摘要：該文使用開源的Python語言，利用PyQt5設計出友好簡潔的GUI界面，設計了信號與系統實驗仿真平臺，并結合學校實際，對教學內容、教學方法及考核方式進行了改革。實踐結果表明，該平臺界面友好、操作簡單，參數設置方便，學生在理解原理的基礎上能夠很好地完成實驗內容。教學過程中通過引入工程應用案例作為開放性實驗，提高了學生的工程實踐能力和編程能力，取得了較好的教學效果。

　　關鍵詞：信號與系統;實驗平臺;Python;GUI

　　信號與系統課程是工科類大學電子信息和通信類專業的核心課程，為使課程內容的理論與實踐密切結合，當前改革的主要任務是將理論分析與大量工程案例應用相結合[1-3]。該課程涉及學科多、理論性強、概念較抽象，為提高學生學習的積極性，大多數高校在課程中都加入了基于MATLAB軟件的相關實踐教學內容，金波[4]等利用MATLAB的GUI編程方法設計了教學輔助平臺，方便學生形象直觀地理解、掌握課程中的基本知識[5-6]。

　　朱娟娟等[7]以信號與系統MATLAB的實踐教學為出發點，通過建設在線開放實踐課程，提高課堂吸引力和學生對基本知識的理解力。MATLAB軟件將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化等諸多功能集成在一個視窗環境中，功能強大。

　　但它是美國MathWorks公司出品的一款商業軟件，若用于學術、研究或其他用途，需獲得版權授權許可，價格不菲，且存在被禁用風險。Python是開源語言，使用者可自由地發布軟件的拷貝，閱讀源代碼，把其中的一部分用在新的自由軟件中也不用擔心版權問題。Python結構清晰、簡單易學，可移植性強，在科學計算、機器學習、數據處理、數據挖掘等領域具有廣泛應用[8]。

　　有鑒于此，我們在信號與系統實踐教學過程中使用Python作為教學語言，設計了基于PythonGUI的信號與系統實驗教學仿真平臺，并結合我校學生實際，設計了層次化的實驗教學內容，以及全過程、多維度的考核評價方法。平臺設計思路實驗仿真平臺是為信號與系統課程及其實驗教學開發的輔助教學系統，教師可以通過軟件系統在課堂和實驗中進行教學演示[2]，學生可以通過操作教學平臺，改變信號和系統參數，觀察實驗現象，從而加深對基本概念、基本原理的理解。

　　1.1平臺架構

　　平臺由一個主界面和若干子界面構成，采取自頂向下的設計方法，主界面由四個固定的實驗模塊和一個開放性的實驗模塊組成。其中四個固定的實驗模塊涵蓋了信號與系統課程的基本內容，包括連續信號與系統的時域分析、連續信號與系統的頻域分析、連續系統復頻域分析、離散信號與系統分析部分，以及12個實驗項目子界面。每個子界面相互獨立，可在任意界面上輸入參數觀察實驗結果。開放性實驗模塊是待開發的模塊，學生通過對基礎實驗的學習，可根據實驗任務自主設計實驗方案、編輯界面、添加實驗項目等。

　　除了可視化仿真工具Simulink的功能及一些專業性很強的工具箱目前尚無法替代外，MATLAB的大部分常用功能都可以在Python中找到相應的擴展庫[9]。Python具有豐富的標準庫和強大的第三方庫生態系統，與MATLAB等商業軟件不同，其眾多擴展庫是由許多社區分別維護和發布的，因此需要花費一定時間和精力來選擇、下載安裝實際需要的擴展庫。結合信號與系統實驗課程，需要安裝用于科學計算的NumPy、SciPy、SymPy擴展庫和實現繪圖與可視化的Matplotlib擴展庫，以及實現GUI界面的PyQt5擴展庫。

　　數值計算庫NumPy以數組為數據處理對象。SciPy是數學、科學和工程計算包，它在NumPy基礎上添加了科學計算所需要的各種工具，如：線性方程組求解、特征值和特征向量求解等與線性代數相關問題使用的LAPACK庫、快速傅里葉變換使用的FFTPACK庫、常微分方程求解使用的ODEPACK庫、非線性方程組求解和最小值求解等使用的MINPACK庫等，SciPy中signal模塊提供了信號處理方面的很多函數，包括卷積運算、濾波及濾波器設計等方面的內容[9]。

　　符號運算庫SymPy支持符號計算、微積分、解微分方程等方面的功能，其中積分可計算定積分、不定積分和多重積分。除此之外，實現三維數據可視化的VTK庫及用于GUI編程的Tkinter庫、wxPython庫、Jython庫等可以根據需要自由選擇。

　　1.2設計步驟

　　在GUI界面編程中，當改變一個控件的狀態時，通常需要通知另一個控件，來實現對象間的通信。在MATLAB軟件中主要使用回調機制，在PyQt中采用的是信號與槽的機制，即在編寫一個類時，要先定義該類的信號與槽，在類中信號與槽進行連接，實現對象之間的數據傳輸。實驗平臺的界面布局是先設計總界面，再設計子界面，最后在子界面上設置系列控件，為GUI對象控件編寫槽函數，并將所有子界面集合在總界面上。設計主要步驟如下。

　　(1)使用PyQt5可視化界面設計工具QTDesigner設計主界面及子界面，使用PythonPyUIC工具將界面UI文件轉化成Py文件，為后續實現界面功能做準備。(2)結合信號與系統知識能力點和關聯度，整體規劃課程模塊中的實驗項目，完成仿真系統架構中基礎實驗內容程序編寫，作為事件函數。(3)利用信號與槽的機制，為GUI對象控件編寫槽函數，實現對象間的通信。(4)將所有界面關聯起來實現界面轉換，最后利用Pyinstaller工具生成獨立運行程序文件，方便學生使用。2實驗平臺的設計與實現制作UI界面一般可以通過UI制作工具和純代碼編寫兩種方式實現，本實驗平臺通過使用QTDesigner實現。這是一個強大靈活的可視化GUI設計工具，可降低平臺開發難度，提升學生興趣和參與度。

　　2.1主界面的設計

　　平臺主界面模塊需實現進入系統、退出系統、跳轉到子界面的功能，由主界面UI文件(Main.ui)、主界面Py文件(UI_Main.py)和界面功能實現Py文件(Main.py)組成。

　　3實驗仿真平臺教學應用

　　信號與系統實驗課是我校信息科學與工程學院通信工程、電子信息工程專業本科生的一門專業基礎課，采用分層次的教學內容，以及常規基礎實驗與開放性實驗相結合的方式，目的是滿足不同層次學生的學習需求。在通過基礎實驗熟練掌握理論知識基礎上，采用項目驅動方式指導學生設計工程應用型的實驗內容，有意識地培養學生將理論知識應用于工程實踐的能力[10-12]。

　　3.1教學內容

　　信號與系統實驗課程共16學時，普通班和實驗班開設學期為第學期，民班開設學期為第學期。我校本科生源構成復雜，基礎參差不齊，總體質量不高，但實驗班的許多學生都參加了學科競賽或教師的科研項目。為此，主要面向實驗班學生的開放性實驗設計了綜合實驗和創新實驗兩個難度等級。基礎實驗為必選實驗，綜合實驗和創新實驗為選做實驗。考慮到我校學生個體差異比較大，層次性的實驗內容設計能夠滿足不同層次學生的學習需求，學生可根據自己的興趣、能力自主選擇，也從一定程度上激發了學生的學習熱情。在創新實驗中，還可根據執行情況靈活設置教師科研項目和學科競賽題目[13]。

　　3.2教學實施

　　基礎實驗和開放性實驗是同步進行的，一方面學生需要完成基礎的驗證性實驗，對基本理論、重要概念進行理解和掌握;另一方面學生根據開放性實驗題目，結合所學知識，完成實驗方案的設計及程序的編寫、調測、優化，具體實施步驟及時間節點。

　　開放性實驗分為四個階段。第一階段為確定題目。開課第周學生通過自主創建團隊、自主擇題、團隊討論等方式確定題目。在此過程中，充分發揮學生的主體性和學習熱情。第二階段為確定實驗方案。需要在第2~4周內完成，學生要充分理解課題的任務，查閱資料，熟悉相關理論，明確實驗目的，并自主進行實驗設計，撰寫實驗方案。實驗方案在第周進行集中答辯，并根據答辯情況進行方案的優化與改進。

　　第三階段為實驗實施。根據自己設計的實驗方案編寫的程序在運行過程中會遇到各種問題，可就此在組內進行討論，也可與教師進行討論。教師根據學生的完成情況，可靈活拓寬實驗深度。如在語音去噪系統實驗中，在學生掌握傳統、簡單的語音去噪方法后，可以引導他們嘗試基于深度學習的語音去噪方法，使用深度學習中的網絡模型來進行去噪處理，鍛煉學生解決復雜問題的能力。第四階段為結果驗收。安排在課程的最后一周進行，并根據學生的匯報向小組各成員提問，了解其知識掌握情況和貢獻度，記錄每個學生的表現，作為最終成績的一部分。

　　信號系統論文投稿刊物：《電氣電子教學學報》(雙月刊)創刊于1979年，由教育部高等學校電子信息與電氣學科教學指導委員會;高等學校電子信息科學與電氣信息類基礎課程教學指導分委員會;東南大學主辦。

　　4結語

　　使用Python設計了信號與系統實驗仿真平臺及與之相適應的實驗教學體系。課程效果問卷調查顯示，學生對實驗內容和教學方法的滿意度評分較高。學生普遍反映收獲頗多，尤其在進行開放性實驗的過程中，在掌握和鞏固理論知識的同時，還學會了運用理論知識來解決具體問題，很有成就感。目前，開放性實驗的工程案例還不夠豐富，涵蓋范圍也不夠廣，有待后期進一步完善。

　　參考文獻(References)

　　[1]鄭君里，谷源濤.試談“信號與系統”課程理論與實踐之結合[J].電氣電子教學學報，2014,36(3):15.

　　[2]馮英翹，宋超，黃曉紅，等.面向專業應用型人才培養的信號與系統課程改革[J].華北理工大學學報(社會科學版)，2020,20(2):8588,126.

　　[3]徐進，楊新盛，于麗紅，等.信號與系統課程多模式教學探索[J].大學教育，2019(6):9496.

　　[4]金波.基于MATLAB的“信號與系統”實驗演示系統[J].實驗技術與管理，2010,27(12):104107.

　　[5]郭建英.MATLAB在信號與系統課程教學中的應用研究[J].山西電子技術，2020(2):7375.

　　作者：陳娟，陳雯，石飛，王建英，胡英