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信号与系统虚拟实验教学系统

 本虚拟实验系统具有可视化的特点,操作方便、直观。通过GUI界面,学生可以进入教师指定的实验项目,进入相应的环境,设置和调整仿真参数,进行仿真试验;或者任意进入感兴趣的实验项目,打开参考资料及问题解答,进行自学。同时,仿真实验平台还提供了对应实验项目的仿真实例,学生可以通过仿真实验结果进行比较分析,自觉发现实验中存在的问题,锻炼独立思考问题、分析问题的能力。

 

实验为学生提供了“信号分析”、“信号抽样”、“系统仿真”、“系统特性”及“滤波器设计”等实验模块 。 它的界面演示框如同通用示波器 , 显示了信号分析与系统设计的动态仿真过程 , 给人以直观的感受。在教学中它能为同学们提供了大量的实例, 同时它也为同学们留下了深刻的印象,在实验中同学们可以改变信号、模块、仿真子系统等的参数 , 并观察信号与系统的相应变化。 在实验过程中 , 同学们对所学的书本知识会有感性的认识和直观的验证 , 加深对“信号与系统”原理的理解。 

本课题能避开硬件系统的不足,巧妙的运用软件来仿真硬件才能实现的实验结果,大大降低了实验设备要求,节约了人力和财力,而且有很多的库函数可以在实验时直接调用,避免了用硬件做实验的局限性。可以更方便的做信号系统实验,为教学和研究提供了方便。还能够锻炼一个人在面对一个具体的项目时,遇到问题,分析问题,解决问题的能力;获得独立策划、实施课题,并按照既定计划进行开发的经验,以及查找相关文献的能力。通过自己的努力使得对于MATLAB有一个全面的、深刻的认识,并且对MATLAB做界面的软件有了一定的了解,对系统规划有了初步的认识。为以后研发工作打下坚实的基础,积累宝贵的经验。

抽象理论图形化,解决教学难题

信号与系统的教学难点在于,定义多,公式多,性质多,理论逻辑性强,体现出较强的数学逻辑问题。如何在教学中将基本的理论形象化,是教学中一个难点问题,也是学生对这门课程的需求。在信号与系统课程的讲授过程中,涉及大量的信号、信号变换、系统响应用数学公式表示。采用虚拟实验将这些数学公式用形象的图形来显示,系统分析过程采用点击即所见,将信号波形、信号变换过程、系统响应直观显示出来,学生更容易理解。例如图1,冲激信号经过系统的响应中,激励信号、激励信号经过每个子系统的响应和系统的冲激响应都可通过直接点击后,图形化显示,解决了信号与系统抽象化理论的教学难题。

虚拟实验课堂化,弥补授课与实验分离

信号与系统的教学分为理论教学、实验验证和硬件系统设计三个环节。从理论教学到实验验证这个环节是学生最难跨越的环节。在课堂的教学安排中,传统教学方式导致学生从理论到实验环节跳跃式转变,虚拟实验教学模式将软件设计的虚拟实验渗透到信号与系统每个章节,弥补传统教学模式的不足。采用虚拟实验的将系统分析通过电路仿真及系统响应图形化显示,学生由此可将理论、系统构架、对应的电路和系统响应联系起来,实现虚拟实验课堂化,弥补传统授课方式的缺点。例如图2是二阶系统的虚拟实验电路仿真及系统响应显示界面,并应用到课堂中的教学实例。

交互软件实时化,完善教学手段

传统教学在系统分析中,总是在参变量一定的条件下进行分析。采用开发的应用软件,可通过交互应用界面实时输入参变量,显示信号的波形、变换的波形和响应的波形,辅助教师和学生完成课程所需要的复杂计算和绘图,使学生把主要精力放在概念的理解和方法的掌握上。采用这种教学手段可以使学生接触的信息量更大,对理论的掌握更深入,图形化的显示使学生更容易理解记忆。例如图3是信号运算采用应用软件实现交互功能的显示界面。

通过虚拟实验软件在我系自动化专业信号与系统教学中的应用,改变了传统单一的课堂授课方式,在理论教学中,将大量的信号、信号变换、系统分析和响应以直观图形方式显示,将框图化、公式化的系统通过电路仿真演示,通过应用软件设计的交互界面实现系统中参变量的交互功能,从而加深了学生对理论知识要点的掌握,增大了课堂授课信息量,加深了学生对理论知识理解的深度和广度,使学生将理论与实验衔接在一起,激发了学生对信号与线性系统课程的兴趣,提高了学习的积极性。