信息类课程教学软件平台的设计

刘明君 史慧敏 王月新 迟碧清 荀艳琴

摘  要：针对信息类课程存在教学内容抽象、涉及数理方法较多、学习难度较大，以及传统实验教学主要是通过硬件实验箱实现、内容单一等问题，需要设计一款信息类课程辅助教学软件。该平台实现了信息类课程的相关内容和实验的仿真演示，教师和学生可以灵活地改变参数，观察和分析结果的变化。在教学过程中引入信息类课程辅助教学软件，将抽象繁琐的理论教学转化成生动形象的仿真实验，激发学生的学习兴趣的同时，也有助于提升学生的工程实践能力。

关键词：信息类课程；立体式教学模式；辅助教学软件

中图分类号：TP311；G640    文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）07-0195-04

Abstract： Aiming at the problems of abstract teaching content， involving more mathematical and physical methods， and learning difficulty in information courses， as well as the problems of traditional experimental teaching， which is mainly realized through hardware experimental boxes， and single content， an auxiliary teaching software for information courses is necessary to be designed. The platform realizes the simulation demonstration of the relevant contents and experiments of information courses. Teachers and students can flexibly change the parameters， observe and analyze the changes of the results. This paper introduces the auxiliary teaching software for information courses in the teaching process， transforms abstract and tedious theoretical teaching into a vivid simulation experiment， which can stimulate students' interest in learning and also help to improve students' engineering practice ability.

Keywords： Information course; three-dimensional teaching mode; auxiliary teaching software

0  引  言

为了應对新一轮产业技术的变革，探索先进工程教育模式，培养新型的工程科技人才，在各专业中进行“新工科”的建设已成为高校教育模式改革的热点[1]。随着信息技术的快速发展，信息类课程也应顺应时代需求，在教学模式和教学内容的设计上也要做出必要的创新。

信息类课程包括电路分析、数理方法课程、信号与系统、数字图像处理等。电路分析是信息类专业重要的基础课程，是数理方法课程过渡到信息处理课程的纽带和桥梁。信号与系统课程是信息类课程的重要专业课程，起到承上启下的作用。数字图像处理课程涉及计算机科学与技术、信息与计算科学等多领域的重要的应用型专业课，覆盖信号处理技术、数理方法等多个课程内容。因此，以信息类课程中电路分析、信号与系统、图像处理课程为研究对象，对教学模式、教学方法进行改革创新。

信息类课程是信息、通信专业的重要的专业课程群，通常涉及到大量公式的推导，理论性强、内容丰富、计算复杂和不容易理解等特点[2-4]。该类课程的实验教学主要是通过在实验箱上连线，利用示波器演示波形，硬件实验系统容易受仪器本身等因素的影响，导致实验结果存在偏差。实验箱内部模块固定，不能灵活修改，内容凸显单一[5-7]。这些问题限制了学生发挥空间，影响学生的学习兴趣，不利于培养学生的工程实践能力[8]。为了克服教学过程中存在的局限性，急需使用计算机及其他工具来辅助教学，协助教师和学生实现理论知识验证与分析。以电路分析、信号与系统、图像处理课程为对象，利用MATLAB设计一款教学辅助软件。该平台包括理论演示和实验演示两大内容构成。内容和实验界面设计显示窗口、参数设置模块。教师可通过辅助教学软件将教学知识中抽象的理论转化为图像直观的展示给学生，同时，根据教学内容，可以灵活的布置理论综合分析内容和综合分析实验。学生通过改变参数，观察和分析结果的变化。利用该软件平台将抽象的理论转化为图形兼备的模拟实验，在激发学生的学习兴趣的同时，也有助于学生工程实践能力的提高。

1  信息类软件平台的整体设计框架

MATLAB软件是一种开发率高的工具，是国内外专家学者认同的顶尖的数学与运算应用工具之一[9]。该软件将信号处理、图像处理、矩阵运算以及创建用户界面等诸多功能融合在了一起，并且可以将结果显示在一个可视化的窗口环境中，便于操作者使用。MATLAB中的工具箱中含有数百种可直接调用的不同函数，让现在的许多专业领域的研究者可以直接、快速的应用，节约了大量的时间和精力。MATLAB中的GUI开发环境是一个设计图形用户界面工具。包括窗口、图标、面板、按钮、滑动条等控件，也可以改变各种控件的颜色、大小、坐标位置和字体大小等属性。可以根据任务需求设计不同的界面，编写回调函数实现相应功能。因此，采用MATLAB中的GUI开发环境，设计一款信息类教学软件平台。

信息类教学软件平台设计三门课程的理论和实验教学，每部分包括基本理论知识的验证和综合分析内容，实验部分包括验证性实验和综合实验。根据教学内容确定设计内容，整体的设计框架如图1所示。

信息类教学软件平台采用由外向内的设计布局，根据所整理的知识结构，确定软件平台框架。首先在运用MATLAB中的GUI开发环境中，设计开始界面和选择界面，设置界面和空间的基础属性。其次，采取由总到分的顺序，编写各引导控件的回调函数，达到使用者在进入开始界面根据需求选择按钮，进入所需界面的功能。然后，编写子界面的控件，以及编写所需理论和实验模块的程序，可以使用户通过编写文本框控件所需参数得到相应显示结果。最后将其打包为EXE可执行文件。

2  信息类课程教学软件模块介绍

2.1  主界面模块

运用MATLAB中的GUI开发环境中提供的不同控件，搭建系统框架，设计出教学辅助平台的各个模块界面，主要包括开始界面、课程选择界面、基础理论部分、实验平台选择界面、各实验子界面。

主界面包括开始界面和选择课程界面，主界面只有进入系统和退出系统两个控件，用户可以点击开始按钮教学平台。如图2所示。

点击开始界面的开始按钮，进入选择课程界面。选择界面包括课程选择控件和返回控件。用户按照需求选择课程和内容。如果教学完成点击返回按钮，返回选择界面。如图3所示。

2.2  电路分析教学模块

电路分析课程主要以电阻、电容、电感、电源等元件进行电路描述，涉及恒定电压、电流分析，以及动态电路响应随时间变化的过程等。电路分析模块分为基础理论验证和综合分析部分。该模块设计显示结果窗口、参数设置模块等。在基础理论部分，可以打开电路分析教学模块，通过设计参数，教师可将复杂的理论内容直观的展示给学生。包括：电路的恒定电压和电流分析、动态电路的一阶电路零状态响应、零输入响应、冲激响应、阶跃响应等。同时，教师可以设计综合分析内容，学生通过设计不同的参数，分析不同的结果。包括二阶串联电路电阻对的响应影响、二阶并联电路的响应分析等。

举例1考察如图4所示二阶动态电路的零输入响应，有过阻尼、临界阻尼和欠阻尼三种情况。其中，初始值R分別选择1 Ω，2 Ω，…，10 Ω，L=0.5 H，C=0.02 F，uc（0）=2 V，i（0）=0 A。

学生可以随机设定电阻，电感，电容参数，分析不同参数下，响应波形的变化特点，帮助学生理解相关知识，有利于培养学生分析和解决问题的能力，提高学生工程实践能力。软件平台参数设置与仿真结果如图5所示。

2.3  信号与系统教学模块

信号与系统课程主要运用数理方法和电路分析课程中的内容，从信号处理与系统分析角度出发，为信息处理研究提供基本的方法。该课程理论和实践性强，实验内容单一。在信号与系统理论验证模块中，根据不同教学内容，设计不同的仿真模块。每个子模块中，设计显示结果区域、参数设置区域。例如在基本信号产生模块中，有正弦信号、阶跃信号、复指数序列等。在界面设置中用户可以设置幅度、平移量、频率、初相等参数。通过设置的不同的参数，系统执行相应程序，在窗口区域显示不同的信号波形。在授课过程中，引入信息类课程教学辅助软件，可以实现连续信号、连续信号的卷积、离散信号、傅里叶变换等基本的理论知识的仿真。在理论综合分析部分，设计多个窗口显示可以显示原始信号、变换后的信号等，教师和学生可通过设计不同参数，对比分析不同的结果。

在实验模块，内容分为基础理论实验和综合性实验。包括信号的基本运算、信号的分解与合成、抽样过程、信号的调制与解调、滤波器实验等内容。教师可以设计综合性实验，通过设置不同参数，可以使学生直观的观察到不同的实验结果。

举例2，波形中离散信号的时间变量用 表示，波形中线段的长短表示在每个时间点信号函数值的大小。

信号抽样是连续时间信号在时间上的离散化，主要是利用抽样脉冲序列δT （t）在连续信号f （t）上按照一定的采样间隔Δt采样，逐点采取函数值得到的离散样值的过程，这个离散信号就称“抽样信号”。采样频率越高，采样信号的采样点数越多，得到的离散信号与原模拟信号越接近。通过该过程，得到抽样后的信号fs （t），公式为：

2.4  图像处理教学模块

数字图像处理通常要求先研修数理方法、信号处理类等课程，理论性强，内容抽象，还涉模式识别等理论知识，使得学生学习有一定难度。随着信息技术的快速发展，图像处理技术应用领域广泛，这些要求学生有很强的工程实践能力。因此，在教学过程中，引入信息类课程教学软件，可有效客服教学中存在的局限，有效增强学生的学习兴趣，有助于提高学生的实践能力的培养。

在图像处理教学模块中，设计原始图像显示窗口、处理结果显示窗口、选择方法模块等。教师可以导入不同的原始图像，通过选择不同的处理方法，得到不同的处理结果，并显示。图像处理模块包括基础图像处理模块和综合分析模块，包括图像旋转、剪切、灰度处理、二值化等。综合分析模块包括去噪处理模块、图像分割模块、边缘提取模块等。

举例4，在基础图像处理部分，对一幅图像进行二值化处理。仿真结果如图9所示。

举例5，对一副图像，用不同的阈值分割方法，进行分析比较。图10中仿真结果是对比全局阈值处理与Otsu最佳阈值法的比较。

3  打包软件

为了实现脱离环境的软件操作，将MATLAB的.m文件打包为独立可执行程序.exe的形式。

步骤如下：

1）打开编译器接口界面之后，点击应用程序编译器，如图11所示。

2）点击后，首先会在对话框“Add main file”项中自动添加一个主程序文件，输入要开发的软件项目的名称地址与程序作者个人信息，在对话框“Files required for your application to run”项目里面自动添加所有的文件，即可点击package进行打包。

3）等待一下，可以看到显示打包成功了，直接点击“打开输出文件夹”。

4）在保存路径下可以看到xx.exe程序。

4  结  论

为了克服信息类课程教学过程中存在的局限性，设计一款信息类教学辅助软件，协助教师和学生实现理论知识验证与分析。以信息类课程中电路分析、信号与系统、图像处理课程为研究对象，根据教学内容确定软件设计内容。利用MATLAB中的GUI设计平台主界面、课程选择界面、子模块界面。在界面中设计基本控件，通过设计控件的回调函数，完成各个子模块的理论验证内容、实验内容仿真设计。该平台设计多个显示区域和参数设置模块，用户可以在该教学软件平台输入所需参数，点击对应控件得到波形。通过信息类教学软件的辅助教学，可以让教学过程更加清晰，仿真结果更加直观，增强学生的学习兴趣，使得学生学习效率和工程实践能力有了实质性的提高。

参考文献：

[1] 孙阳，赵睿.“新工科”建设背景下“通信原理”课程教学改革探讨 [J].中国林业教育，2019，37（1）：67-69.

[2] 赖强.新工科背景下信号与系统课程教学改革研究 [J].中国现代教育装备，2021（15）：96-98.

[3] 宁纪锋.数字图像处理教学改革研究与探索 [J].中国电力教育，2013（12）：122-123.

[4] 袁云梅，李晶，多化琼.MATLAB在电路分析基础中的应用研究 [J].自动化应用，2022（7）：166-168.

[5] 贾雅琼，俞斌，李欣，等.新工科背景下地方高校开展混合式教学的实践与思考—以湖南工学院信号与系统课程为例 [J].中国教育技术装备，2019（20）：101-103.

[6] 王鹏，张磊，宋翔，等.面向新工科环境下应用型本科的信号与系统实践课程教学改革研究 [J].科学与信息化，2021（10）：176-177.

[7] 姜來为，杨宏宇，熊育婷，等.“新工科”背景下计算机类专业课程教学改革探究——以“信号与系统”课程为例 [J].高教学刊，2020（4）：128-130.

[8] 陈超，潘海燕.基于R软件的医学统计学案例教学——以t检验为例 [J].高教学刊，2021（2）：100-103.

[9] 赵伶俐.基于MATLAB的信号与系统实验教学平台设计实现 [J].中国教育技术装备，2020（6）：35-36+39.

作者简介：刘明君（1981—），男，汉族，山西临汾人，副教授，硕士研究生，研究方向：信号检测、图像处理、设备安全管理。