无法提供真实的实验环境，纯软件实验无法让学生体会到实际中由于硬件的构成和特性参数变化而出现的差异，且Matlab实验本质上其实为数字化的信号处理，不利于学生对于连续信号系统的理解。因此我们在学生完成基础教学内容后，在学生课余自主学习中，进行了了软硬件结合的实验教学，而不光只是用Matlab做仿真。考虑到实际硬件电路的复杂性，及调试电路的困难性和时效性，采用了固定式硬件及可调式软件的实验形式。
NI公司Labview是一种可视化的编程软件，采用图形化编程语言—G语言，能较快的学会基础编程，易于学生对于程序进行调试和理解。根据我校医学院校的特点，前期信号与系统教学更多的是为医学服务，结合医学基础课程，学生对于医学信号处理表示出了浓厚兴趣。为了是学生接触实际信号分析处理，而不仅仅停留在信号系统的仿真上，我们使用了labview软件搭配NI的数据采集卡以及固定的传感器与前置放大电路等，作为学生创新实验的基本平台，采集实际生理信号，如心电、脉搏、呼吸信号等，在labview中自行编程对于实际采集信号进行处理分析，如低通滤波、50Hz陷波，频谱分析等。通过实验激励学生自行探索信号处理分析、系统设计中的奥妙，从而激发学生的专业学习兴趣，成功的构建了学生从理论到实际，从课程到应用的桥梁。
5 结束语
在信号与系统课程中合理的使用仿真软件，不仅能够帮助学生理解抽象枯燥的理论知识，帮助学生学好本门课程，为后续学习打下基础；同时由于前期对于实际信号处理的接触，随着学生知识结构的加深，在创新实验、课程设计、毕业设计等任务中，能够前后对照，帮助其培养分析实际问题、解决实际问题的能力。随着教学改革的加深，我们的教学目标逐渐向培养“工程师”的方向进行，在这一过程中如何发挥各种工具进行教学辅助是值得继续探索深化的。仿真软件的各种优势也逐渐在信号与系统的教学中得到体现，在后续的教学改革中，我们将进一步深入学习、总结，使其在教学中发挥更大的作用。
参考文献
[1] 许佳.生物医学工程专业信号与系统课程教学启示[J].现代医药卫生，2011，27（14）：2238-2239.
[2] 曹斌芳，姚亮，石博.仿真软件的信号处理课群中的应用尝试[J].教育现代化，2016（35）.
[3] 肖志红.信号与系统实验教学改革探讨[J].中国现代教育装备，2009（17）：76-77
作者简介
许佳，（1982.1-）女，汉，重庆市沙坪坝区职称：讲师研究方向：电磁感应检测技术。