电气信息类专业MATLAB课程教学改革探讨

2016-12-22王玉芳叶小岭陈逸菲

软件导刊 2016年11期

关键词：教学改革

王玉芳　叶小岭　陈逸菲

摘要：MATLAB数学软件在电气信息类专业是较重要的课程。从课程定位、教学模式、教学方法以及学习方式和能力培养等方面对MATLAB课程教学改革进行了探讨。通过总结与探索，推动MATLAB课程改革建设，以提高教学质量。

关键词：电气信息；MATLAB；数学软件；教学改革

DOIDOI：10.11907/rjdk.162087

中图分类号：G434

文献标识码：A 文章编号文章编号：16727800（2016）011021803

0 引言

MATLAB作为当前科技工程界的三大软件之一，在电气信息类专业备受关注。作为一门高级计算语言，MATLAB可实现数值计算、数据分析、算法设计、数据可视化、建模仿真等功能，应用十分广泛[1]，在数字信号处理、测试和测量、图像处理、控制系统设计、系统仿真、财务建模和分析以及计算生物学等众多领域均有应用。因此，电气工程及其自动化、电子信息工程、自动化、电子科学与技术等电气信息类专业均开设了MATLAB课程[25]。本文探讨了MATLAB教学改革措施，以激发学生学习兴趣、培养学生综合能力，提高教学质量。

1 MATLAB简介

上世纪70年代，Moler 博士在讲授线性代数课程时，为了减轻学生编程负担，用Fortran编写了最早的MATLAB[1]。1984年，MathWorks公司成立，正式将MATLAB推向市场。MATLAB 具有强大的数值计算和良好的图示功能，易学易懂，编程效率高，为用户提供了非常直观和简洁的程序开发环境。经过十几年的发展与完善，MATLAB已成为科技界最流行的应用软件之一。在数学、工程和科学理论课程中MATLAB 都是标准的计算工具。MATLAB软件由MATLAB和Simulink两大部分组成[1]。MATLAB是Matrix Laboratory两个词的组合，意为矩阵实验室，基本数据单位是矩阵，可实现矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面等功能。Simulink是MATLAB重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，只需通过简单的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰、仿真精细、贴近实际、灵活效率高等优点，广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。

2 MATLAB课程改革思路

2.1 正确认知，合理定位

在欧美大学，诸如应用代数、数理统计、自动控制、数字信号处理、电力系统仿真等课程都把MATLAB 作为教学内容，MATLAB 是攻读学位必须掌握的基本工具。而国内电气信息类专业基本上将MATLAB定位为一种辅助教学、实验的软件工具，并未作为一种必须掌握的基本工具来要求学生。在教学计划制定上，绝大多数高等院校都将MATLAB设置为选修课，且学时分配非常少。有些院校学生评奖评优过程中，选修课成绩不计入加权成绩计算。因此，学生对MATLAB课程不重视，甚至轻视敷衍。另外，由于MATLAB课程是在各专业课学习之前开设，所以学生对专业课涉及的内容不甚了解，更谈不上MATLAB在后续专业课程中的应用了。因此，任课教师在课程之初要引导学生正确认识MATLAB课程的作用和重要性。

MATLAB的基本运算功能可以大大降低繁琐的计算工作量，提高计算效率和准确性。如求矩阵A的逆矩阵，只要将A输入到MATLAB命令窗口，调用inv（A）命令即可输出结果。MATLAB内部集成了30几种工具箱，与电气信息类专业息息相关的包括控制系统工具箱、系统辨识工具箱、图像处理工具箱、鲁棒控制工具箱、信号处理工具箱等，不同专业的学生通过相关领域工具箱的认识和学习，大大降低了编程难度，易于系统建模和求解。MATLAB具有强大的图形处理功能，包括二维图、三维图、流线图、流带图等，可以实现数据的可视化。学生掌握图形处理方法可为撰写实验分析报告、毕业设计及科技论文提供直观专业的素材。

2.2 激发兴趣，自主探索

MATLAB课程的学时分配比较少，一般为32学时，其中实验占16学时，但MATLAB涵盖内容较多，授课任务较重。在授课过程中，如果教师一味追求多讲内容而忽略学生的学习积极性和消化能力，教学效果可想而知。所以，教师应通过授课内容激发学生兴趣，促使其课下自学，引导自主学习，结合实验与答疑方式更好地完成教学任务。学生在自主学习过程中难免遇到困难出现错误，要鼓励使用MATLAB提供的帮助系统，或借助网络资源及线上论坛答疑解惑，锻炼学生的自学能力。在实验教学环节，如果教师一步一步手把手地指导学生怎么做实验，学生就只为实验而机械地跟随操作，未认真思考实验方法和出现的问题，以后遇到类似问题仍然不懂，不会举一反三，导致“学”与“用”脱节[6]。因此，在实验教学中，教师应避免过度指导和干预，留给学生足够的时间和空间去尝试总结，调动学生的主观能动性。教师通过适当的提示帮助分析问题解决问题，给学生思考的机会，让学生真正理解求解问题的方法。

2.3 术业专攻，类比启发

MATLAB 软件功能非常强大，应用领域非常广，要把MATLAB所有功能都掌握也无必要。对于不同学科专业学生，学习该课程的性质有所不同，授课应注重MATLAB在其专业领域中的应用[79]。如对自动化专业学生，讲授的重点是控制系统工具箱和鲁棒控制工具箱的应用；计算机专业学生，讲授的重点是计算机视觉处理工具箱和图像处理工具箱等。MATLAB语言是基于C语言的，其语法特征与C语言极为相似且更简单[10]。由于在MATLAB课程开设之前学生已系统学习了C语言，所以在讲授基本输入和M文件编程时可以用类比C 语言中命令和操作的方法授课，这样可使学生觉得在C 语言基础上掌握这门课难度并不大，增强MATLAB课程的学习信心。

2.4 实例引导，循序渐进

对于偏重操作的MAT LAB软件学习，逐一介绍知识点会让学生觉得枯燥乏味，讲授应辅以一些生动的实例演示，活跃课堂气氛。例如在介绍数据可视化章节时，可通过展示具体绘图命令生成图形，让学生了解MATLAB绘制的图形类别。如图1（a）为二维平面图plot命令的输出图例，图1（b）为三维曲线图plot3命令的结果，图1（c）为三维网格图mesh命令的输出图形，图1（d）为三维平面图surf命令的执行结果。这些图形绘制的命令并不复杂，如生成图1（d）所示的三维平面图只需如下几条命令即可：

看起来如此复杂的图形几条语句就可绘制出来，学生顿感无需“仰视”MATLAB了！这大大增强了学习MATLAB课程的信心，也对相应知识有了最直观的认识。在此基础上，教师再由浅入深、循序渐进地讲授理论知识。

2.5 以点带面，雁阵效应

要吸收对科研有兴趣的学生参与科研活动及学科竞赛，通过项目分工，掌握理论和实践知识，以项目驱动方式提升学习兴趣和能力[11]。经过项目及竞赛锻炼，提高学生就业、考研以及出国留学的竞争力。优秀学生作为标杆，以点带面，产生雁阵效应。

3 结语

MATLAB软件应用贯穿于电气信息类专业学习过程。本文从教学模式和自主学习等层面对MATLAB课程教改进行了探讨，以期抛砖引玉，推进MATLAB课程教学创新，提高教学质量。

参考文献：

[1] 薛定宇. 控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言与应用[M].北京：清华大学出版社， 2006.

[2] 王法广，王洪梅. 启发式的电气信息类专业MATLAB课程教学方法探索[J].学园，2015（18）：5960.

[3] 苏良昱，赵忠彪，师路欢. MATLAB在电气工程及其自动化专业教学中的应用研究[J].科技信息，2011（18）：1112.

[4] 张建化，王树臣，陈跃. MATLAB软件在《控制工程基础》课程教学中的应用研究[J].软件导刊，2015，14（12）：202205.

[5] 牛天林，樊波，张强，等. MATLAB/Simulink仿真在电力电子技术教学中应用[J].实验室研究与探索，2015，34（2）：8487.

[6] 王蕴恒，周杰，寇晓静. 基于培养测控专业应用型人才的MATLAB教学改革研究[J]. 教育教学论坛，2014（35）：6162.