机制专业MATLAB软件课程项目式教学研究

李万兵+黄鹏飞+柳甲荣

摘 要： 基于机制专业MATLAB软件课程的学时少、学习理论算法与实践性较强，学生在学习过程中感觉枯燥乏味、导致授课效果差的问题，提出以项目驱动的MATLAB教学方法。首先按照学生的兴趣，每一章或者两章内容设置课程项目，将要学习的知识点融入项目；然后对项目所用的理论知识进行简要说明，用项目带动学生的学习兴趣；最后，在项目的实施过程中注重互动和疑难解答，教学质量得到进一步提高。本文以四连杆机构曲柄摇杆机构为例进行实践，以取得很好的教学效果。

关键词： 项目式教学 教学方法 MATLAB教学项目 教学研究

1.引言

随着数学科学和计算机技术的飞速发展，综合利用数学知识建立数学模型，进行科学计算，研究和揭示自然科学中的变化规律，解决工程领域中的实际问题已成为科学研究的一种重要的方法。数学作为基础学科，遍及科学研究和工程应用的各个领域。对于新时期的大学生来说，在学习数学理论知识的同时，学习探索方法，解决实际问题，将理论知识跟实际应用结合起来，培养科学研究的意识，掌握科学的方法，逐渐形成自主解决实际问题的能力，开启创新思维，是目前非常重要和迫切的事情。

为了更好地掌握MATLAB在各行业、学科中的应用，从实际应用的角度出发，采用相关项目来驱动教学，采取精心设计项目，让学生在完成项目的过程中快速地掌握MATLAB语言的一些基本操作和技能[1]。对MATLAB中常用的几种数据类型，单元型变量和结构型变量不易理解，数值运算主要了解向量及其运算、矩阵运算、数组及其运算、多项式运算。通过符号计算与数值计算的对比，引入符号计算及其特点。掌握函数的应用，M文件的编写，程序控制，人机交互指令和函数句柄，二维图形绘制和三维图形绘制等知识点。用Simulink实现多个行业和领域的仿真运算，采用将一些知识点融入项目，自上而下地细分各个子项目，再由各个子项目细分到各个小模块，在教学过程中由师生进行分析、讨论和应用。学生在精心设计的一些具体项目模块完成过程中学会主动学习和思考，最终实现学习目标。

2.项目式教学的特点

所谓项目式教学就是以项目为依托，把所要学习的知识点融入项目，通过完成项目实现教学过程的一种教学方法，是一种能激发学生学习能动性和培养学生创新能力的有效手段[2]。将学习的知识点融入项目中，教师主导项目任务分解和分派，需要按照教学大纲的要求设计各个知识点的项目和模块，然后将项目分派给学生，不再是项目执行的主宰，学生是项目实施的和完成的对象。在学生实施项目的过程中引导学生分析，不断地探索，也可以适当地进行问题的解答。随着项目的逐步推进和完成，学生累积课程相关知识，同时实现知识点的延伸和更新，并最终在课程的末阶段完成一个综合性项目的总体设计[3]。项目式驱动教学法主要是针对传统“教师讲学生听，教师演示学生看”的教学模式的学生积极性不够，参与性较差的缺点，积极发挥学生在教学中的主体作用，让学生首先明确学习的目的和用处，并通过在课堂上或课间的自主探索和互动协作，主动完成学习任务，掌握相关的知识，并在项目设计的过程中体验乐趣，达到真正学活学懂、触类旁通的效果。

本文是通过对在校机械设计制造及其自动化专业2011级200多名学生使用自行设计的《民办院校机械设计制造及其自动化专业“MATLAB软件应用”课程调查问卷》表进行问卷调研，得到学生的对于MATLAB课程知识点的需求和兴趣点。分析最终的调研结果可以得到，参加过数学建模的学生对MATLAB 的应用认识比较深刻，大部分学生认为设计一些和机制专业相关课程有联系的项目，对调动学习的积极主动性有很大的作用。基于此，本文设计了一种基于项目式驱动的MATLAB教学方法，主要包括以下部分：教师完成的项目设计；项目模块与知识点；相关课程的教学知识点的复习（学生课后完成）；项目模块与知识点相结合的实践练习；实践结果的讲解；内容的总结延伸与拓展。该教学方法的基本流程如图1所示。

3.项目式教学案例

项目名称：平面四杆机构运动仿真。

知识点及教学要求：学生必须课前复习平面四连杆机构类型的确定、运动参数的确定。本项目为综合应用项目，学习和运用的知识点有数值计算，矩阵的定义和使用，逻辑运算，编程中的循环应用，函数的定义与使用，非线性方程求解指令求解以上超越方程组，MATLAB绘图知识，电影动画的绘制等包含所有的MATLAB基础知识，培养学生对所学习的MATLAB知识在具体问题中的应用。学生按照不同的组，完成不同功能函数的编写，然后一起讨论形成本组一个完整的项目结果，选派代表给大家讲解通过什么方式实现这样的功能。

项目任务分解：四杆机构类型判定；构件运动参数偏角的确定；构件运动参数角速度的确定；节点位置的确定；最后组合程序完成运动仿真，绘制出四杆机构包络线图形，以下是一种实现的方式。

3.1平面四杆机构的基本参数

3.2四杆机构类型判定

根据平面四杆机构中，曲柄存在条件[4]，编制M文件在MATLAB中判定机构类型：创建函数Jglxsb，用它识别机构类型。

评价实践结果及总结延伸与拓展：该项目为MATLAB所有知识点的融合化大项目，要求学生对算法能够转换成MATLAB语言，同时对基础知识要相对比较熟练才能够完成该项目，对数值计算，矩阵的定义和使用，逻辑运算，编程中的循环应用，函数的定义与使用，非线性方程求解指令求解以上超越方程组，MATLAB绘图知识，电影动画的绘制等包含所有的MATLAB基础知识的考查非常到位。同时学生可以实现其他机构双摇杆机构，双曲柄机构等机构的仿真，最终的结果有该组学生自己讨论进行程序编写与分析。采用四连杆机构曲柄摇杆机构为例进行MATLAB基础知识综合实践，取得很好的教学效果。

4.结语

在项目驱动教学中，项目的选择应该符合学生的专业方向，由简单到复杂，并有利于培养创新能力。本文以整本书的MATLAB基础知识的一个实例介绍了本文的项目式教学方法，该项目完成需要组内同学讨论，在确定机构类型的前提下，按照项目分解进行逐步分析设计。实现平面四连杆机构仿真的过程。另外，通过项目的分解和逐步实现，提高了学生从实际出发，结合课程内容进行合理的分析问题、解决问题的能力。为了进一步改进方法，提高教学质量，在项目式教学法实施过程中教师要不断尝试和创新，并对项目内容进行外延和总结，互动和疑难解答。可将此方法推广应用到机制专业其他课程的学习中，对于提高学习的积极主动性有很大的作用。

参考文献：

[1]张志涌.MATLAB教程R2012a[M].北京航空航天大学出版社，2012.

[2]伍秀娟，项荣健.以协作项目为驱动的教学实践与应用[J].中国电化教育，2011（5）：92-96.

[3]张静亚.基于项目驱动的MATLAB教学方法研究[J].科技教育，2014（36）：147.

[4]王俊峰，田丽萍.Matlab运动仿真在机械原理课程设计中的应用.机电产品开发与创新，2009，22（4）：187-188.

[5]沈孝通.基于MATLAB的平面连杆机构运动分析[J].制造业信息化，2011（7）：76-79.

基金项目：陕西省教育厅科学研究计划项目（15JK2170）；西京学院教学改革研究项目（JGYB1505 ）；西京学院基金项目（XJ150110 ）。