面向新工科的Matlab課程教學改革與探索

韓凌波 李曉玉 石麗梅

摘? 要： 在新工科建設背景下，以通信工程專業“Matlab語言及應用”課程為例，分析了當前課程教學和考核方面存在的問題，從教學內容、模式和方法等方面進行改革和探索，提出了以學生為中心的多維教學模式，突出專業特色，促進科教融合，實行多元化考核，提升教學效果和質量，有助于培養學生創新思維、工程實踐水平和科學問題研究能力。

關鍵詞： Matlab；新工科；通信工程；教學改革

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

一、引言

為響應國家制造強國戰略，應對新一輪科技革命與產業變革，支撐創新驅動發展，教育部積極推進新工科建設，先后發布多個通知，探索中國工程教育新模式，助力教育強國建設。新工科教育是落實立德樹人根本任務和創新人才培養的重要途徑，是中國高等教育改革的重要方向和必然選擇[1]。

該文以通信工程專業的Matlab為例，探討了將新工科教育理念與課程教學相結合的改革模式。針對通信工程專業“Matlab語言及應用”課程教學存在問題，提出優化和改革方案，包括優化教學內容、促進科教融合、改進教學模式和考核評價方法，旨在通過強化學習課程基礎概念和專業技能，提升學生分析、研究和解決問題的能力，培養學生科學態度和創新思維，以滿足新工科背景下人才培養需求。

二、課程現狀

本專業“Matlab語言及應用”課程開設在大二第一學期，課程性質為專業任選，總學時為32，其中理論4學時，實驗（專題輔導）28學時。通過課程學習，學生可以掌握Matlab的基本數據類型、矩陣運算、三種程序結構、腳本和函數文件、數值和符號運算、數據可視化、程序編寫等基本知識，為后續課程學習、工程設計和科學研究打下基礎。

課程主要采用課堂講授和學生上機操作相結合的教學方式。在實際教學過程中，對關鍵知識點采用語法描述、編程分析和實例展示等方法。課程考核方式：期末編程作業或論文70%，平時成績20%（課后作業、課堂表現等），實驗成績10%。

三、存在問題

當前課程教學采用課堂講授為主，在規定的教學時間內完成大綱要求的教學內容。這種傳統的教學方式，難以滿足新工科創新通融人才培養要求[2]。圖1給出了當前課程教學現狀及存在問題。

（一）教學模式程式化

當前的教學模式，注重按照既定的教學計劃和大綱要求，按部就班地進行，缺乏靈活性和創造性。這種程式化的教學往往過于關注知識傳授，忽略了個體的學習感受和需求，過于強調教學過程，忽視教學質量。教師在課堂上注重知識傳授，學生無法長時間跟上教師思路，且理工科課程的內容本身缺乏思辨要素，師生之間互動不多或流于形式，學生處于被動接收知識的狀態，學生的主動性和參與性沒有得到充分調動。

（二）學習積極性不高

目前Matlab課程為專業選修課，大多數學生選擇該課程的目的是為完成專業學分，僅有小部分是為將來的從事科研做準備。這種情況導致學生的學習積極性不高。其次，該課程的先修課程是高等數學、線性代數等數學類課程，對學生的數學基礎要求較高，而數學類課程往往是學生的弱項。此外，學生在學習過程中，往往眼高手低，簡單的不去動手，復雜的又畏首畏尾，不愿積極主動思考，缺乏進取心、創造性和探索精神。

（三）教研融合不足

當前Matlab的課程教學側重點在于教，主要教學內容是基礎的數據類型、操作方法、語法結構、函數使用、數值計算等內容，案例教學也主要展示代表性或經典案例，在引導學生使用Matlab知識解決和探索開放性的、前沿的、創新性或挑戰性科學問題方面還相對欠缺，沒有開拓性的嘗試、明確策略和具體方法[3]。此外，本科生的學習任務重點在于基礎知識學習，對科學研究認識不足，參與科研活動較少，對科學研究的意識淡薄。

（四）考核效果不全面

當前課程考核主要包括：期末編程作業或論文，平時測驗和作業，以及實驗報告。期末編程和論文為開放性題目，學生自行選取專業相關的問題，使用Matlab進行建模、編程和分析，雖然學生大都可以按時提交自己的實驗代碼和論文，但是無法保證這些都是由本人獨立完成，無法準確反映學生真實的完成情況。平時測驗可能存在只注重知識點的記憶，而忽略了實際應用能力的考查，平時作業和實驗報告也存在千篇一律，無法真正檢視和驗證學習效果，考核結果不全面。

四、課程教學改革方向

Matlab課程改革應圍繞新工科人才培養的核心理念，以提高學生工程實踐和創新能力，服務國家制造強國戰略為目標，結合通信工程的專業特色，從以下四個方面進行改革和探索，改革思路如圖2所示。

（一）以學生為中心，構建多維教學模式

以學生為中心的多維教學模式強調尊重學生的個性差異和主體地位，從多個維度激勵和啟發學生思考，培養學生問題分析、概括、判斷和遷移能力，更好地滿足學生多樣學習需求，促使學生積極參與教學過程，提高學習效果[4]。

實行任務驅動的小組討論，各組定期匯報學習成果。在教學過程中適當引入任務分組討論，教師將一些重點難點問題或任務提前分配給各小組，鼓勵各小組成員合理分工，利用課余時間一起查閱資料，分析和解決問題。在課堂上，各小組需要向教師和其他小組匯報問題的解決方案，同時接受人員提問，并由匯報小組代表進行解答。最后，教師會對學生的表現進行點評和總結。這種任務驅動和小

組討論相結合的模式，可以促使學生參與Matlab相關知識學習和討論，提高學生團隊協作和解決問題的能力。小組成員要合理搭配，討論過程要提供必要的引導，確保人人都有發言機會，評價總結要以肯定和鼓勵為主，同時也要指出問題和不足之處，引導學生深入思考和交流，加深問題理解。

角色互換，引入翻轉課堂，挖掘學生自主學習潛能。在傳統的課程講授過程中，挑選部分重要章節或知識點，以翻轉課堂的形式完成。教師將課程的基礎知識、編程技巧或特定任務制作成視頻、電子書、在線課程等形式，或通過B站、中國大學MOOC（大規模開放在線課程）、慕課網等在線知識平臺，讓學生在課前用自己擅長的方式自習，完成規定的學習內容。教師在課堂上組織學生對預習成果進行深入交流，講述遇到的問題或困惑，以及學習體會和問題解決辦法，并針對一些具體問題展開討論，其間教師適時給予引導和解答，并根據學生的課堂表現、任務完成和問題解決等情況給出綜合評價，鼓勵學生不斷提高自習水平和問題解決的能力。翻轉課堂可在一定程度上提高Matlab課程的教學效果，促使學生參與到學習過程中，提高學生自習能力和學習效果[5]。

采用豐富多樣的教學形式，實現多元化教學。除了翻轉課堂和小組討論的形式，還可以采取知識競賽、思維導圖、問題探究式、實踐訓練式等多種教學形式。知識競賽可以加深學生對知識點的記憶，而思維導圖則可以利用思維導圖工具，將復雜的知識體系簡化為易于理解的可視化圖表，便于歸納總結和記憶。問題探究式則是教師引導學生提出問題，在教師組織指導下，學生獨立自主地開展探索和研究活動，求解問題答案，獲得新知識，掌握新方法。實踐訓練主要是以學生為主體，通過課內外的練習、實驗、實習、實踐等活動，培養學生解決實際問題的能力。

（二）優化課程內容，突出專業通信特色

從學科體系和專業特色建設的角度出發，在現有內容基礎上增加海洋通信相關課程的知識，加深學生對海洋通信知識的理解。例如，可以使用Matlab的通信仿真工具箱，構建各種通信系統模型，包括深海通信、遠洋通信和衛星通信系統等；使用無線通信工具箱設計和分析無線通信系統，模擬各類無線通信系統的信號處理、調制解調、組網和干擾管理等；使用數字信號處理工具箱對數字信號進行處理和分析，執行數字濾波、頻譜分析和信號檢測等。

充分考慮Matlab與其他課程之間的銜接性，將Matlab課程的知識背景和其他課程的應用方向聯系起來，幫助學生理解Matlab在解決實際問題中的價值和潛力。在制定課程教學目標時，明確Matlab與其他課程之間的聯系和區別，合理安排教學計劃，確保各門課程的時間安排合理有序；各門課程統一制定教學大綱，根據教學進度安排教學內容，使得各門課程的教學內容能夠有效銜接、相互補充，相得益彰；合理安排實驗教學內容，使得學生能夠通過實驗操作加深對其他課程的理論知識的理解和掌握，同時也有利于加強課程之間的聯系。

保持課程內容的先進性，持續引入科技前沿和創新內容。要使Matlab課程內容具備先進性，需要不斷更新和改進課程的內容，反映相關領域的最新進展和發展趨勢。適當引入深度學習和人工智能方面的內容，嘗試使用Matlab進行機器學習、神經網絡建模和深度學習任務；增加使用Matlab對大數據進行分析和處理的案例，包括數據清洗、可視化和高級分析技術；提供Matlab在云計算和分布式計算中的應用示例，包括如何處理大規模數據和運行并行計算任務。

（三）科教融合，培養學生科研素養

在教學過程中，引導學生探究科學問題，融入科研元素[3]。在授課過程中，教師可以結合自己的科研經驗和實踐，將當下研究熱點和先進案例引入到課堂中，讓學生使用Matlab進行問題分析和科學研究，拓寬學生視野，激發創新和科研思維。教師還可以根據課程內容和學生興趣，引導學生開展特定主題的課題研究和討論，讓學生了解科研的基本流程和方法，培養學生的團隊協作和科研能力。

將Matlab課程融入通信領域相關前沿科學問題的研究中，讓學生使用Matlab工具和專業知識自由探索，能夠找到通信前沿熱點問題，合理分析問題，并能夠嘗試給出問題的解決方案。當前課程教學要與本專業各研究團隊之間搭建一個橋梁，或共同搭建一個科教平臺，為有意向參與科研工作的本科生提供一個機會，共享科研資源，為學生技能創新、自主科研和實踐能力的提升創造條件。

Matlab是各類科技競賽最常用軟件，鼓勵學生參加各種科技競賽。參與競賽可以增強學生的Matlab知識理解、技能運用和綜合素質。將課程教學內容合理劃分為不同的模塊，各模塊側重不同的知識點，各模塊之間又相互聯系，以便教師為學生參加不同類型的科技競賽提供精確指導。可以將歷年競賽的例題引入課程教學，讓學生利用Matlab知識和工具進行解答，感受Matlab軟件強大的工程能力，有效激發學生的科研熱情和積極性。

（四）完善考核制度，采取多元化全過程考核

期末考核形式比較單一，可以結合采用項目式、論文或研究報告，或者實際應用場景考核等形式。除了現在的期末大作業，教師可以額外布置一些Matlab實際應用項目，讓學生以小組的形式分析、設計和實現，更好地考查學生的實踐能力、團隊協作和問題解決能力；可以指定一些專業相關的熱門領域或研究熱點的參考文獻，要求學生提交一篇學術論文或研究報告，以考查其使用Matlab知識和工具進行文獻閱讀和學術研究能力；還可以基于實際應用場景進行考核，讓學生使用Matlab知識解決一個實際應用場景下的問題或實現某個具體功能，以更好地考查學生的實際問題解決能力。

平時考核應該貫穿整個學習過程，除了平時作業和實驗報告，可以采用小組互評、隨堂抽檢、口頭匯報等考核形式作為補充。在日常教學過程中，教師將學生分成若干小組，每個小組進行相互評價，最后由教師根據小組表現和互評情況給出綜合評價。隨堂抽檢是在課堂上隨機抽取部分學生進行檢查，考查他們對課堂內容的掌握情況。口頭匯報是指教師不定期指定部分學生就某一個知識點進行當面口頭匯報，并根據匯報情況給出考核成績。

五、結束語

傳統的Matlab教學模式已經無法滿足新工科背景下人才培養需求，該文圍繞新工科人才培養目標，針對當前課程教學存在問題，從課程教學模式、課程內容、科教融合以及多元化考核四個方面，提出教學改革具體措施，能充分調動學生的學習積極性，提升教學效果，使學生可以將Matlab課程知識應用到通信專業的其他課程中，解決實際問題，參與科學研究。在中國智造國家戰略和新工科建設的背景下，本課程的教學改革，對于培養創新性、系統性、交叉復合型人才的探索和實踐具有一定的現實意義。

參考文獻：

[1]田思慶，杜云明，侯艷.新工科背景下自動化專業多學科交叉融合升級路徑探析[J].黑龍江教育（理論與實踐），2023，77（10）：53.

[2]張永飛，歐陽元新.能力融通式計算機/人工智能專業MATLAB課程教學改革[J].計算機教育，2022（5）：132.

[3]金龍，馬得秀，劉梅，等.基于Matlab課程的科教融合教學改革研究[J]. 電氣電子教學學報，2023，45（2）：14.

[4]趙伶俐.新工科背景下信號與系統課程實踐教學改革研究[J].中國教育技術裝備，2019（18）：119.

[5]任佳，潘海鵬.基于MOOC的MATLAB與系統仿真課程混合式教學探索與實踐[J].高教學刊，2022，8（1）：116.

編輯/丁俊玲

作者簡介：韓凌波，男，講師，高級工程師，博士，研究方向為大數據；李曉玉，女，助教，研究方向為智能計算。通信作者：石麗梅，女，講師，研究方向為智能信息處理。

基金項目：廣東海洋大學科研啟動經費資助項目“多源異構海洋科學大數據全文索引構建和檢索技術研究”（060302112201）；廣東海洋大學教學改革項目“基于混合式教學‘C語言程序設計課程多元化評價模式探索”（010201112203）