基于Matlab GUI的“信号与系统”教、学一体化平台研究与实现.docVIP

基于Matlab GUI的“信号与系统”教、学一体化平台研究与实现 　　摘 要： 利用Matlab的图形用户界面（GUI）开发了一套“信号与系统”教、学一体化平台。与其他采用类似方法制作的系统相比，该平台不仅是让学生直观地得出仿真结果，更重要的是它能够让学生在操作的过程中思考结果产生的原因及方法，从而充分调动学生的主观能动性，实现教、学一体化。 　　关键词： “信号与系统”教、学一体化平台 Matlab GUI 　　1.引言 　　《信号与系统》是高校电子信息类专业的核心基础课。由于Matlab软件可以帮助完成数值计算、信号与系统分析，可更快速、准确、形象、直观地得到可视化计算机模拟与仿真，达到较好的教学效果[1][2]，因此将Matlab引入《信号与系统》课程的理论[3]-[5]和实践[6]-[8]教学中，是近年来高校《信号与系统》教学改革的一种思路[9][10]。例如，在佐治亚理工大学、麻省理工学院、加州大学伯克利分校等，Matlab已经成为《信号与系统》的基本教学工具；在《信号与系统》国家级精品课程网站（西安电子科技大学、东南大学、北京交通大学等）及省级精品课程（清华大学、武汉大学、北京理工大学等）中，无一例外地出现基于Matlab软件的《信号与系统》仿真实验。现有的基于Matlab的“信号与系统”仿真实验教学方式大致分为两种：一是基于Matlab源代码形式；二是基于图形用户界面（GUI）形式，两者都有缺陷。 　　1.1基于Matlab源代码形式 　　早在2008年举办的“信号与系统国家精品课程培训”班级讨论中，来自东南大学、上海大学及温州大学等知名高校的数十位教授就对课程中Matlab的使用弊端进行了讨论，他们一致认为：在使用Matlab进行仿真实验时，由于学生的积极性不高及对软件工具的掌握情况不理想，很多需要学生独立完成的实验无法正常进行，最后往往会出现给出程序学生照抄，不给程序学生不会的情况。 　　1.2基于图形用户界面形式 　　为了解决上述基于Matlab源代码的实验仿真中所存在的问题，近年来兴起了一种利用Matlab图形用户界面（GUI）来开发设计的“信号与系统”仿真演示系统[7]，[11]，[12]。整个系统由实验主界面和单个实验界面组成，每个实验界面可以由用户自行设置和修改实验参数，实现实验结果的动态显示。但是，美中不足的是：学生在使用该系统时，只要一输入数据和确定相应参数后便立即得到正确的结果，而对于该结果是怎么来的却完全不思考。 　　综上所述，基于源代码的仿真实验教学方式让学生负担过重，而基于图形用户界面的仿真实验教学方式又完全“解放”了学生。因此本文对现有的图形用户界面仿真进行重新设计，让学生在操作环节思考得出正确结果的方法或步骤，充分发挥学生的主观能动性，从而实现教、学一体化。 　　2.信号与系统互动式教、学一体化平台设计 　　2.1平台总体设计步骤 　　围绕信号与系统课程的主要内容，进行了基于Matlab图形用户界面的“信号与系统”教、学一体化平台设计。总体设计步骤如下： 　　2.1.1对信号与系统知识点进行甄选，确定应该且适合用于该平台的内容。并对所选内容的表现方式进行分类：a.纯演示型；b.用户可自定义参数型；c.互动型。 　　2.1.2结合实验大纲要求确定能设计成实验的内容。 　　2.1.3利用m语言编写及调试单个程序。 　　2.1.4在单个程序基础上，利用Matlab GUI设计图形用户界面，并编写相应的Callback函数。 　　2.1.5编写每个用户界面的“帮助”文档，以及可用于实验的实验指导书。 　　2.1.6系统总体调试和完善。 　　2.2平台所包含的内容 　　利用Matlab GUI开发的“信号与系统”教、学一体化平台包括七大模块：（1）“信号生成与运算”；（2）“系统时域分析”；（3）“频域仿真分析”；（4）“复频域仿真分析”；（5）“离散系统时域分析”；（6）“z域仿真分析”；（7）“状态空间分析”。以上界面中均设有可调参数。 　　3.典型互动模块设计 　　以“连续信号卷积”界面设计为例，介绍教、学一体化平台设计的思想和方法。 　　利用“初始化”按钮给出两个将进行卷积运算的图形信号。界面设计有5个单选按钮分别为“变换”“平移”“反褶”“积分”“相乘”，利用Matlab的图形显示、相乘、积分等功能设计出上述5个单选按钮对应的图形，但并不预先显示出来。界面还有一个提示窗口，给出了信号卷积的定义式，并对接下的操作步骤的正确性做出判断，如图1所示。接下来操作者如果需要得到这两个信号的卷积结果，就要依次选择正确的步骤。当步骤选择正确时，相应的图形也就显现出来，反之提示窗口会给出“错误，请重试！”的提示信息。此外，界面中还有一个红色“帮助”按