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1、 信号与系统课程的可视化仿真教学研究摘 要： 根据实践教学的要求，针对信号与系统课程数学依赖性强、概念抽象等教学特点，利用 matlab 可视化工具对该课程的教学内容进行了分类可视化研究，提出了虚拟实验环境下的分类可视化教学方法，分析了一些可视化教学案例。该方法在虚拟实验环境下以问题、任务驱动为切入点，强化理论、突出实践，提供了一个具有直观性和自主性的学习环境，有助于学生利用可视化结果加强课程理论特性分析、总结应用规律，有利于培养学生实践能力，符合学生综合素质培养要求。关键词： 虚拟实验环境； 矩阵实验室； 信号与系统； 可视化仿真visualized simulation teaching
2、of the course “signals and systems”liu shijin, xu gaosu, zhang jingquan（hubei land resources vocational college， wuhan， hubei 430090, china）abstract： considering that this course has the strong dependence on mathematics and abstract concept, the authors introduce in this article a teaching mode whic
3、h achieves classification and visualization of the teaching contents by using visual tool (matlab) at the request of teaching practice. in this paper, the classification schemes of visual simulations in virtual experiment environment designed for the teaching contents are described, and some visual
4、simulations are illustrated. driven by questions and tasks, this mode provides students with an intuitive and independent learning environment and helps them to stress the theoretical level and practical skills. it is shown that this mode will cultivate the practical ability of the students to apply
5、 visual results to understand the contents of course and summarize the law of application in practice, and raise their comprehensive quality.key words： virtual experiment environment； matrix laboratory； signals and systems； visualized simulation0 引言虚拟实验环境是采用计算机仿真技术实现的各种实验环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项
6、目，相对传统实验，虚拟实验环境具有经济、快捷和安全的优点1。信号与系统课程是电子信息科学专业的一门核心技术基础课程，其目的是让学生能掌握信号与系统的一系列分析与计算方法，为学生后续利用计算机处理工程中的各种信息提供理论依据和分析 计算的方法。该课程对学生后续的专业学习、工作都有重要的实际意义。该课程的特点：一是理论性强。课程中涉及微积分、工程数学等许多较复杂的数学推理和计算内容；二是实践性强，其实验教学是培养和锻炼学生处理信号工程应用中若干问题的综合能力的重要途径之一；三是系统性强，其核心概念、原理特性和应用设计的教学大多都不能脱离系统模型。当前高职高专学院招收的学生大部分学习基础较差，对理论
7、性和系统性内容学习缺乏信心和兴趣，传统的信号与系统实验教学，理论与实践联系不够紧密，不能很好地发挥实验教学对理论教学的拓展和辅助、补充功能，所以不适合直接引入到课堂教学中去。为此，高职院校信号与系统”的教学必须从实际培养目标出发，在教学内容、教学方法及实验教学等方面进行改革，建立起相应的教学体系和教学模式。可视化仿真技术在虚拟实验环境下集实验、课堂教学为一体，使抽象的内容形象化，便于学生把握系统过程的整体演进，发现其内在规律1-3，因此是本课程教学的理想方案之一。1 可视化仿真教学实践1.1 可视化仿真工具分析表 1 可视化仿真工具性能比较&应用场合&速度&支持 c/c+&c 语言&链路级&快
8、&支持&matlab&链路级、系统级&较慢&支持&labview&链路级、系 统级&一般&支持&systemview&系统级&慢&不支持&flash&动画显示&一般&不支持&随着虚拟仿真技术的不断发展和成熟，出现了大量的可视化仿真开发工具，如二维开发工具 mapinfor，arcview，autocad map等，三维开发工具 vrml，direct3d，opengl 等2。目前，信号与系统可视化教学常用的高层可视化工具主要有matlab，labview，systemview，flash 等，其性能比较见表 1。matlab 广泛应用于系统链路级仿真，具有模块丰富的库函数工具箱和强大的可视化仿
9、真功能4，5，对信号与系统课程内容的分类可视化教学提供了强有力的支撑，便于在虚拟实验环境下分类实现抽象理论和综合实验的可视化教学，解决课程教学难点，突出工程应用实践。1.2 分类可视化教学中的案例1.2.1 核心概念型内容的可视化教学在信号与系统课程中，诸如信号的卷积、系统函数零点与极点等核心概念的教学均可通过可视化仿真以强化概念理解和突出工程应用。以卷积概念为例，为避免繁琐的积分计算、突出概念的应用内涵，可根据卷积概念表达式利用其积分函数 int()快速实现其理论值的求解与输出，同时也可调用 conv( ) 库函数用数值分析方法求其数值解，并进行可视化分析。例如对以下两个连续信号： ，进行卷
10、积后的理论解与数值解的可视仿真分析结果，如图 1 所示.学生从图中不难观察分析、探索体会对无限长时间函数进行卷积时，因被卷积函数的载尾处理所引起的“截尾”误差。图 1 卷积理论解与数值解的可视化比较1.2.2 数学计算型内容的可视化教学该课程涉及计算的内容颇多，而且大多数计算都较为繁琐。利用 matlab 将计算结果可视化，教学可达事半功倍的效果。以连续系统的零状态响应计算为例，当描述系统的微分方程确定时，可直接调用 matlab 信号处理工具箱中的库函数 lsim( ) 即可实现其输入、输出的可视化比较分析。图 2 所示为输入信号：通过连续系统时的零状态响应可视化仿真结果。实际教学过程中，利用函数 lsim() 对系统响应进行仿真的效果与时间间隔密集程度的关系，可引导学生在对比练习中观察、总结得出分析结果。图 2 零状态响应可视化仿真 1.2.3 原理特性型内容的可视化教学简化原理特性的理论推导，代之以可视化仿真验证分析，可?内容
