Matlab及其應用課程教學研究與探索

王皖君+陳薇

摘要：Matlab及其應用課程內容多、涉及面廣，在有限的學時內進行優質、高效的教學是一項挑戰性工作。為了提高教學效果，針對目前教學中的問題，對課程體系進行了研究和探索，提出根據實際應用領域選擇和增加教學內容，并根據教學內容的特點采用實例教學法、任務驅動教學和網絡教學。

關鍵詞：Matlab;教學內容;教學方法

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

一、引言

Matlab是世界流行的優秀科技應用軟件之一，是一種主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環境，它將矩陣計算、數值分析、科學數據可視化以及非線性動態系統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境中，可以進行矩陣運算、繪制函數和數據、實現算法、創建用戶界面、連接其他編程語言開發的程序等，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多科學領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非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平，在數學類科技應用軟件中首屈一指，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測等領域。因此，Matlab及其應用是國內外高校理工科專業開設的一門重要專業基礎課，為本科生和研究生的后續課程、課題研究的科學計算奠定了基礎，在課程體系中占有重要地位[1，2]。本課程具有內容豐富、涉及知識面廣、信息量大和發展更新快等特點，同時又與專業背景有關，在有限的課時內傳授Matlab的精髓，并培養學生應用Matlab解決實際科學問題的能力，這是對教師教學方法與能力的一個挑戰[3]。本文針對教學實踐的現狀，以提高教學水平、教學效率和教學效果為目標，對Matlab及其應用課程教學進行研究與探索。

二、教學現狀

Matlab及其應用課程與多門課程交叉，既具有理論性又具有實踐性，為了提高教學效果，需要對該課程的教學進行研究和改進。根據作者調研，目前的教學實踐中存在以下問題：教學內容上，主要參照各類教程按功能分類陳述的一系列命令和函數的用法，沒有與相關課程的教學內容結合，而且缺少具有實際應用背景的介紹;教學方法上，以講授法為主，按照教材的章節順序對教材上的命令和函數介紹，再通過相關例子講解用法，學生不能自主學習和探索;教學效果上，僅僅會獨立使用命令和函數，面對具體的專業問題時，卻不能運用所學相關的知識去解決實際問題，具體表現為學生綜合應用能力不強，缺乏分析問題的能力[4，5]。究其原因，主要在于課程內容與專業、應用背景脫節，而且傳統教學方法對命令和函數的講授與應用練習都是單獨進行的，沒有及時與應用實例相結合，學生往往當時能聽懂、會練習，但到真正在解決實際問題時需要綜合若干知識點，卻不能根據實際情況靈活運用已學過的知識，有的甚至學了前面忘了后面，從而失去學習的興趣，導致教學效果很不理想。

三、教學內容的研究

Matlab及其應用課程的教學內容可以分為三個層次：一是基礎知識，主要包括矩陣操作、可視化、程序設計和GUI等，這部分內容和其他高級語言基本相通;二是動態系統建模、仿真和綜合分析的集成環境Simulink，該內容是教學的重點和難點;三是工具箱，該內容可根據專業背景有選擇的進行教學。

本課程存在著內容多和學時有限的矛盾，為了能在有限的時間內讓學生掌握核心內容、打好基礎，在后續學習和應用中具備自學能力，精選教學內容尤為關鍵，課程內容應根據不同專業、專業特征以及不同的教學對象進行不同的調整和補充，在教材的選用上也所不同。在教學中應根據專業背景的實際情況，參照課程教學大綱，選擇的教學內容盡可能地覆蓋知識點，而且在深入學習后續內容的同時能對已講授過的內容進行復習。

1.理論聯系實際，強調應用領域。如何在有限的學時內讓學生掌握Matlab軟件，并能綜合運用軟件提供的功能解決各自的專業問題是課程教學的目的。作者的教學思路是從實際應用領域中選取典型范例，突出應用價值，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，在講解這部分內容時，通過介紹數理統計中的線性回歸和實際應用建立聯系，對矩陣求逆、轉置等知識點進行教學。Matlab在數據可視化方面也提供了強大的功能，在該部分內容的教學過程中，可向學生介紹在實際試驗、工程測量及科學計算中，通常將采樣的離散數據用各種形式的圖形表示出來，從而分析其所反映的內在規律。在Simulink教學過程中，作者通過介紹汽車懸架的知識引入“彈簧—質量—阻尼器”機械動力學系統的仿真。通過強調教學知識潛在的應用價值，可以充分調動學生學習的主動性和積極性。

2.根據專業背景增加教學內容。Matlab作為一種高性能的數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、航空航天等眾多領域有著廣泛的應用，這就要求教師要處理好基礎知識和高級應用的關系，結合專業背景，從中選取相關的知識，在教學過程中將先進工具箱的功能、在相關領域的應用現狀及時介紹給學生。如：電類專業適當增加SimPowerSystems工具箱的教學，機械類專業需要了解SimMechanics工具箱，信息類專業可選擇增加神經網絡、最優化、圖像處理工具箱等。結合學科背景增加教學內容，擴大了學生的知識面，提高了學生對科學技術的興趣。

四、教學方法的研究與探索

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

2.實施任務驅動教學。任務驅動法以學生為中心、以任務為驅動，是一種主動探究型的教學方法，將任務驅動法運用于課堂教學，引導學生思考，不僅可以激發學生的學習興趣，更重要的是培養了學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，完成知識的自我構建，有利于培養學生自主學習的能力[6]。例如，Matlab GUI程序設計部分的教學，如果采用先介紹句柄圖形對象再介紹其屬性的傳統教學方式，則不利于學生完成知識構建和能力的形成，更不利于通過自主學習學會設計步驟。教學時，可以將該部分內容設計成任務，“驅動”學生在完成任務的過程中掌握知識的應用。

筆者在教學過程中，要求學生根據“自動控制原理”課程學習的內容，完成二階系統階躍響應的圖形化設計。任務目的：①掌握Matlab GUI程序設計;②培養學生自主學習能力。任務內容：①綜合應用Matlab語言中數組、函數、繪圖指令以及GUI界面設計等知識，開發簡單交互式應用程序;②編程計算二階系統階躍響應函數，并實現圖形化顯示;③創建一個圖形用戶界面，實現在界面上輸入相關參數，便可以顯示二階系統階躍響應的圖形;④調節系統參數，對比其圖形變化。

五、結論

為了提高Matlab及其應用課程的教學效果，在教學實踐的基礎上，本文研究探索了教學內容和教學方法。在教學內容上，應聯系實際選擇相關應用領域的實例，并根據專業增加教學內容;在教學方法上，應針對教學內容和學生的實際情況，根據每種方法的優勢和局限性，將不同方法進行優化組合，以達到最好的教學效果。

Matlab及其應用課程的教學涉及到多方面的因素，需要教師不斷地探索新的教學方法和教學模式，而網絡教學是教學改革的趨勢之一。在實際教學實踐中，應完善傳統課堂教學和網絡教學相結合的教學模式，充分發揮教師的主導地位和學生的主體地位，拓展教學時空，提高教學效率。

參考文獻：

[1]王蘊恒，周杰，寇曉靜.基于培養測控專業應用型人才的MATLAB教學改革研究[J].教育教學論壇，2014，（35）：35.

[2]畢萍，劉毓.Matlab工程應用基礎課程新模式的教學改革[J].實驗室研究與探索，2012，31（12）：145-17.

[3]蘇東寧，趙珳，宋方臻.MATLAB教學應重視科學計算能力的培養[J].中國現代教育技術裝備，2009，（5）：73-75.

[4]戎海龍，彭翠云.關于MATLAB教學模式的幾點探討[J].中國電力教育，2012，（20）：65.

[5]吳涓，宋愛國，溫秀蘭.Matlab語言與應用課程教學設計探討[J].電氣電子教學學報，2010，32（6）：10-11.

[6]李秀瀅，王建新，彭靜.Matlab教學中任務驅動式教學法的應用[J].電氣電子教學學報，2010，32（2）：104-105.