MATLAB GUI工具箱在數理統計教學中的應用

李亞軍

摘要：通過針對MATLAB可視化功能的設計出數理統計工具箱，使得目前數理統計課程中繁瑣的MATLAB演示得以替代。該設工具箱界面友好，可交互信息充足，可以將數理統計中常用方法的計算結果直觀簡單地顯示出來，便于課堂演示與應用。同時，通過實際教學例子展示了數理統計工具箱的具體運用過程，顯示其簡單易用的教學效果。

關鍵詞：MATLAB GUI;數理統計;可視化;信息交互;教學

數理統計是具有廣泛應用的一個數學分支，它以概率論為理論基礎，根據試驗或觀察得到的數據來研究隨機現象，從而對研究對象的客觀規律做出種種合理的估計和判斷。作為研究隨機變量及其相互之間依賴關系內在規律的一門科學，它在自然科學、社會科學、人文科學等各個領域都有著廣泛的運用，并取得了許多卓有成效的應用成果。數理統計分析已經成為進行科學研究、數據分析必不可少的重要方法與工具。在數理統計的教學中既要注重學生的理論基礎和解題方法的掌握，更應提高學生運用matlab等數學軟件解決實際問題的能力。

如今隨著數學軟件Matlab越來越成熟，學好數理統計就不僅僅是熟練的掌握其解題方法，更重要的是能夠運用現有的軟件進行龐大數據的處理。通常要解決一個問題要處理的數據是非常多的，靠手工計算根本不可能完成，更多的是借助現有的數學軟件進行數據處理。所以，在數理統計的教學中不應該只是注重學生的理論基礎和解題方法的掌握，更應提高學生運用軟件來解決數學問題的意識。基于Matlab的數理統計教學演示課件的研發，正是著手于彌補課堂教學中單一的使用PPT向學生講授繁重的手工解題方法，而無法領會運用數學軟件直接解題的方便之處這一缺憾。

在現在的教學中，直接使用Matlab進行教學演示比較繁瑣，如果我們能夠研發出一種基于Matlab的數理統計教學課件，它是一種界面簡潔，結果顯示良好的用戶自定義界面，能夠很方便的調用像處理非參數估計、假設檢驗、方差分析、回歸分析等問題的應用程序，并且能夠在短時間內得出結果。本課題正是在著手解決上課直接運用Matlab主界面進行教學演示太過于繁瑣這一缺憾，擬研發一種基于Matlab的數理統計教學課件，利用Matlab的圖像處理和可視化功能，設計一種界面簡潔，結果顯示良好的用戶自定義界面，使教學活動中能夠方便而且快捷的處理與演示數理統計中各類問題，并且比較直觀的顯示結果，這對于提升學生的學習興趣和教學效率的提高都有一定的意義。

1圖形界面

MATLAB圖形用戶界面是一個由對象（Object）組成的用戶界面，例如窗口，光標，按鈕，菜單和文本描述。用戶通過某種方法（例如鼠標或鍵盤）選擇并激活這些圖形對象，從而使計算機產生某些動作或更改，例如計算，繪圖等。圖形用戶界面具有以下三個基本元素。

1.1組件

MATLAB GUI中的每個項目（例如按鈕，標簽，編輯框等）都是圖形組件。組件可分為3類：圖形控件（例如按鈕，編輯框，列表，滾動條等），靜態元素（例如窗口和文本字符串），菜單和坐標系。圖形控件和靜態元素具有uicontrol功能。菜單由功能uimenu和uicontextmenu創建。坐標系通常用于顯示圖形數據，并由函數axes創建創建。

1.2圖形窗口

GUI的每個組件必須布置在圖像窗口中。繪制數據圖像時，通常會自動創建圖像窗口。但是，也可以使用圖形創建空的圖像窗口，這些窗口通常用于防止和控制各種類型的組件。1.3回應

如果用戶單擊鼠標或使用鍵盤輸入一些信息，則該程序必須相應地執行操作。鼠標單擊或輸入信息是一個事件。如果MATLAB程序運行相應的函數，則MATLAB函數肯定會響應。如果用戶單擊按鈕，則此事件將不可避免地導致執行相應的MATLAB語句。這些相應的句子稱為響應。只要執行了GUI的單個圖形組件，就必須有響應。GUIDE開發環境是MATLAB提供的圖形界面集成設計和開發環境，供GUI編程用戶設計程序界面和編寫程序功能核心。在MATLAB主界面中，選擇File菜單的New子菜單下的GUI項目，以打開GUIDE啟動對話框，如圖1所示。用戶可以創建新的GUI程序或打開現有的GUI程序。從圖1可以看出，在創建新的GUI程序時可以使用四個不同的GUIDE模板。選擇空白的GUI將打開空白的GUIDE設計界面。在GUIDE設計界面下，用戶可以通過單擊并拖動鼠標來創建自己的GUI程序界面。

2交互型數理統計工具箱的程序組成

針對課堂教學和軟件實踐的實際需求，使用MATLAB軟件的圖形用戶界面（GUI）開發了一組交互式數學統計工具箱。工具箱的程序集包含23個程序文件，包括參數估計，假設檢驗，方差分析和回歸分析。工具箱的基本結構如圖2所示，假設檢驗工具箱的界面的屏幕截圖如圖3所示。

3應用實例分析

基于Matlab的數理統計工具箱，可以解決課堂教學中單一的使用PPT向學生講授手工解題方法的繁瑣過程，運用數學軟件直接解題的便捷可以激發學生學習與運用數學軟件的熱情，提高課堂教學的效果。下面通過實例3種不同的求解方式展示數理統計工具箱在教學中的應用情況，

例1（矩估計）設某原料的凈重服從 ，現隨機抽取12袋，測得數據如下：

232.5，232.48，232.15，232.53，232.45，232.30，232.48，232.05，232.45，232.60，232.47，232.30（單位克），試用矩估計法估計測量值的均值

4結語

采用matlab GUI界面進行設計編程，將數理統計中的參數估計、假設檢驗、方差分析、回歸分析進行整合，建立友好的輸入輸出界面，設計實現了具有可視化、交互性能的數理統計軟件包，該軟件使用簡單，操作方便，顯示友善，交互能力更強。通過對3種不同類型問題的求解方法進行比較表明，在教學中借助MATLAB軟件開發的數理統計工具箱，不僅使學生對數理統計課程中的相關概念和方法加深了印象，而且利用MATLAB GUI改變了傳統教學中的枯燥、繁瑣的局面，提高了課堂效率，激發了同學們的興趣，是彌補概率統計理論知識教學不足的有效途徑，可進一步提高學生的綜合素質。

參考文獻：

[1]黃堅，劉德光.概率論與數理統計[M].科學出版社，2010.

[2]孟晗.概率論與數理統計[M].同濟大學出版社，2010.

[3]常振海，劉薇，王丙參.概率統計計算及其MATLAB實現[M]，西南交通大學出版社，2015.