增強(qiáng)電子信息實驗教學(xué)質(zhì)量

0引言

目前，我國開設(shè)了電子信息類專業(yè)的高校中，大部分都將Matlab軟件作為重要的實驗教學(xué)平臺，用于定理或者算法的仿真與驗證。以三峽大學(xué)理學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)為例，專業(yè)課程中的《信號與系統(tǒng)》、《數(shù)字信號處理》、《數(shù)字圖像處理》等，都在實驗教學(xué)中利用Matlab軟件對定理或者算法進(jìn)行仿真驗證，較好的提高了專業(yè)課的實驗教學(xué)質(zhì)量。但是，在目前的實驗環(huán)節(jié)中，主要是采用Matlab語言編程，利用繪圖函數(shù)，觀察實驗結(jié)果。這種方法雖然可以加深學(xué)生對某種算法的理解，但是與專業(yè)相關(guān)后續(xù)課程沒有明顯的結(jié)合，也沒有培養(yǎng)學(xué)生模塊化編程的思想。本文從Matlab軟件內(nèi)建的Simulink組件的功能出發(fā)，討論了該組件在電子信息類專業(yè)課程實驗中的應(yīng)用，并以《數(shù)字信號處理》課程實驗為例，分析了引人Simulink組件的效果，為進(jìn)一步提高電子信息類專業(yè)實驗教學(xué)質(zhì)量提供了新的思路和方法。

1實驗課程的性質(zhì)分類與作用

理工科大學(xué)生就業(yè)主要是依靠動手能力，而實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生動手能力的重要途徑。目前，各高校都非常重視實驗教學(xué)的質(zhì)量，實驗教學(xué)所占比例逐年提高，部分專業(yè)實驗學(xué)時數(shù)甚至超過了理論課程學(xué)時數(shù)。以三峽大學(xué)理學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)為例，2010版培養(yǎng)方案中實驗教學(xué)占總學(xué)時的比例，由上一版培養(yǎng)方案中的26%提高到33%，增加了7個百分點。按照實驗性質(zhì)的分類，可以將實驗分為驗證性實驗、設(shè)計性實驗和綜合性實驗三種。驗證性實驗主要是對課程內(nèi)容的仿真驗證；設(shè)計性實驗主要是在算法驗證的基礎(chǔ)上，學(xué)生自己的新設(shè)計思想在實驗中的體現(xiàn)；綜合性實驗主要是在實驗中體現(xiàn)學(xué)生對專業(yè)課程所學(xué)內(nèi)容的綜合運用能力。增加設(shè)計性實驗和綜合性實驗在實驗環(huán)節(jié)中的比例，是提高實驗教學(xué)質(zhì)量的有效辦法。以三峽大學(xué)理學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)為例，2008-2009學(xué)年設(shè)計性、綜合性實驗開出情況如表1所示，實驗項目中設(shè)計性、綜合性實驗所占的比例明顯高于驗證性實驗。只有提高綜合性、設(shè)計性實驗的質(zhì)量和效果，才能有效的提高學(xué)生的動手能力和實踐能力，才能保障學(xué)生在就業(yè)市場中的競爭力。

2Simulink對于實驗教學(xué)質(zhì)量提高的作用

Simulink是Matlab最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。Simulink的這一特性，一方面，可以使算法的驗證更為簡單，減少學(xué)生投入在驗證性實驗中所用的時間，而將大部分精力投入到設(shè)計性、綜合性試驗中；另一方面，可以使學(xué)生更快捷的驗證新思路、新算法，而不會由于代碼調(diào)試方面的問題影響了創(chuàng)新實驗的開展。以自適應(yīng)濾波中的經(jīng)典RLS算法為例，如果直接采用Matlab編程的方法，可能需要花費大量的時間和精力在代碼的調(diào)試過程中，代碼長度將達(dá)到200行以上。而如果采用Simulink組件模塊化設(shè)計的思想，如圖1所示，只需要鼠標(biāo)對模型的拖拽，就能以流程圖的形式將濾波器搭建起來。由于Simulink提供了豐富的元件庫，采用圖形化的表示方法，學(xué)生在進(jìn)行算法驗證的時候只需調(diào)用成熟的模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)計即可。這樣的實驗方法事半功倍，思路清晰，參數(shù)的調(diào)整也十分便捷，廣受學(xué)生歡迎。由此可見，引入Simulink組件后的實驗，既不會影響實驗效果，又能夠提高實驗效率，對學(xué)生模塊化編程的思想也有較好的促進(jìn)作用。

3Simulink組件在數(shù)字信號處理課程實驗中的應(yīng)用效果

三峽大學(xué)理學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)《數(shù)字信號處理》課程小組在針對2007級學(xué)生的實驗環(huán)節(jié)中，引入了Simulink組件輔助教學(xué)，取得了較好的教學(xué)效果。該門課程開設(shè)的實驗有：信號的分解與合成、采樣定理驗證、FIR濾波器設(shè)計、IIR濾波器設(shè)計、自適應(yīng)濾波器設(shè)計。其中，F(xiàn)IR濾波器設(shè)計、IIR濾波器設(shè)計、自適應(yīng)濾波器設(shè)計均采用Simulink組件進(jìn)行模塊化的設(shè)計方法，學(xué)生掌握情況較好。以FIR濾波器設(shè)計為例，實驗時間為兩學(xué)時，共90分鐘。如果采用傳統(tǒng)的Matlab直接編程方法，從“信號的產(chǎn)生”→“濾波器參數(shù)”→“濾波效果觀測”所需的程序代碼約為60行。學(xué)生編寫一個FIR濾波器程序所需時間平均為40分鐘，部分編程基礎(chǔ)較差的學(xué)生需要花費50分鐘以上才能完成。如果考慮到更換濾波器類型和參數(shù)，修改程序的時間為平均20分鐘。如此一來，一次實驗課程中剩余給學(xué)生自由發(fā)揮、自主設(shè)計的時間不足30分鐘。如果采用Simulink組件，信號產(chǎn)生模塊和濾波模塊的調(diào)用時間平均為20分鐘，修改濾波器類型和參數(shù)的時間為平均10分鐘。這種方式下，一次實驗課程中剩余給學(xué)生自由發(fā)揮、自主設(shè)計的時間可達(dá)60分鐘。Simulink組件在培養(yǎng)學(xué)生的自主思考和設(shè)計的能力方面優(yōu)勢明顯，見表2所示時間分布對比。據(jù)課程考試情況，90%以上的學(xué)生對于數(shù)字濾波器的設(shè)計有了深入的理解，掌握了Simulink組件中數(shù)字信號處理模塊的調(diào)用和參數(shù)調(diào)試方法，為后續(xù)課程的開展打下了良好的基礎(chǔ)。

4結(jié)論

文章分析了MatlabSimulink組件在提高電子信息類專業(yè)實驗教學(xué)質(zhì)量中的應(yīng)用，并以三峽大學(xué)理學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的