MATLAB語言及應用課程的多元化立體化教學改革探析

徐國保

（廣東海洋大學 電子與信息工程學院，廣東 湛江 524088）

0 引 言

近年來，國內外大多數高校都在理工科專業開設MATLAB語言及應用課程，MATLAB語言已經成為本科生和研究生學習基礎課、專業課、科技競賽和畢業論文中最常用、最有效的工具之一[1]。國內很多高校教師對MATLAB語言在不同課程教學中的應用做了很多嘗試，取得一定的效果[2-6]。此外，很多高校教師對MATLAB語言及應用課程的教學方法、教學內容、教學模式、考核方式等方面進行研究和探討，也取得了一定的成效。文獻[7]研究MATLAB語言與應用課程教學設計；文獻[8]研究基于教學目標的MATLAB語言課程教學方法；文獻[9]研究MATLAB課程中的“引導式面向對象”教學法；文獻[10]探討任務驅動式教學法在MATLAB教學中的應用。

MATLAB語言及應用課程特點是學時少，教學內容多，實踐性強。教師如何在學時越來越少的情況下，讓學生盡可能多地掌握MATLAB語言的內容，利用MATLAB解決基礎課和專業課的學習問題，提高編程能力和解決實際問題的能力，是MATLAB語言課程教學改革面臨的迫切需要解決的問題。

1 MATLAB語言及應用課程教學現狀分析

現有MATLAB語言及應用課程的教學內容、教學手段、考核形式、教材和教學模式已不能適應應用型人才培養的計算機語言課程教學要求，MATLAB語言及應用課程教學主要存在4方面問題。

1）課程學時少。

隨著教育部對各個專業的總學時不斷壓縮，各高校MATLAB語言及應用課程的學時數大多為24～48，而且學時越來越少，如廣東海洋大學《2009級本科人才培養方案》中該課程是36學時，而《2017級本科人才培養方案》中該課程是24學時，學時壓縮了33.3%。

2）課程內容多。

MathWorks公司幾乎每年會推出1～2個MATLAB新的版本，功能越來越強大，軟件的功能覆蓋數學分析、數值計算、符號計算、優化分析、自動控制、系統仿真、信號處理、圖像處理、數理統計、人工神經網絡、人工智能、電力電子系統、通信工程、生物化學、金融系統等各個領域。隨著MATLAB功能不斷地完善和補充以及新工具箱的開發，MATLAB的課程內容也越來越多。

3）教學內容落后，教學手段單一。

MATLAB軟件更新非常快，該課程的教學內容明顯滯后于新技術的發展，教學手段仍是以傳統的多媒體教學為主，教學手段單一。

4）教材選用不合適。

目前市面上有很多MATLAB語言及應用課程的教材，但高水平的優秀教材很少，一般很難找到一本特別讓高校滿意的教材。

2 MATLAB語言及應用課程的多元化立體化教學改革措施

2.1 優化和更新教學內容

面對學分制改革，學時越來越少，MATLAB軟件功能越來越強大和完善，課程教學內容越來越多的矛盾，教師要根據不同專業的特點，在授課過程中優化和更新教學內容，篩選和提煉教學內容；教會學生使用MATLAB語言完備的強大的幫助系統功能，會使用help和look for 幫助函數以及在線幫助系統。lookfor函數可以幫助查找MATLAB庫里是否已有函數的功能；help函數可以幫助了解函數的功能、語法、參數說明，并給出具體例子；在線幫助系統可以讓學生全方位了解MATLAB幫助系統，找到自己感興趣的工具箱或者專業方向的例題，通過學習給出的問題幫助文檔，能快速了解MATLAB語言解決問題的具體用法。教師在每個章節講授完理論知識和MATLAB函數之后，要根據不同專業學生的背景，選取一定數量的解決本專業實際問題的例子進行講解，提高學生分析和解決實際問題的能力。另外，在MATLAB語言基本內容講解完后，要結合不同專業背景，選取MATLAB在不同專業應用內容進行講解，構建任務驅動、問題導向為基礎的新型課程知識體系，提高學生實際動手能力，達到培養應用型人才的目的。

2.2 編寫和修訂適合的MATLAB語言及應用教材

目前市面上各個出版社出版的MATLAB語言教材很多，很多教材僅僅是介紹MATLAB的語法和基本知識，很少涉及專業的應用，因此，高水平的獲得認可的優秀教材很少。結合豐富的教學經驗，筆者主編的《MATLAB/Simulink實用教程：編程、仿真及電子信息學科應用》教材在清華大學出版社出版，深入淺出地介紹MATLAB語言的基礎知識以及MATLAB在電子信息處理、控制系統和通信系統中的應用，書中還專門設計了10個MATLAB基本實驗，便于學生學習和實踐。全書以最新MATLAB 2016a版本介紹其基本功能和應用，注重電子信息類相關學科領域相結合，突出應用，內容涉及較廣，滿足一般用戶使用的各種功能。本書編排邏輯結構合理，先基礎后應用，先理論后實驗，循序漸進，全書內容共分為11章，包括MATLAB語言概述、矩陣及其運算、程序設計、數值計算、符號計算、繪圖及圖像處理基礎、Simulink仿真、MATLAB在電子信息處理中應用、MATLAB在控制系統中應用、MATLAB在通信系統中應用和MATLAB實驗。本書尤其適合作為電子信息工程、通信工程、自動化、電氣工程及其自動化等電子信息類各專業本科生或者研究生的教學用書。

2.3 構建和完善MATLAB語言及應用精品資源共享課程網站

為了學生學習MATLAB語言，共享課程建設的成果，構建和完善MATLAB語言及應用精品資源共享課程網站是非常有必要的。網站內容主要分為教學資源展示模塊、互動交流模塊、作業模塊和考試系統模塊。教學資源模塊主要是展示該課程的相關教學資源，如課程簡介、課程目標、授課對象、課程實驗指導、課程教學視頻和課程公告。網站界面美觀，內容豐富，功能較為齊全，其網址為http：//210.38.137.11：10086/MatlabCourse/。

2.4 制作完善課程的多媒體課件

考慮到MATLAB軟件的函數、程序代碼、幫助文件信息等都是英文字母，課件盡量用英文，少用中文制作，盡量用英文表述例題，以便學生更快、更容易地使用MATLAB軟件。課件中示例的程序代碼要晚一會兒顯示出來，給學生留出思考的時間，然后，教師在黑板上給學生重點講解關鍵函數的使用技巧和注意事項，通過MATLAB軟件，實時演示程序代碼，這樣更能激發學生學習MATLAB語言的積極性。

為了調動學生的學習興趣，在制作MATLAB語言第一次課件時，可以重點介紹MATLAB軟件的作用。通過舉例介紹相關專業課程中的經典仿真案例，如求解矩陣方程的解、符號運算、用MATLAB繪制同個坐標軸下不同曲線、Simulink仿真、MATLAB軟件自帶的Demo 和 Example等，并演示每個例題的實驗結果，給學生直觀地展示MATLAB軟件強大的功能，簡單易學等特性。另外，還可以簡單講解教師在該領域的相關研究，如筆者在課堂上向學生展示自己在碩士論文中用MATLAB編程實現數字水印算法的思路，以及演示算法結果；在博士論文中用MATLAB編程實現機器人視覺導航里的道理分隔和邊緣檢測算法的思想，以及演示算法的結果。考慮到大一和大二學生還未開始學習專業課程，缺乏對專業知識的認識，課件在介紹實際例子和仿真案例時不宜過細，應以簡單介紹原理和思路、重點演示結果為主，讓學生知道MATLAB語言對今后課程學習和專業實際問題解決的重要性，激發學生學習MATLAB的興趣。

課件按照章節進行制作，給出本章的內容提綱、重點、難點、作業等信息，以便學生預習和復習。在介紹完基本內容和常用函數后，每章課件還要結合學生的專業，介紹相應的實際問題，講解具體代碼，演示結果，提高學生學習MATLAB語言的積極性，增強學生應用MATLAB解決實際問題的能力。最后一次課件中，重點講解MATLAB語言解決本專業的課程學習問題和專業的科學問題，讓學生知道MATLAB語言可以用于今后學習專業課和解決專業的科學問題。

2.5 改革和創新教學方法和考核方式

MATLAB語言及應用課程的理論教學可以采用多媒體授課為主、板書為輔的授課模式。教師要在黑板上推導一些簡單的數學公式，這樣有助于培養學生的邏輯思維和邏輯推理能力。授課地點應在實驗室電腦機房里進行，這樣學生可以在教師講解MATLAB函數時，在自己電腦的MATLAB環境上調用函數，查看函數幫助文件，更容易、更直觀地學習和掌握MATLAB函數的使用技巧；另外可以通過實驗室管理軟件，同步廣播和傳送文件，在教師講解完例題后，學生可以在電腦里運行例題程序代碼，很直觀地看到例題的結果，激發學習MATLAB語言的興趣，提高學習效果。

課堂上教師可以使用實例教學法，如圖1所示，根據學生專業方向，多引入實例。首先，教師提出實際問題，讓學生思考；然后在黑板上畫出程序流程圖，給出MATLAB程序代碼；最后，對程序代碼進行詳細講解，演示程序運行結果，總結歸納。這種實例教學模式既能提高學生的學習興趣和學習效率，又能培養學生分析和思考問題的能力。

圖1 MATLAB實例教學模式

MATLAB語言及應用課程的考核可以采用編程和大論文相結合的形式，讓學生結合專業背景和感興趣的問題，利用MATLAB語言編程實現，完成一份大論文。論文內容包括問題描述、理論分析、程序代碼、程序結果及分析、學習體會及建議和參考文獻。注重過程考核，平時考核采用多種途徑，包括課程實驗（上機）、小測驗、作業、課堂討論等。課程考核內容和考核方式的改革能夠體現學生知識、能力和綜合素質的整體考核。

3 MATLAB語言及應用的多元化立體化教學改革實踐及評價

廣東海洋大學在電子信息工程、通信工程、自動化和電氣工程及其自動化4個專業2016級和2017級的MATLAB語言及應用課程中進行課程改革實踐，學生反饋的意見整體不錯，理論聯系實際緊密，教材使用效果好。2016級電子信息工程專業6個班190名學生對MATLAB語言及應用課程的評價成績是93.461，學生對教師上課效果和教學改革模式是充分認可的。

據不完全統計，MATLAB語言及應用教材出版不到一年時間，全國已經有沈陽工業大學、貴州大學、南華大學、江漢大學、湖南工程學院、廣東第二師范學院、西南科技大學、北京建筑大學、吉林工程技術師范學院等10多個本科院校選用，并得到相關院校的師生認可。此外，我們構建的MATLAB語言及應用精品資源共享課程網站和MATLAB語言及應用多媒體課件可以供校內外學習MATLAB語言的師生隨時隨地學習使用，用戶使用后評價較好。

4 結 語

基于多年使用MATLAB軟件和教授MATLAB語言課程的經驗，提出的MATLAB語言及應用課程的多元化立體化教學改革措施，在廣東海洋大學電子信息工程、通信工程、自動化、電氣工程及其自動化4個專業試用和實踐取得了較好的成效，下一步可以繼續完善，推廣到更多高校使用。