基于案例的MATLAB教學探討與實踐

賀躍幫　王天雷　李興春　楊敏

摘 要：針對應用型教育要求，考慮現階段大學教育中應用MATLAB語言仿真輔助教學缺乏實踐能力培養問題，提出了基于MATLAB的案例教學方法，以三軸電子羅盤數據分析與參數辨識為例，從介紹案例背景、算法原理、編程與調試以及結果分析著手，向學生講述了MATLAB語言的應用和實際問題的求解，加深了學生對課堂知識的理解，培養了學生的實踐能力。

關鍵詞：MATLAB 案例教學 參數辨識

中圖分類號：G423 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（a）-0226-03

MATLAB是由美國MathWorks公司于1984年推出的一種科學計算語言。該編程語言采用解釋執行的方式，涵蓋了高等數學、數理統計、數字信號處理、控制系統模擬以及系統辨識等領域，能夠有效輔助大學自動化專業《自動控制原理》《信號處理》《計算機控制技術》等專業課程的教學，成為本科生需要掌握的必不可少的編程語言之一[1]。然而，利用MATLAB語言輔助其他專業課程的教學，以解決其他專業課程傳統實驗耗時大、成本高等問題，其本身只是一種仿真實驗[2-5]，不滿足應用型教育要求。解決此問題的一種有效方法是在MATLAB語言教學過程中，不僅講解如何利用MATLAB語言輔助其他專業知識的仿真，而且講解解決如何利用MATLAB語言輔助其他專業知識解決實際問題。這樣，在其他專業課利用MATLAB語言仿真輔助教學時，學生可以輕松聯系上實際問題，避免出現學會但不會應用的問題?；诖耍P者在近幾年MATLAB的教學過程中，充分利用本身科研項目和學生競賽項目中存在的實際問題，采用案例教學法，培養學生利用MATLAB解決實際問題的能力，有效激發了學生的學習興趣，獲得了較好的教學效果。

1 案例教學舉例

傳統MATLAB語言教學一般遵循數據類型介紹、數值運算介紹、程序設計與函數編寫等步驟，循序漸進，能夠較好地向學生傳授MATLAB語言知識。但學生在學習過程中容易陷入只見樹木不見森林的境地，即能夠掌握所有編程細節和方法，但缺乏將所學知識整合在一起解決實際問題的能力。鑒于此，筆者在講述《MATLAB與控制系統仿真實踐》教材第4章MATLAB語言的程序設計的課堂中[6]，以電子羅盤數據分析與參數辨識為例，向學生展示MATLAB應用于實際問題求解和代碼編寫的整個過程。

2 電子羅盤數據分析與應用背景介紹

三軸電子羅盤可用于測量地球磁場方向，被廣泛應用于無人機的航向測量中。但是，由于電子羅盤安裝位置受到導磁物質和電流影響，使得測量受到常值干擾，另外三軸安裝也可能存在誤差需要補償，整個量測方程可由下式描述。

2.1 編程和調試

課堂教學中，可根據以上理論分析，現場一行一行MATLAB代碼實現。實現過程中可對MATLAB語言進行詳細講解，如while，if以及mean，std函數的用法介紹以完成教學任務。同時需注意與學生的互動，充分引領學生進入案例情景，理解程序實現流程，掌握實際問題求解步驟。三軸電子羅盤數據分析與參數辨識整體程序如下：

在編寫過程中，可以故意編錯或編寫不完整，從而引領學生調試程序，分析數據。如去掉while循環，則在分析數據時會發現有些點誤差較大，按照統計學理論可歸為疏忽誤差或人為誤差，需要去掉，從而引入while循環。

2.2 結果分析

運行以上程序，可得圖2和圖3結果。從中可以看出擬合誤差非常小，說明采用1.2所示方案是可行的。課堂中也可以通過work工作區間查看變量i、A、C以及std_error變量，向學生闡述結果的可靠性。

通過以上案例介紹，理論分析，編程實現以及結果分析可以看出，在講解案例過程中，不僅僅可以講述MATLAB編程語言，還可以讓學生了解運用MATLAB實現實際問題求解的整個過程，極大地促進了學生對理論指導實踐、實踐檢驗理論的認識，加深了學生對課堂知識的理解，培養了學生的實踐能力，滿足了應用型教育要求。

3 結論

該文針對應用型教育要求，在MATLAB教學過程中采用案例教學法，以三軸電子羅盤數據分析和參數辨識為例，在講述MATLAB編程語言的同時，通過實際問題理論介紹、MATLAB求解編程與調試、結果分析等步驟讓學生全面了解運用MATLAB求解實際問題的整個過程，極大地促進了學生對課堂知識的理解和實踐能力的提高。

參考文獻

[1] 王燕平.控制系統仿真與CAD[M].北京：機械工業出版社，2011.

[2] 李占英，張明君，于曉海，等.應用型人才培養的“自動控制原理”教學改革[J].中國電力教育，2013（7）：82-83.

[3] 姚芝鳳，徐鳳霞，于穎.控制系統CAD與仿真教學的案例教學模式[J].高師理科學刊，2013，33（3）：92-93.

[4] 彭金柱，劉燕.基于案例的控制系統輔助設計課程教學改革與實踐[J].科技創新導報，2013（31）：103-104.

[5] 馮肖亮，宋強，閆晶晶.“控制系統仿真與CAD”教學改革與探索[J].高教學刊，2015（19）：108-109.

[6] 趙廣元.MATLAB與控制系統仿真實踐[M].3版.北京航空航天大學出版社，2016.