面向創新實踐能力培養的MATLAB/Simulink課程改革研究

摘要：MATLAB/Simulink大學師生和研究人員普遍使用的學習和研究工具，由于強大的計算和仿真能力，在課程學習和創新實踐能力培養方面起著十分重要的作用。依據重慶大學MATLAB/Simulink有關課程的設置以及實際的教學實踐和研究經驗，闡述了該軟件課程的開設背景，分析了教學實踐中存在的問題，并提出了面向創新實踐的課程改革方案。

關鍵詞：MATLAB；創新實踐；課程改革

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）21-0029-02

創新是民族進步的靈魂，也是大學發展的動力。[1]重慶大學前校長林建華認為，重慶大學未來的特色是以創新創業教育能力培養為特色的學校。有了實踐創新能力，畢業生才能更好地適應和駕馭未來。但是，由于有限的大學資源很難惠及所有學生，創新實踐能力的培養方案很難全面推廣。

MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業軟件，集成了MATLAB和Simulink兩大軟件包。[2]它是一種編程語言和仿真工具，依靠其豐富的功能模塊、強大的計算能力、靈活的二次開發接口和半實物仿真手段，已廣泛應用于電力、金融、生物等眾多領域。[3]如同OFFICE軟件是日常工作必備的工具，MATLAB/Simulink已成為高校廣大師生和研究人員的基本學習和研究工具，對于創新實踐具有重要的作用。

一、大學創新實踐中存在的問題

第一，一所大學的資源十分有限，面對眾多的學生仍然處于“僧多粥少”的狀態。以重慶大學開展的各種本科生和研究生創新實踐項目來看，大多需要經過層層篩選。盡管可以發現拔尖人才，但也使更多學生失去了創新實踐的機會，這與“競爭力的提升要靠一大批有創新能力的優秀的年輕人”的人才培養理念還有差距。

第二，在創新實踐項目的實施過程中，多數學生的理論基礎不扎實，動手能力差，淡化研究與探索的意識。究其原因，之前缺少實踐機會和條件，進而信心不足。

第三，隨著信息化和仿真技術的發展，重慶大學針對不同專業開設了各種計算機輔助類課程。但由于課程體系側重于軟件本身的學習，或者采用“面向課程”的教學模式，使得這類輔助課程始于理論，止于仿真，與解決實際問題有很大差距。從近幾年的本科生和研究生畢業論文分析可以發現，對于計算機仿真軟件產生了過度依賴性，對軟件仿真與實踐的融合遠遠不夠，這是一種“濫用”計算機仿真技術的不良傾向。“濫用”仿真的真正原因不是軟件仿真多了，而是絕大部分學生對于MATLAB/Simulink的掌握遠遠不夠，未能找到實用化的切入點。

針對以上問題，借助教學科研中應用最為廣泛的MATLAB/Simulink軟件，本文根據近幾年在“計算機輔助電路分析”教學、MATLAB/Simulink培訓和科研中的經驗，對電氣工程專業計算機輔助課程的內容體系、教學方法、考核方式和教學效果進行全方位探討，以期達到有效利用計算機仿真技術和培養創新實踐人才的目的。

二、MATLAB/Simulink在教學和研究中的應用

以重慶大學電氣工程學院為例，近幾年學院在專業基礎選修課中開設了兩門基于MATLAB的課程：“MATLAB在電氣工程中的應用”和“計算機輔助電路分析”。盡管是選修課，但選修率達到了95%以上，僅電氣學院每年就有400多名學生選修，還有弘深、機械等學院的學生選修。

通過對電氣工程學院每年的本科生畢業設計、碩士研究生學位論文來看，70%以上的同學都使用MATLAB/Simulink軟件開展課題的研究。重慶大學創新實踐中心每學期都會開設MATLAB/Simulink有關的初級、中級到高級培訓，吸引了全校多個學院大量的本科生和研究生參加。

為了進一步掌握MATLAB/Simulink的應用現狀和趨勢，對MATLAB/Simulink軟件在國內外的學術貢獻進行了調研，圖1和表1分別給出了國內CNKI數據庫和國外三大數據庫關于MATLAB的論文檢索結果。

CNKI數據庫中最近10余年涉及MATLAB的學術文章合計41萬篇，其中人文社會科學約2600篇、經濟與管理科學約2.6萬篇，更多用于工程科學、自然科學。文獻來源主要來自工科實力較強的高校，如前5名依次為天津大學、哈爾濱工業大學、華中科技大學、重慶大學和浙江大學。

通過對國內外期刊數據庫對于MATLAB/Simulink的應用分析表明：更多文章對于MATLAB/Simulink“用而不言”，實際應用量比統計大得多，特別是高水平文章；計算機硬件和軟件的發展為MATLAB/Simulink廣泛深入應用提供了條件；統計數量增幅放緩，原因之一是現在對軟件本身的關注降低，更注重軟件的應用效果；預計未來關于MATLAB/Simulink的直接引用量保持現狀，但會像人們離不開OFFICE一樣，MATLAB正在成為教學研究中的必備工具。

三、MATLAB課程教學實踐中存在的缺陷

重慶大學電氣工程學院現面向全校開設“MATLAB在電氣工程中的應用”和“計算機輔助電路分析”，前者主要包括MATLAB/Simulink的基礎知識和電氣工程有關的MATLAB函數，后者涉及電路理論通過MATLAB/Simulink來驗證的具體應用，但課程的開設存在一些缺陷。

1.課程分為理論課和上機課兩部分

理論與上機實踐銜接不緊密，理論部分涉及線性代數、矩陣理論、數值計算等知識，而這些往往是高年級甚至研究生的課程，而上機實踐課主要針對已經學完的電路原理仿真。這種“面向課程”的教學，是針對已學課程內容的再現和重復，使學生表現“疲勞”，缺少興趣。

2.學時短，內容多，合班上課學生多

由于學習能力和學習習慣的差異，“吃不飽”和“撐不下”并存的情況嚴重。

3.學生缺乏學習動力

由于使用MATLAB/Simulink的時間更多是在專業課的學習、創新研究項目和畢業設計階段，學習在學習時缺乏目的性和興趣，[4]導致不少同學學完該課程后僅把MATLAB當作一種高級計算器，忽視了更為深入的應用，甚至有碩士生導師報怨研究生連編寫和調試簡單的MATLAB程序也有困難。

4.考核困難

由于仿真實踐需要計算機操作，存在硬件軟件故障的不確定性，而且平時作業和上機考試中抄襲現象時有發生。因此，有必要制訂出合理的考核方式，公正有效地反映出學生的真實水平。

四、MATLAB課程改革與實踐方案

在硬件資源有限的情況下，利用MATLAB/Simulink課程提升學生的創新實踐能力和培養出大批的優秀人才。針對現有本科生計算機輔助類課程“過分強調其輔助服務功能”和“與實踐脫節”的問題，[5]以“計算機輔助電路分析”課程作為改革的突破口，改進課程內容體系，加強理論、仿真和實踐的結合，充分發揮MATLAB/Simulink工具的強大功能，引導學生從單純的“學習型”到“研究探索型”的意識轉變，從“理論仿真”到“具體實現”的行為轉變，使學生增加一技之長，提高就業競爭力，同時為畢業設計和研究生深造奠定基礎。為此，在以下方面進行了改革和探索。

1.教學大綱的改革

根據創新型、研究型人才的培養需要，將“MATLAB在電氣工程中的應用”與“計算機輔助電路分析”合并，新的課程名稱改為“計算機輔助電子電路分析”，以適應“電路原理”“模擬電子技術”和“數字電子技術“以及專業課的需要。同時在新教學大綱中，對課程內容體系進行優化。總課時由原兩門課的62學時改為52學時，依據課時適當壓縮純課堂理論，增加上機環節學時，將部分理論與上機相結合。

2.教學方法的轉變

由“面向課程”的教學，增加專題訓練和應用實踐環節，拓寬學生知識面，使學生具有解決問題的能力。采取主講教師專題講座與研究生助教實踐專題報告相結合。研究生助教“現身說法”，探討MATLAB/Simulink在研究和學習中的應用，開拓學生視野和提升興趣。針對不同層次學生分類指導，考慮開設基礎班和提升班，實行差異化教學。改變教學方法，實現從“學習”到“研究”的思維轉變，從“仿真”到“實現”的行為轉變，改變過度依賴仿真、始于理論止于仿真的局面，提升學生的上機操作和應用實踐能力，以團隊的方式布置專題作業，培養團隊協作精神。

3.課程開設方式和開設時間的探索，教學計劃的制訂

課程開設時間延后，學生數學基礎和專業基礎更好，有利于為畢業設計和深入學習、研究生深造做準備；也可以多學期分段教學，由基礎到專業逐步深入，改善教學效果。

4.考核體系的修訂

建立合理有效的成績評定體系和考試考查方式，制訂出合理的考核方式，公正有效地反映出學生的真實水平，又能成為激勵學生努力學習、勤奮鉆研的壓力和動力。

五、結束語

通過MATLAB有關課程的改革，把MATLAB/Simulink課程從“輔助”角色提升為重要的創新實踐手段，不僅可以大大節約硬件資源，為更多學生提供鍛煉機會，同時通過創新實踐能力提高，為學術研究提供支撐。

參考文獻：

[1]劉翠紅，陳秉巖，王建永.基于學生實踐和創新能力培養的實驗教學改革[J].科技創新導報，2011，（1）.

[2]劉俏.MATLAB輔助化工原理教學的實踐[J].高等理科教育，

2006，（5）.

[3]呂峰，張哲，呂鵬.MATLAB在電力電子教學實踐中的探究[J].電子世界，2013，（10）.

[4]彭代慧，祝詩平，傘磊.“引導式面向對象”教學法在MATLAB課程中的應用研究[J].中國電力教育，2013，（31）.

[5]張昊慧.MATLAB課程教學改革的探索與實踐[J].中國教育技術裝備，2012，（33）.

（責任編輯：王意琴）