復(fù)雜工程驅(qū)動的MATLAB課程改革

張靜亞+范瑜

摘要：以成果為導(dǎo)向的工程教育理念重塑了學(xué)習(xí)與教學(xué)之間的關(guān)系，改變了傳統(tǒng)的“灌輸式”教育，取而代之的是學(xué)習(xí)型、研究型教育。這種人才培養(yǎng)理念集中體現(xiàn)在專業(yè)課程體系的建立中，同時也體現(xiàn)在諸如MATLAB（Matrix Laboratory）課程的各門專業(yè)課程教學(xué)過程中。本文結(jié)合課程特點，提出通過復(fù)雜工程問題中的高級數(shù)據(jù)處理和快速原型化來推進(jìn)MATLAB課程內(nèi)容教學(xué)以及驅(qū)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的教學(xué)設(shè)計思路，同時給出了復(fù)雜工程問題驅(qū)動的教學(xué)方式和學(xué)習(xí)成果評價方法。

關(guān)鍵詞：MATLAB；復(fù)雜工程問題；工程教育；學(xué)習(xí)成果

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）15-0140-02

基于矩陣運算的MATLAB是一種可用來分析和設(shè)計系統(tǒng)的科學(xué)計算工具，廣泛應(yīng)用于音頻、視覺、無線通訊、深度學(xué)習(xí)等工程領(lǐng)域，可將產(chǎn)生于復(fù)雜系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，應(yīng)用健壯的相關(guān)算法去理解發(fā)生過什么，預(yù)測將要發(fā)生什么，并進(jìn)行決策或建議行動方向。另外，MATLAB通過擴展使得其代碼可以與其他語言集成，加快了算法和應(yīng)用程序的原型化[1]。

以成果為導(dǎo)向的電子信息類工程人才培養(yǎng)理念強調(diào)以學(xué)生為主體，關(guān)注培養(yǎng)學(xué)生知識、能力和素質(zhì)的教學(xué)經(jīng)驗與過程[2]。這種人才培養(yǎng)理念集中體現(xiàn)在專業(yè)課程體系的建立中，它要求課程體系的建立以及課程的實施能夠支撐學(xué)生將數(shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)、專業(yè)知識和科學(xué)方法用于設(shè)計、解決、分析、研究和評價復(fù)雜工程問題，同時也體現(xiàn)在諸如MATLAB課程的各門專業(yè)課程教學(xué)過程中，并引導(dǎo)教師思考如何在教學(xué)過程中將成果導(dǎo)向的主動式教育替代傳統(tǒng)內(nèi)容導(dǎo)向的被動式教育[3]，圖1描述了該人才培養(yǎng)理念中各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)的相互關(guān)系。本文基于成果導(dǎo)向的教育理念，結(jié)合MATLAB這一工具特點，提出通過復(fù)雜工程問題中的高級數(shù)據(jù)處理來推進(jìn)課程內(nèi)容教學(xué)以及驅(qū)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的教學(xué)設(shè)計思路，同時給出了復(fù)雜工程問題驅(qū)動的教學(xué)方式和學(xué)習(xí)成果評價方法。

一、復(fù)雜工程驅(qū)動教學(xué)法的特點

在以成果為導(dǎo)向的工程教育中，教師需轉(zhuǎn)變課堂的重心，把關(guān)注點從知識轉(zhuǎn)變到面臨的復(fù)雜工程現(xiàn)象、困惑、挑戰(zhàn)中得到解決問題[4]。教師在教學(xué)過程中起到引導(dǎo)作用，起到對新形態(tài)、新形勢下的與課程相關(guān)資源的整合、運用、組織和進(jìn)一步的挖掘，包括對傳統(tǒng)的書本、網(wǎng)絡(luò)課程、視頻、音頻的整合。在教師的引導(dǎo)下將課程的淺學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袕V度、深度和高度的知識[5]。

以工程驅(qū)動的MATLAB教學(xué)方法正是基于對以上教育理念的思考而提出的。在教學(xué)過程中，學(xué)生的能力通過團隊互動和創(chuàng)新得到訓(xùn)練，學(xué)生的素養(yǎng)通過工程所在的好的文化和環(huán)境得到熏陶，學(xué)生的智慧在復(fù)雜工程問題設(shè)計、解決和分析研究中通過對前人的仿效和進(jìn)一步的提升來感悟。

二、復(fù)雜工程驅(qū)動的MATLAB教學(xué)內(nèi)容新布局

傳統(tǒng)的MATLAB課程的教學(xué)內(nèi)容主要包括了MATLAB矩陣運算，其中的矩陣產(chǎn)生、賦值、引用和存儲方式是學(xué)習(xí)的重點。在建立了矩陣的基本運算方法之后，進(jìn)一步引出基于MATLAB的數(shù)值計算問題。除了數(shù)值計算之外，MATLAB符號運算也是作為一種特殊的高級語言具有的特點，將應(yīng)用數(shù)值和符號計算的命令通過函數(shù)和腳本文件的形式表現(xiàn)出來，則完成了MATLAB語言編程的基本教學(xué)要求。另外，在各個教學(xué)內(nèi)容講解和實踐中，矩陣數(shù)據(jù)的可視化是幫助學(xué)生理解和分析問題的關(guān)鍵手段，因此常常貫穿于整個教學(xué)過程中[6]。

與傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容不同，在復(fù)雜工程驅(qū)動的MATLAB教學(xué)中，我們主要強調(diào)的是工程應(yīng)用和實現(xiàn)，因此教師除了需要提煉傳統(tǒng)的課程知識點之外，還需要增加從MATLAB應(yīng)用發(fā)布、代碼生成、硬件在環(huán)、并行計算等方面引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行復(fù)雜工程問題的設(shè)計、分析、實踐和研究，把文本編輯、數(shù)學(xué)公式、代碼、圖形完美地結(jié)合，從而進(jìn)行探索式編程和交互式描述。運用MATLAB上的應(yīng)用程序模塊、標(biāo)準(zhǔn)用戶界面組件以及儀表、開關(guān)和指示燈，緊密結(jié)合可視化設(shè)計和代碼開發(fā)，生成面向?qū)ο蟮拇a，方便共享，最終實現(xiàn)從模型到樣機驗證直至工程化的快速迭代。新布局下MATLAB在工程中的應(yīng)用框圖如圖2所示。

三、工程驅(qū)動的MATLAB教學(xué)方式和學(xué)習(xí)評價

當(dāng)前，網(wǎng)絡(luò)信息豐富，網(wǎng)絡(luò)教育崛起，課堂教育模式日趨需要進(jìn)行改變。為了改變傳統(tǒng)“灌輸式”被動學(xué)習(xí)的教學(xué)方式，MATLAB教學(xué)采用多種教學(xué)方式相結(jié)合，在解決工程問題的不同階段以及在不同的單元中采用不同的教學(xué)方式，具體包括講授、課程討論、問題導(dǎo)向?qū)W習(xí)、分組合作學(xué)習(xí)、專題討論、實踐學(xué)習(xí)、發(fā)表學(xué)習(xí)等。

學(xué)習(xí)成果的評價是課程持續(xù)改進(jìn)的基礎(chǔ)，通常以學(xué)生課程成績來體現(xiàn)。根據(jù)MATLAB課程特點，學(xué)生學(xué)習(xí)成績的評價項目包括平時成績、期中成績和期末成績。其中平時成績占50%，期中成績和期末成績各占20%和30%。對平時成績的細(xì)項配分是本課程體現(xiàn)工程驅(qū)動特點和學(xué)生學(xué)習(xí)成果導(dǎo)向教育理念的重點之一，具體包括觀察為主的工程實踐過程評價，動手能力和團隊合作能力評價，答辯、匯報形式的語言表達(dá)能力評價，以工程項目的書面報告形式的文檔書寫評價，工程效果展示評價，等等。具體項目和分值如表1所示。

四、結(jié)語

工程驅(qū)動的MATLAB課程教學(xué)是以實現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)成果為出發(fā)點，通過設(shè)定課程預(yù)期目標(biāo)來培養(yǎng)各個核心能力，并達(dá)成最終的學(xué)習(xí)成果。MATLAB課程內(nèi)容與教學(xué)目標(biāo)對應(yīng)，涵蓋與工程相關(guān)的設(shè)計、分析、實施等方面的教學(xué)內(nèi)容，目標(biāo)和內(nèi)容不脫節(jié)，教學(xué)方法多樣、明確，課程學(xué)習(xí)評價方法在傳統(tǒng)的方法基礎(chǔ)上作了調(diào)整，在比例和手段方面都有所增加。

參考文獻(xiàn)：

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[6]張靜亞.基于項目驅(qū)動的MATLAB教學(xué)方法研究[J].科技資訊，2014，（12）.