基于ＭＡＴＬＡＢ的“微積分”ＣＡＩ實(shí)驗(yàn)演示課件的設(shè)計(jì)與制作

【摘要】根據(jù)計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)(CAI， Computer Aided Instruction)的基本思路，介紹利用數(shù)學(xué)工具M(jìn)ATLAB的GUI（Graphic User Interface，圖形用戶界面）功能開(kāi)發(fā)的“微積分”CAI實(shí)驗(yàn)演示課件，給出了其相應(yīng)的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。該課件主要包含同濟(jì)大學(xué)編的《微積分》教材中的八個(gè)典型實(shí)驗(yàn)，在每個(gè)實(shí)驗(yàn)界面上用戶可以查看源代碼、可視化的計(jì)算結(jié)果。

【關(guān)鍵詞】微積分，CAI，MATLAB，GUI

【中圖分類號(hào)】G642.0【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B 【論文編號(hào)】1009—8097（2007）03—0084—02

一、引言

計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（Computer Aided Instruction）是計(jì)算機(jī)技術(shù)的一個(gè)非常重要的應(yīng)用領(lǐng)域。由于近十年來(lái)微機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)以及相應(yīng)課件技術(shù)的發(fā)展，使得各類CAI課件有了迅猛的發(fā)展。目前CAI作為一種新興的教育技術(shù)已顯示出異常強(qiáng)大的生命力，它已成為深化教學(xué)改革的一種極有效的手段。

在高校公共課程“高等數(shù)學(xué)”的新教材《微積分》中，給出了大量的實(shí)例，要求學(xué)生在掌握理論知識(shí)的同時(shí)，通過(guò)具體實(shí)例應(yīng)用所學(xué)的理論知識(shí)，充分體現(xiàn)了理論與實(shí)際相結(jié)合[1]。鑒于CAI在教學(xué)環(huán)節(jié)中的重要作用，我們采用MATLAB的圖形用戶界面GUI功能制作了包含數(shù)列極限與生長(zhǎng)模型等8個(gè)大型實(shí)驗(yàn)的CAI實(shí)驗(yàn)演示課件，該CAI課件功能完善、內(nèi)容豐富、交互性能便捷、有良好的可擴(kuò)充性和在線聯(lián)機(jī)幫助系統(tǒng)。本課件基本包括了《微積分》教材上冊(cè)的主要內(nèi)容，學(xué)生可以利用此課件進(jìn)行系統(tǒng)分析，研究每個(gè)實(shí)驗(yàn)所涉及的理論知識(shí)以及每個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原則和相關(guān)方法，加深對(duì)各類理論知識(shí)的理解，從而提高該課程的教學(xué)效果。

二、課件主要結(jié)構(gòu)及功能

本課件采用MATLAB語(yǔ)言編程，用戶界面是通過(guò)MATLAB的GUI功能設(shè)計(jì)的。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先按照軟件工程的思想和方法設(shè)計(jì)出該CAI課件的總體結(jié)構(gòu)，然后再設(shè)計(jì)每一個(gè)子模塊，每一個(gè)子模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)都是一個(gè)單獨(dú)的m文件（即MATLAB的函數(shù)文件）[2]。課件主界面是shiyan.m文件。

每個(gè)子模塊（即每個(gè)實(shí)驗(yàn)）界面中包含了若干文本輸入框和題目、畫(huà)圖、源代碼、網(wǎng)格、保存圖像、刷新、返回等功能按鈕，如圖1所示。其中，文本輸入框用來(lái)輸入與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的參數(shù)，功能按鈕用來(lái)實(shí)現(xiàn)各種不同的功能。表1給出了這些功能按鈕的主要功能說(shuō)明。

表1所示的7個(gè)功能按鈕是所有的實(shí)驗(yàn)共有的。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的不同，我們還設(shè)計(jì)了一些特殊的控件，提供了特殊的功能，如在“泰勒公式與函數(shù)逼近”實(shí)驗(yàn)中，提供了多種計(jì)算方法，為此在界面上增加了一個(gè)供選擇計(jì)算方法的下拉列表框；在“導(dǎo)彈追蹤問(wèn)題”實(shí)驗(yàn)中，除了能夠繪出導(dǎo)彈軌跡圖形外，還可以對(duì)導(dǎo)彈軌跡進(jìn)行動(dòng)畫(huà)模擬。

圖1 “一元函數(shù)圖形的繪制”實(shí)驗(yàn)的演示界面

三、CAI實(shí)驗(yàn)演示課件的實(shí)現(xiàn)

該課件是基于強(qiáng)大的數(shù)學(xué)工具M(jìn)ATLAB下開(kāi)發(fā)出來(lái)的。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)課件具有界面友好、操作方便、參數(shù)修改容易、實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀等特點(diǎn)。該課件采用了MATLAB的GUI功能。GUI是由多種圖形對(duì)象（如菜單、文本框、按鈕等）構(gòu)成的用戶界面。MATLAB中，設(shè)計(jì)GUI界面有兩種方法：一是用戶自己編寫函數(shù)文件，然后調(diào)用函數(shù)而生成界面；另一種是直接使用MATLAB提供的可視化的GUI設(shè)計(jì)工具[3]。開(kāi)發(fā)者可以根據(jù)自己的習(xí)慣選擇不同的設(shè)計(jì)方法。在該課件的制作中我們采用了第一種方法。

在本課件中，主界面的實(shí)現(xiàn)是最為重要的，因?yàn)樗苯佑绊懼傮w的布局、思維的邏輯性以及功能界面的實(shí)現(xiàn)。因篇幅有限，這里只介紹主界面的實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。

主界面是shiyan.m文件，是包含一個(gè)函數(shù)的MATLAB m文件，其主要代碼如下：

function shiyan %設(shè)立主窗口

Hf_MainWindow = figure('Name'，'<<微積分>>實(shí)驗(yàn)演示課件'， 'tag'，'mw'，...

'Resize'，'off'，'NumberTitle'，'off'，'MenuBar'，'none'); %產(chǎn)生主窗口標(biāo)題

imshow 'Backgrd1.jpg' %顯示背景文字與圖片

text(170， 50 ，'歡迎使用'，'FontWeight'，'Bold'， 'FontName'，'宋體'，

'FontSize'，23，'Color'，[1 0 .502]); %產(chǎn)生主窗口中的文字

text(49 ， 125 ，'<<微積分>>實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)'， 'FontWeight'，'Bold'，'FontName'，'黑體'，...

'FontSize'，28，'Color'，[0.502 0 1]);

Hm_shiyanDemo = uimenu(Hf_MainWindow ，'Label'，'實(shí)驗(yàn)演示');%建立主菜單欄

Hm_shangce=uimenu(Hm_shiyanDemo，'Label'，'數(shù)列極限與生長(zhǎng)模型'，'callback'，'close;jixian');

%建立“實(shí)驗(yàn)演示”的子菜單項(xiàng)“數(shù)列極限與生長(zhǎng)模型”

……

圖2 課件主界面

四、CAI實(shí)驗(yàn)演示課件的特點(diǎn)

本課件應(yīng)用到教學(xué)中，可以大大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率以及教學(xué)效率。本課件有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）創(chuàng)新性：本課件充分利用WINDOWS的窗口技術(shù)，將教學(xué)內(nèi)容有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，提供了一個(gè)十分便捷的“高等數(shù)學(xué)”實(shí)驗(yàn)演示環(huán)境。

（2）使用方便：本課件界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，提供了豐富的提示信息。

（3）可擴(kuò)展性：本課件具有很好的可擴(kuò)展性能，因?yàn)檎n件中的每個(gè)實(shí)驗(yàn)是一個(gè)單獨(dú)的m文件，若想增加實(shí)驗(yàn)，則編寫一個(gè)m文件直接掛在主窗口即可。

（4）開(kāi)放性：每個(gè)實(shí)驗(yàn)界面中提供了“源代碼”功能按鈕，即該課件的關(guān)鍵程序代碼是向用戶開(kāi)放的，用戶可以獲取程序代碼并進(jìn)行修改。

參考文獻(xiàn)

[1] 同濟(jì)大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)系．微積分（上冊(cè)）[M]．北京：高等教育出版社，1999

[2] D.Hanselman，B.Littlefield．精通MATLAB6[M]．張航等譯．北京：清華大學(xué)出版社，2002

[3] 郝紅偉．MATLAB6實(shí)例教程[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2001

Design and Development of CAI Courseware for “Calculus” Based on MATLAB

Nasirjan TursunYu LianFeiHuang QiongXiang

College of Mathematics and System Sciences of Xinjiang University， Urumqi， Xinjiang， 830046

Abstract: According to the mean idea of Computer Aided Instruction， introduce the CAI courseware for “Calculus”， which developed by using MATLAB GUI (Graphic User Interface) technologies， and give the design ideas and methods of it. This courseware includes 8 typical experiments collected from the compiled by Tong Ji University， in each experiment interface user could see the source code and the visualization of results.