科學計算軟件在醫學類大學數學教學中的作用

摘要：數學是醫學高等教育的重要環節之一，科學計算軟件如MATLAB在數學學習中可以起到重要的輔助作用。MATLAB軟件被廣泛應用于微積分計算、線性代數計算、概率論與統計計算、數值計算和醫學信息處理方面。通過學習和應用科學計算軟件，能夠提高學習效率，促進學生綜合素質的提高。同時，計算機軟件的應用對數學教學和考核標準提出了新的要求。

關鍵詞：MATLAB軟件；醫學信息；科學計算

隨著醫學科學的不斷發展，數學在醫學發展中所扮演的角色正逐漸變得更加重要。①醫學檢測技術和診斷技術如醫學圖像、電生理信號等通過數字化技術轉化為海量數據信息；②大量的病例信息的回顧分析和流行病學調查也獲得了大量與疾病密切相關的數據，造成了海量的醫學數據的產生和積累。醫學數據的分析和進一步應用必須采用更多的數學方法和計算機輔助，因此在醫科大學學生中，必須更加重視數學的教學工作，在已經廣泛開展了高等數學等課程的教學工作，提高教學效率，以使學生學習到必須的數學能力并培養數學素養。在醫科大學中，如何進行高效的高等數學教育，仍然是一項重要的內容。科學計算軟件能夠比較簡單的處理數學計算，并進行更加形象化的展示，為醫科大學的高等數學教學提供了有益的工具。本文即以MATLAB軟件為例，說明科學計算軟件在醫科高等院校教學與學些中的應用。

1科學計算軟件在微積分教學中的應用

MATLAB符號數學工具箱是本節中大部分運算的基礎，此工具箱的計算引擎基于Maple核心，提供了針對微積分、方程求解等復雜數學問題的計算和繪圖工具[1-4]。MATLAB中常用的微積分命令，見表1。

此外，MATLAB還提供了大量描點繪圖和函數繪圖的命令，如描點繪圖命令plot，三維描點繪圖命令plot3，三維曲面描點繪圖命令mesh和surf以及相應的函數繪圖命令ezplot，ezplot3，ezmesh，ezsurf等。

通過使用這些命令，能夠方便快捷的解決高等數學教學大部分的微積分問題并進行圖形展示。這樣就為教師的教學工作提供了極大的方便，同時也為學生的學習提供了新的輔助工具。通過引入科學計算軟件，可為彌補醫學學生由于缺乏計算訓練而帶來的計算能力上的不足，從而將教學精力轉移到引入更多的數學問題和數學思想中來。

2科學計算軟件在線性代數教學中的應用

MATLAB軟件本身的名稱即來自于矩陣實驗室英文名稱（Matrix Laboratory）的縮寫，其在線性代數概念展示和計算方面具有很大的能力。在MATLAB環境中通過命令窗口鍵入或數據文件導入的方式，能夠很方便的定義矩陣。利用軟件的工作空間面板和數據編輯器，則可以較為直觀的現實矩陣及其行、列數目等信息。另一方面，MATLAB還提供了大量的計算方法，可以非常方便對矩陣進行行列式，逆矩陣，轉置，加法，乘法和乘方等運算，見表2。

3科學計算軟件在概率論與數理統計學習中的應用

統計學是醫學科研和海量數據分析的基礎，通過科學計算軟件的輔助，能夠方便的進行數據展示，統計計算和結果分析。MATLAB及其統計工具箱中包括常用的概率分布和密度函數，參數估計和假設檢驗方法，可以方便的計算均值、方差、分位數等統計量，按照分布律模擬隨機背景分布，繪制統計圖形等，見表3。

4科學計算軟件在數值計算方面的應用

函數M文件為MATLAB提供了強大的擴展性，用戶可以根據自身的需求定義函數，并且能夠簡單的在MATLAB中實現。MATLAB提供了多種選擇控制和循環控制的方法，使得MATLAB本身不僅是一種計算軟件也是一種程序設計語言，與C，JAVA等主流程序語言相比，MATLAB具有語法簡單，功能強大的特點，特別是能夠與MATLAB內置函數和其他已存在的MATLAB函數簡單結合，因此具有了極強的擴展性，可以方便的整合算法并與精確算法進行比較，是數值計算方法教學的理想工具。正因為這些優點，MATLAB已經在一些數值計算教材中被選為程序設計語言[5]。

5科學計算軟件在醫學信息學方面的應用

MATLAB軟件提供了生物信息學工具箱，其中包括對序列數據、基因芯片表達數據等多種生物信息的常用分析方法和圖形展示方法，同時通過網絡工具可以方便的獲取公共數據庫信息，并且結合統計等工具箱，對生物信息進行處理。

MATLAB軟件可以方便的將數字化的醫學圖像和其他醫學信號導入到計算環境中來，從而給醫學圖像和醫學信號處理的教學提供了極大的便利。通過應用MATLAB中內置的信號處理工具箱和程序設計，處理醫學信號和圖像，是對高等數學學習成果的重要應用，在處理醫學問題的同時，鞏固了數學知識，并能提高對高等數學的學習興趣。

6總結與討論

本文以MATLAB軟件為例，介紹了科學計算軟件在醫科大學高等數學教學中的一些應用方法。近幾年來，在首都醫科大學開展的高等數學、計算機數值分析、線性代數與概率論等必修，選修課程的教學中，科學計算軟件知識被結合在理論課程的教學過程當中，并且在促進學生理解數學概念，提高學習興趣方面發揮了一定作用。但同時，我們也注意到，科學計算軟件的引入也對教學目標，教學內容，教學重點和考核方法都產生了新的要求，需要教師在進一步的教學實踐工作中對教學各個環節做出相應的調整。如何應對科學計算軟件帶來的機遇與挑戰，是教學工作中更加重要的課題。

參考文獻：

[1]李林，等.醫用高等數學新概念教程[M].北京：中國鐵道出版社，2010.

[2]王軍威.基于計算機數學語言M atlab的高等數學教學[J].數學學習與研究，2010，19（13）：20.

[3]張建國，等.Matlab 軟件在高等數學教學中的應用[J].考試周刊，2012，（32）：50-51.

[4]劉保柱，等.MATLAB7.0從入門到精通[M].2版.北京：人民郵電出版社，2010.

[5]宋葉志，等. MATLAB數值分析與應用[M].北京：機械工業出版社，2009.

[6]羅述謙，等. 醫學圖像處理與分析[M].2版.北京：科學出版社，2010.

編輯/肖慧