王皖君+陳薇

摘要：Matlab及其應(yīng)用課程內(nèi)容多、涉及面廣，在有限的學(xué)時內(nèi)進行優(yōu)質(zhì)、高效的教學(xué)是一項挑戰(zhàn)性工作。為了提高教學(xué)效果，針對目前教學(xué)中的問題，對課程體系進行了研究和探索，提出根據(jù)實際應(yīng)用領(lǐng)域選擇和增加教學(xué)內(nèi)容，并根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的特點采用實例教學(xué)法、任務(wù)驅(qū)動教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)。

關(guān)鍵詞：Matlab;教學(xué)內(nèi)容;教學(xué)方法

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）20-0152-02

一、引言

Matlab是世界流行的優(yōu)秀科技應(yīng)用軟件之一，是一種主要面對科學(xué)計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境，它將矩陣計算、數(shù)值分析、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言開發(fā)的程序等，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計算軟件的先進水平，在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中首屈一指，主要應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測等領(lǐng)域。因此，Matlab及其應(yīng)用是國內(nèi)外高校理工科專業(yè)開設(shè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，為本科生和研究生的后續(xù)課程、課題研究的科學(xué)計算奠定了基礎(chǔ)，在課程體系中占有重要地位[1，2]。本課程具有內(nèi)容豐富、涉及知識面廣、信息量大和發(fā)展更新快等特點，同時又與專業(yè)背景有關(guān)，在有限的課時內(nèi)傳授Matlab的精髓，并培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用Matlab解決實際科學(xué)問題的能力，這是對教師教學(xué)方法與能力的一個挑戰(zhàn)[3]。本文針對教學(xué)實踐的現(xiàn)狀，以提高教學(xué)水平、教學(xué)效率和教學(xué)效果為目標(biāo)，對Matlab及其應(yīng)用課程教學(xué)進行研究與探索。

二、教學(xué)現(xiàn)狀

Matlab及其應(yīng)用課程與多門課程交叉，既具有理論性又具有實踐性，為了提高教學(xué)效果，需要對該課程的教學(xué)進行研究和改進。根據(jù)作者調(diào)研，目前的教學(xué)實踐中存在以下問題：教學(xué)內(nèi)容上，主要參照各類教程按功能分類陳述的一系列命令和函數(shù)的用法，沒有與相關(guān)課程的教學(xué)內(nèi)容結(jié)合，而且缺少具有實際應(yīng)用背景的介紹;教學(xué)方法上，以講授法為主，按照教材的章節(jié)順序?qū)滩纳系拿詈秃瘮?shù)介紹，再通過相關(guān)例子講解用法，學(xué)生不能自主學(xué)習(xí)和探索;教學(xué)效果上，僅僅會獨立使用命令和函數(shù)，面對具體的專業(yè)問題時，卻不能運用所學(xué)相關(guān)的知識去解決實際問題，具體表現(xiàn)為學(xué)生綜合應(yīng)用能力不強，缺乏分析問題的能力[4，5]。究其原因，主要在于課程內(nèi)容與專業(yè)、應(yīng)用背景脫節(jié)，而且傳統(tǒng)教學(xué)方法對命令和函數(shù)的講授與應(yīng)用練習(xí)都是單獨進行的，沒有及時與應(yīng)用實例相結(jié)合，學(xué)生往往當(dāng)時能聽懂、會練習(xí)，但到真正在解決實際問題時需要綜合若干知識點，卻不能根據(jù)實際情況靈活運用已學(xué)過的知識，有的甚至學(xué)了前面忘了后面，從而失去學(xué)習(xí)的興趣，導(dǎo)致教學(xué)效果很不理想。

三、教學(xué)內(nèi)容的研究

Matlab及其應(yīng)用課程的教學(xué)內(nèi)容可以分為三個層次：一是基礎(chǔ)知識，主要包括矩陣操作、可視化、程序設(shè)計和GUI等，這部分內(nèi)容和其他高級語言基本相通;二是動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境Simulink，該內(nèi)容是教學(xué)的重點和難點;三是工具箱，該內(nèi)容可根據(jù)專業(yè)背景有選擇的進行教學(xué)。

本課程存在著內(nèi)容多和學(xué)時有限的矛盾，為了能在有限的時間內(nèi)讓學(xué)生掌握核心內(nèi)容、打好基礎(chǔ)，在后續(xù)學(xué)習(xí)和應(yīng)用中具備自學(xué)能力，精選教學(xué)內(nèi)容尤為關(guān)鍵，課程內(nèi)容應(yīng)根據(jù)不同專業(yè)、專業(yè)特征以及不同的教學(xué)對象進行不同的調(diào)整和補充，在教材的選用上也所不同。在教學(xué)中應(yīng)根據(jù)專業(yè)背景的實際情況，參照課程教學(xué)大綱，選擇的教學(xué)內(nèi)容盡可能地覆蓋知識點，而且在深入學(xué)習(xí)后續(xù)內(nèi)容的同時能對已講授過的內(nèi)容進行復(fù)習(xí)。

1.理論聯(lián)系實際，強調(diào)應(yīng)用領(lǐng)域。如何在有限的學(xué)時內(nèi)讓學(xué)生掌握Matlab軟件，并能綜合運用軟件提供的功能解決各自的專業(yè)問題是課程教學(xué)的目的。作者的教學(xué)思路是從實際應(yīng)用領(lǐng)域中選取典型范例，突出應(yīng)用價值，從實際工程中了解哪些問題需要或者可以由Matlab來解決。矩陣運算是Matlab最基本的功能，在講解這部分內(nèi)容時，通過介紹數(shù)理統(tǒng)計中的線性回歸和實際應(yīng)用建立聯(lián)系，對矩陣求逆、轉(zhuǎn)置等知識點進行教學(xué)。Matlab在數(shù)據(jù)可視化方面也提供了強大的功能，在該部分內(nèi)容的教學(xué)過程中，可向?qū)W生介紹在實際試驗、工程測量及科學(xué)計算中，通常將采樣的離散數(shù)據(jù)用各種形式的圖形表示出來，從而分析其所反映的內(nèi)在規(guī)律。在Simulink教學(xué)過程中，作者通過介紹汽車懸架的知識引入“彈簧—質(zhì)量—阻尼器”機械動力學(xué)系統(tǒng)的仿真。通過強調(diào)教學(xué)知識潛在的應(yīng)用價值，可以充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性。

2.根據(jù)專業(yè)背景增加教學(xué)內(nèi)容。Matlab作為一種高性能的數(shù)值計算和可視化軟件，隨著其功能的逐步增加和完善，在電氣、電子、控制、機械、汽車、航空航天等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，這就要求教師要處理好基礎(chǔ)知識和高級應(yīng)用的關(guān)系，結(jié)合專業(yè)背景，從中選取相關(guān)的知識，在教學(xué)過程中將先進工具箱的功能、在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及時介紹給學(xué)生。如：電類專業(yè)適當(dāng)增加SimPowerSystems工具箱的教學(xué)，機械類專業(yè)需要了解SimMechanics工具箱，信息類專業(yè)可選擇增加神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、最優(yōu)化、圖像處理工具箱等。結(jié)合學(xué)科背景增加教學(xué)內(nèi)容，擴大了學(xué)生的知識面，提高了學(xué)生對科學(xué)技術(shù)的興趣。

四、教學(xué)方法的研究與探索

1.運用實例教學(xué)法。實例教學(xué)法依托具有代表性的例子對所涉及的知識點進行教學(xué)，這種教學(xué)法目的性強，具有直觀、實用的特點，能迅速吸引學(xué)生的注意力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。應(yīng)用實例教學(xué)法對于Matlab語言基礎(chǔ)的教學(xué)有較好的效果，在教學(xué)過程中不以教材的章節(jié)順序進行授課，而是以實例為中心，通過綜合講解精心選擇的實例，使學(xué)生更好地掌握知識點，并把要學(xué)習(xí)的知識點融入到具體實例中來講解，整個教學(xué)過程強調(diào)學(xué)以致用，在應(yīng)用中學(xué)習(xí)。例如在Matlab語言的數(shù)據(jù)類型、數(shù)值運算、基本語句結(jié)構(gòu)、程序流程結(jié)構(gòu)、繪圖基礎(chǔ)等知識點的教學(xué)過程中，筆者通過冒泡排序、分段函數(shù)的實現(xiàn)及圖像繪制等實例進行綜合教學(xué)，效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的教學(xué)方法。

2.實施任務(wù)驅(qū)動教學(xué)。任務(wù)驅(qū)動法以學(xué)生為中心、以任務(wù)為驅(qū)動，是一種主動探究型的教學(xué)方法，將任務(wù)驅(qū)動法運用于課堂教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生思考，不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更重要的是培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，完成知識的自我構(gòu)建，有利于培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力[6]。例如，Matlab GUI程序設(shè)計部分的教學(xué)，如果采用先介紹句柄圖形對象再介紹其屬性的傳統(tǒng)教學(xué)方式，則不利于學(xué)生完成知識構(gòu)建和能力的形成，更不利于通過自主學(xué)習(xí)學(xué)會設(shè)計步驟。教學(xué)時，可以將該部分內(nèi)容設(shè)計成任務(wù)，“驅(qū)動”學(xué)生在完成任務(wù)的過程中掌握知識的應(yīng)用。

筆者在教學(xué)過程中，要求學(xué)生根據(jù)“自動控制原理”課程學(xué)習(xí)的內(nèi)容，完成二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)的圖形化設(shè)計。任務(wù)目的：①掌握Matlab GUI程序設(shè)計;②培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。任務(wù)內(nèi)容：①綜合應(yīng)用Matlab語言中數(shù)組、函數(shù)、繪圖指令以及GUI界面設(shè)計等知識，開發(fā)簡單交互式應(yīng)用程序;②編程計算二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)函數(shù)，并實現(xiàn)圖形化顯示;③創(chuàng)建一個圖形用戶界面，實現(xiàn)在界面上輸入相關(guān)參數(shù)，便可以顯示二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)的圖形;④調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，對比其圖形變化。

五、結(jié)論

為了提高Matlab及其應(yīng)用課程的教學(xué)效果，在教學(xué)實踐的基礎(chǔ)上，本文研究探索了教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法。在教學(xué)內(nèi)容上，應(yīng)聯(lián)系實際選擇相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的實例，并根據(jù)專業(yè)增加教學(xué)內(nèi)容;在教學(xué)方法上，應(yīng)針對教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生的實際情況，根據(jù)每種方法的優(yōu)勢和局限性，將不同方法進行優(yōu)化組合，以達到最好的教學(xué)效果。

Matlab及其應(yīng)用課程的教學(xué)涉及到多方面的因素，需要教師不斷地探索新的教學(xué)方法和教學(xué)模式，而網(wǎng)絡(luò)教學(xué)是教學(xué)改革的趨勢之一。在實際教學(xué)實踐中，應(yīng)完善傳統(tǒng)課堂教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)模式，充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)地位和學(xué)生的主體地位，拓展教學(xué)時空，提高教學(xué)效率。

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