淺談物理學(xué)師范專業(yè)的《Matlab應(yīng)用》課程教學(xué)改革

文 林，羅淞文，唐建軍

（1.重慶師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，重慶 401331；2.重慶市璧山中學(xué)校，重慶 402760；3.重慶市第十五中學(xué)，重慶 400330）

一、引言

為貫徹落實黨的十九大精神，國家開始開展普通高等學(xué)校師范類專業(yè)的認(rèn)證工作。此次師范類認(rèn)證的主體是專業(yè)，因此各專業(yè)及專業(yè)所在學(xué)院都高度重視。為了加強師范專業(yè)建設(shè)，優(yōu)化師范專業(yè)質(zhì)量保障體系，提高教師育人質(zhì)量和就業(yè)核心競爭力，師范專業(yè)的人才培養(yǎng)計劃需要做一些調(diào)整，與之相應(yīng)的專業(yè)課程設(shè)計也要做相應(yīng)的改革。在這一大背景下，結(jié)合我校物理學(xué)師范專業(yè)的課程開設(shè)及培養(yǎng)目標(biāo)，本文將探討我校物理學(xué)師范專業(yè)《Matlab應(yīng)用》課程的教學(xué)改革。

二、課程開設(shè)時間改革

《Matlab應(yīng)用》雖然是一門獨立的計算機軟件課程，但它與其他課程也有著千絲萬縷的聯(lián)系。《Matlab應(yīng)用》課程開設(shè)的前提條件是，要求學(xué)生具備高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)及計算機基礎(chǔ)等知識，因此許多理工科院校都將《Matlab應(yīng)用》課程開設(shè)在大二或大三。結(jié)合我校物理學(xué)師范專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)和課程開設(shè)方案，《Matlab應(yīng)用》課程開設(shè)時間為大一下學(xué)期。這種調(diào)整不僅能更好地為后續(xù)專業(yè)課程服務(wù)，而且也能為學(xué)生參加數(shù)學(xué)建模競賽、物理競賽和從事科學(xué)研究等科學(xué)計算和數(shù)據(jù)處理提供新手段。

三、教學(xué)內(nèi)容的改革

Matlab軟件功能十分強大，既為用戶提供諸如數(shù)值和符號計算、科學(xué)數(shù)據(jù)處理等基礎(chǔ)功能，也為用戶提供了控制和通信系統(tǒng)的設(shè)計與仿真、數(shù)字信號及圖像處理、財務(wù)與金融工程等功能。可以說，《Matlab應(yīng)用》是一門十分實用的課程。但不同專業(yè)對Matlab軟件的使用有不同的需求，尤其是結(jié)合我校物理學(xué)師范專業(yè)的課程開設(shè)與畢業(yè)生就業(yè)情況，對該課程的教學(xué)內(nèi)容提出了新的要求。

一方面，我校物理學(xué)師范專業(yè)開設(shè)的專業(yè)主干課程主要包括《量子力學(xué)》《數(shù)學(xué)物理方法》《熱力學(xué)統(tǒng)計物理》《概率論與數(shù)理統(tǒng)計》《電磁學(xué)》《光學(xué)》《力學(xué)》《原子物理學(xué)》《電動力學(xué)》《固體物理學(xué)》等，這些課程都涉及煩瑣的微積分、非線性代數(shù)方程及方程組求解、矩陣運算、微分方程及方程組求解等數(shù)學(xué)計算，學(xué)生往往因數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不扎實而拖累了這些課程的學(xué)習(xí)，導(dǎo)致部分學(xué)生在后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)中遇到較大的困難，喪失了學(xué)好物理學(xué)知識的信心。由于Matlab軟件在數(shù)值計算和符號計算等方面具有高效和便捷的處理能力，為用戶提供了許多函數(shù)工具庫，因此物理學(xué)師范專業(yè)的《Matlab應(yīng)用》課程教學(xué)內(nèi)容應(yīng)著重講解數(shù)值計算和符號計算方面的內(nèi)容，為學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)課過程中解決數(shù)學(xué)問題提供新手段。

另一方面，Matlab軟件也為用戶提供了功能強大的GUI工具，即圖形用戶界面。通過Matlab的GUI工具，可開發(fā)許多虛擬實驗平臺。如果學(xué)生掌握了GUI工具的使用，可用其模擬十分抽象的物理概念和復(fù)雜的物理過程。例如，在量子力學(xué)的學(xué)習(xí)中，學(xué)生可利用Matlab軟件搭建電子雙縫衍射、量子隧穿效應(yīng)、氫原子電子云和斯塔克效應(yīng)等虛擬演示平臺，幫助其理解相應(yīng)的物理概念和物理過程。又如，學(xué)生可利用Matlab軟件搭建一些簡單的中學(xué)物理模擬實驗，為今后的中學(xué)物理教學(xué)提供形象生動的手段。因此，針對我校物理學(xué)師范專業(yè)本科生，《Matlab應(yīng)用》課程也應(yīng)加強對GUI工具內(nèi)容的教學(xué)，而將通信和控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真等內(nèi)容留作學(xué)生課后自學(xué)，學(xué)生可按照自己的興趣和愛好，選擇自主學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

四、教學(xué)設(shè)計的改革

教學(xué)設(shè)計主要包括以教師教為主體的教學(xué)設(shè)計和以學(xué)生學(xué)為主體的教學(xué)設(shè)計。在《Matlab應(yīng)用》課程教學(xué)中，教學(xué)設(shè)計應(yīng)將二者有機結(jié)合起來，不僅要發(fā)揮教師主導(dǎo)教學(xué)的作用，而且也要充分體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)的教學(xué)體系，從而達(dá)到教學(xué)并重的教學(xué)設(shè)計理念。針對物理學(xué)專業(yè)的《Matlab應(yīng)用》課程教學(xué)設(shè)計，教師不能只以教會學(xué)生怎么用Matlab軟件為目的。例如在講解Matlab的一些函數(shù)功能時，不能僅告訴學(xué)生如何調(diào)用該函數(shù)，而且還要對這些函數(shù)的基本算法原理、使用條件和優(yōu)缺點等做出詳細(xì)的解釋。同時，學(xué)生在選擇參考書時，也應(yīng)盡量選擇偏重于物理應(yīng)用方面的Matlab參考書，如北京師范大學(xué)彭芳麟教授主編的《數(shù)學(xué)物理方程的Matlab解法與可視化》和鈔曦旭等教師主編的《Matlab及其在大學(xué)物理課程中的應(yīng)用》。總之，在物理學(xué)專業(yè)的《Matlab應(yīng)用》課程教學(xué)中，教學(xué)設(shè)計應(yīng)更偏重于應(yīng)用Matlab軟件解決常見物理問題，從而達(dá)到教學(xué)并重的目的。

五、教學(xué)手段的改革

在傳統(tǒng)的《Matlab應(yīng)用》教學(xué)中，教學(xué)過程大多以教師教、學(xué)生被動學(xué)習(xí)為主，結(jié)果導(dǎo)致學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)積極性。教師在講解該課程內(nèi)容時，除了給學(xué)生講解Matlab基礎(chǔ)知識外，應(yīng)注重提升學(xué)生的編程能力。因此，除了開設(shè)《Matlab應(yīng)用》的理論課程外，還應(yīng)開設(shè)上機實踐課程，學(xué)生通過上機實踐課程能很好地理解和掌握所學(xué)知識，有助于提升學(xué)生的實際動手編程能力。除此以外，在《Matlab應(yīng)用》的理論課上，教師應(yīng)該多進(jìn)行編程實例演示，并允許學(xué)生將筆記本電腦帶到課堂，一邊學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)知識，一邊進(jìn)行編程實踐，進(jìn)而提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，增強學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。

六、學(xué)生成績考核的改革

受條件的限制，以前《Matlab應(yīng)用》課程的考核大多以期末筆試為主，側(cè)重于理論基礎(chǔ)知識考核，對學(xué)生的實際編程能力不做任何要求。在這種考核模式下，學(xué)生在平時學(xué)習(xí)的過程中，大多通過死記硬背的方式來應(yīng)付課程考試，不利于提升學(xué)生的實際動手編程能力，造成學(xué)生不能靈活運用Matlab軟件。因此，除了利用期末筆試對學(xué)生的基礎(chǔ)知識進(jìn)行考核外，必須增加上機編程考試，加強考核學(xué)生的編程能力和解決實際問題的能力，避免期末試卷決定一切的局面。除期末考核以外，還應(yīng)加強對學(xué)生平時成績的考核，學(xué)期總評成績應(yīng)采取平時成績與期末成績相結(jié)合的方式。平時成績主要考核學(xué)生的出勤、課堂紀(jì)律和課后習(xí)題完成情況。課后習(xí)題應(yīng)以上機編程為主，除了參考教材的編程習(xí)題外，教師應(yīng)自擬一些與物理學(xué)相關(guān)的習(xí)題，提升學(xué)生編程能力的同時，也能幫助學(xué)生理解相關(guān)的物理知識，尤其是與教師科研課題相關(guān)的習(xí)題，還能激發(fā)學(xué)生的探索精神，培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣，提升學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識解決實際問題的實踐能力和創(chuàng)新能力。

七、教學(xué)師資的改革

《Matlab應(yīng)用》是一門交叉性和實踐性較強的課程，涉及計算機技術(shù)、數(shù)學(xué)理論知識以及諸多工程理論知識，因此《Matlab應(yīng)用》課程的教學(xué)，不僅要求教師能熟練地利用Matlab軟件編程，具備扎實的高等數(shù)學(xué)和線性代數(shù)基礎(chǔ)，還應(yīng)要求教師具有使用Matlab編程的豐富經(jīng)驗，這些都關(guān)系到課程目標(biāo)的實現(xiàn)和教學(xué)質(zhì)量的提高。針對物理學(xué)專業(yè)的《Matlab應(yīng)用》課程，應(yīng)選擇具有理論物理研究背景、長期使用Matlab軟件進(jìn)行物理計算的物理系教師來授課。這些教師由于長期從事理論物理研究工作，其研究課題涉及大量的數(shù)值和符號計算，再加上長期使用Matlab軟件作為編程計算平臺，具有豐富的Matlab編程經(jīng)驗，有利于將其良好的編程習(xí)慣傳授給學(xué)生，同時還能理論聯(lián)系實際，具體教授學(xué)生如何利用Matlab軟件解決實際物理問題，讓物理學(xué)專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)Matlab軟件時更加接地氣，也為學(xué)生后續(xù)物理課程學(xué)習(xí)奠定了一定的基礎(chǔ)。