MATLAB課程教學模式改革探索

范羚

摘 要 Matlab是本科教學和學習中較為重要的仿真軟件之一，也是一門實踐性較強的學科。為提高教學效果，培養學生解決實際問題的能力，更好的與實際應用接軌，提出將Matlab編程與相關課程結合，進行Matlab模塊化教學模式和分級實驗的改革和探討。實踐證明，這種綜合性教學模式有效的提高了學生的學習積極性，收到了較好的教學效果。

關鍵詞 Matlab 模塊化教學 分級實驗 教學方法

中圖分類號：G712 文獻標識碼：A

1存在問題

Matlab是目前國際上應用較廣泛的科學與工程類計算軟件，也是本科教學中理工科學生較為重要的一門基礎工具課?，F在，在我國各大高校中，Matlab已經成為大學生必須掌握的基本技能之一，人工智能，神經網絡的學習更是離不開Matlab的仿真和驗證。如何讓Matlab技能課程的特點得到充分發揮，并區別于我系其他電子信息類專業課程，成為我系本科教學改革的主要內容之一。所謂技能課程，應該將實際應用放在首位，以提高學生的實際編程應用能力為主，而相關課程的理論學習可以為輔，或安排在高年段進行系統的理論學習。如大學生計算機基礎，C語言等課程在我國多數高校中，已均在大一或大二完成教學，為學生后續相關課程的學習打下計算機及編程基礎。因此，本次改革旨在提高Matlab課程的實用性，更好發揮其技能課的優勢，輔助學生其他課程的學習。

目前，我系Matlab課程的教學安排較后，主要作為高年段學生的選修課程開設，而大部分與之關聯的課程，如“信號與系統”，“數字信號處理”，“圖像處理”，“語音信號處理”等均在大二或大三進行教學，這些課程理論性相對較強，學生缺少實際應用，對課程掌握深度不夠。如何利用Matlab強大的矩陣處理與科學計算功能，幫助學生更深入掌握這些課程的理論知識，且利用Matlab中相關函數進行實際演示，便成為此次Matlab教學探討的主要內容。本次教學改革將Matlab課程提前至第3學期開課，超前于數字信號處理，語音信號處理等課程，在學生學習完高等數學，線性代數的基礎上，便進行Matlab軟件的編程學習，讓學生先學會用工具解決問題，再慢慢領會各種函數的編程原理，以突出Matlab技能課程的特點。

2課程改革的主要內容

針對Matlab課程的這些特點，本次教學改革的內容主要包括以下幾個方面：

2.1適當提前Matlab課程教學學期

將Matlab課程開課學期提前至第3學期進行，更好的與“信號與系統”，“數字信號處理”及“語音信號處理”等課程相結合。第3學期的“信號與系統”課程中，涉及的傅里葉變換，拉普拉斯變換和z變換等理論，均可利用Matlab強大的編程能力進行編程和仿真。若將Matlab課程提前，可更好地將Matlab編程和相關的信號與系統理論相結合，讓學生更深入理解傅里葉變換，拉普拉斯變換和z變換的原理，并將枯燥的理論公式，用形象具體的二維圖像進行顯示和處理，同時也可提高學生Matlab編程的能力。

2.2以模塊化和分級實驗為主進行教學方法改革

該課程在我系的教學計劃中，理論學時為16學時，分別講述Matlab的常用窗口和文件管理，數值計算，符號計算，可視化和圖形用戶界面（GUI）設計，及Matlab綜合程序設計五大內容，并配以16學時的實驗課。在實驗課中以教材的這5個獨立章節為基礎，分別設計完成5個獨立的實驗，以教師指定實驗題目為主，且大部分屬于編程驗證型實驗，5個實驗間并沒有明顯的相關性，也缺少和電子信息類其他課程的關聯，絕大多數實驗內容用獨立的語句即可編程實現，學生自主發揮的余地較少。這樣的實驗設計雖然可以讓學生掌握Matlab的基本編程原理，但與其他課程的關聯性較小，獨立的綜合型實驗較少，學生缺少主動創新性設計，較難區分學生思維及編程能力的高低。

因此提出以模塊化為主的教學方法改革，旨在增強學生的學習興趣和獨立創新的能力，給不同學習程度的學生不同的發揮空間，盡可能做到因材施教。在理論課時中，除按教材給定的章節進行講解外，注重與電子信息類相關課程進行適當結合，讓學生體會到課程的連貫性和相互結合性，再配以相關實驗進行輔助學習，以提高學生對課程的理解和運用能力。

在Matlab符號計算和數值計算兩章中，將“Matlab”與“線性代數”結合，完成第一模塊“Matlab在線性代數中的應用”實驗，具體可設計線性代數方程的求解，方程特征值和特征向量的求解，多項式的擬合和插值等實驗內容，屬于基礎驗證型實驗，旨在讓學生熟悉Matlab的基本編程思路和編程模式，學習獨立調試程序的方法。

在Matlab計算可視化和GUI設計章節中，將“Matlab”與“信號與系統”結合，完成第二模塊“Matlab在信號處理中的應用”實驗。該模塊將結合信號與系統中的三大重要變換：傅里葉變換，拉普拉斯變換和z變換，分別選取時間域，頻率域，S域和Z域為主要研究對象，對相關函數fft（），ifft（），laplace（），ilaplace（），ztrans（），iztrans（）等進行詳細分析，并結合Matlab的可視化工具，利用GUI進行用戶圖形界面編程，設計完成一個可以和信號與系統課程相結合的輔助學習平臺，加深學生對三大主要變換的理解，并在完成的用戶圖形界面中，分別對時域信號，頻域信號，s域和z域信號進行展示。學生不僅可以掌握Matlab的可視化編程方法，更將信號與系統的課程進行了滲透，增強了課程間的相互關聯性，提高了學生學習興趣。

在Matlab程序設計章節中，根據教材內容，主要講解Matlab程序設計中的流程控制，M函數文件和腳本文件的編程，函數調用和參數傳遞等高級編程方法。在此基礎上，完成第三模塊“Matlab在圖像處理中的應用”實驗。此前第二模塊實驗以處理一維信號為主，因此在第三模塊實驗中，以處理二維圖像信號為主，將實驗進行進一步提升。該模塊實驗以M函數文件和腳本文件編程為主，通過圖像的打開，讀取，變換，顯示和保存等步驟，進一步強化Matlab的編程思路，培養學生嚴謹認真的編程習慣和編程風格。該模塊實驗分級進行，基礎模塊中主要實現數字圖像處理的一些基本操作，如利用直方圖完成圖像的統計特性分析，利用點運算和代數運算完成圖像的偽色彩處理和圖像融合，根據圖像時頻變換的特點，完成二維圖像的傅里葉變換和離散余弦變換等，并結合第二模塊中的GUI設計完成基于數字圖像處理的圖形用戶界面設計；提高模塊中，設計一些較復雜的圖像處理課題進行實驗，如在學習圖像處理的相關基礎理論后，進行圖像分割，圖像邊緣檢測等綜合型開放型實驗，充分發揮學生的主動性，進行自主的多元化編程探索。實驗過程中，教師將對編程過程中用到的理論知識進行講解和指導，具體的實現步驟和處理過程則交由學生自主設計，以此來調動學生的學習積極性和自主創新的能力。

3總結

本次Matlab課程教學改革提出以模塊化為基本教學手段的改革思路。在我系之前的教學安排中，Matlab課程理論課部分全部按教材的章節順序進行授課，實驗課程安排在理論課程全部結束之后，以各章節內容為依托，設計相關5個實驗，但各實驗間并無明顯的相互聯系和提高。此次教學模式探索，將在理論部分適當引入相關課程，如信號與系統，語音信號處理，圖像處理等的基礎知識，并結合高等數學，信號與系統，圖像處理三大模塊進行實驗，將原來獨立的驗證型實驗提升為設計型，綜合型實驗，同時也增加了各模塊間的相互關聯性。第一模塊以Matlab在線性代數中的應用為主，進行一些多項式的變換，線性方程的求解等，旨在讓學生熟悉Matlab的編程思路和編程方法；第二模塊將Matlab和信號與系統課程結合，以一維信號變換為主，并進行相關GUI設計；在此基礎上，進行第三模塊設計，對二維圖像進行變換編程，進一步提高學生的動手能力。在第三模塊中，我們還將進行學生分級實驗的改革，基礎模塊中進行圖像處理的初級操作，提升模塊中，完成較復雜的圖像處理，如圖像分割，邊緣檢測算法的實現等，并為后期的畢業設計課題做準備，以此做到因材施教。但此部分實驗設計較難，需根據學生的學習水平進行實時調整和指導，課題需具備一定難度，但又必須在學生可以完成的范圍內，不能超出。因此，需要教師對學生的學習情況進行綜合了解，全面掌握學生的學習能力。

總之，如何根據Matlab語言的特點，進行有針對性的教學，是培養電子信息類應用型、創新型人才的一個重要任務。實踐證明，根據Matlab課程特點提出的模塊化教學改革，及分級型實驗較好的結合了我系學生的具體實際，增加了學生學習的積極性和Matlab課程教學的實際效果。

基金項目：本文系“廈門工學院教學改革項目”（項目編號：JG2018017）的研究成果。

參考文獻

[1] 張興莉，劉勇.《MATLAB語言》課程教學過程改革的研究[J].科技創新導報，2018，15 （18）：208-209.

[2] 何海浪，林峰，黃乘順.基于Matlab的《信號與系統》課程教學改革[J].教育教學論壇，2018（31）：119-120.