以项目为驱动的MATLAB课程教学改革与实践

[摘           要]  针对MATLAB语言课程的操作性强、不宜纯理论教学等特点，引入以项目为驱动的MATLAB课程教学及实践方法。从MATLAB课程体系中，重新梳理知识点，引入无源时差定位项目，对其进行模块化分解，并按模块难度及学生层次进行合理分配，最后总结任务完成情况并反馈完善课程实践过程。该教学法对仿真语言、开发环境类等课程较为适用。

[关    键   词]  MATLAB;项目驱动;教学改革;课程实践

[中图分类号]  G642               [文献标志码]  A                      [文章编号]  2096-0603（2019）04-0074-02

MATLAB以其强大的数值计算、仿真建模、信号分析及可视化绘图等功能[1]，被大多工科院校的设定为仿真类主流课程，也是大多工科专业进行毕业设计的主要工具之一，因此该课程在工科类院校占据重要位置。

该课程的教学大多集中在MATLAB的使用及操作上，如基本的语法、矩阵、数值计算、绘图等内容，仿真学习中基本停留在纯仿真设计及建模，鲜有以实际项目背景为依托深入学习MATLAB的教学方法。

针对此情况，以项目学习为驱动，探索在MATLAB教学中引入新型教学方法。通过选择适宜的科研项目，结合教学内容进行模块化分解，将子项目分配给学生进行学习及实践。最后对完成的课题内容进行总结，反馈到项目实施过程中，对项目实施计划进行完善，达到一定程度的良性循环[2]。

一、以项目为驱动的MATLAB教学方法

所谓以项目为驱动的教学方法，就是在课程教学中引入适当的项目课题，以学生为主体，以教师为引导，融合课程知识体系，按模块化的思路进行项目任务分配，并将二者的结合贯穿于教学活动过程中，以达到激发学生的学习积极性及能动性，使所学内容有实施落脚点、巩固课题知识及提升相关科研能力的目的[3]。

（一）需解决的主要问题

将实际科研项目引入课堂教学的过程中，需解决以下主要问题。

1.整理课程知识体系

作为布置项目模块实践的基础，同时也是掌握课程内容的重要环节。

2.选择适宜的科研项目

选择难易适中，既涵盖课程知识体系内容，又同授课专业相融合的科研项目。

3.自上而下的项目分解

项目分解的质量将直接影响教学效果，采用自上而下的项目分解法有利于得到适应于不同教学内容的项目模块。

4.对项目进行合理分配

分解后的项目模块涵盖不同的知识点、算法模型及技术要点，因材施教，结合学生的知识水平进行合理分配，以使学生的创造性得到最大限度的发挥。

5.持续改进

教师作为项目的选取及分配者，应不断总结反思一切教学活动，持续改进教学方案，达到较好的教、学效果。

（二）教学方法实施流程

以项目为驱动的教学方法，突出学生为项目的主要完成对象，教师为项目分解和分配的引导者。实施过程中，积极引导学生分析、探索、推理及解决问题，教师给予适当的答疑及指导[4]。

二、MATLAB课程结构及知识点梳理

从MATLAB课程的基本内容出发，要求教师能全面了解、熟知课程的整体分布，章节的内在联系，重点、难点等分配，进而梳理出使学生容易接受、阶梯式的知识体系。

以《MATLAB程序设计与应用（第二版）》为例，课本前7章为基本内容，其中矩阵、数值计算、程序设计及绘图等内容是整个课程的基础知识点，也是贯穿整个MATLAB学习的核心内容之一[5]。该课程按知识点内容及层次关系，大致分为5部分：基础数据表示及计算、数值统计及分析、函数设计及调用、信号处理方法、滤波设计及应用等。

三、项目选择及模块化分解

项目的选择和分解是该教学方法的核心，且项目分解的质量将直接影响教学实践效果。无源时差定位（TDOA）技术涉及信号采集、分析处理、算法设计、定位、目标呈现等多个环节[6]，将其部分模块引入MATLAB课程加以实践，具有较好的应用背景，又不乏锻炼学生对MATLAB的深入使用及理解，比较适合作为本方法实施的项目来源。

结合MATLAB课程的梳理结果，采用自上而下、横向匹配的方式对项目进行合理的模块化分解。所谓自上而下，是指从项目整体出发，逐层分离，直到将项目分解为可用MATLAB实施的环节为止;横向匹配则指结合MATLAB课程的知识点内容，对分解出的项目模块有所指向，以支撑相关理论知识点的巩固学习[7]。在子项目完成的过程中，鼓励学生采用多种实现方式及解法，让学生有充分的項目实践机会。

四、教学实践及反思

（一）教学实践

在本校通信工程专业的MATLAB语言课程上进行该教学方法的实践，下面对每个子模块及MATLAB知识点对应关系做简要阐述。

1.信号预处理

信号预处理涉及的主要操作有IQ信号提取、信号幅度及频谱计算、矩阵操作、滤波设计及绘图等内容。其MATLAB核心代码主要考查学生对基本IQ数据提取、信号参数计算及显示等内容。

fid=fopen（′a.dat′，′rb′）;  %打开文件

w=fread（fid，4096，′int16′）;

I1=w（1：2：end）;        %提取I数据

…

p1=phase（I1+Q1*i）;    %相位计算

a1=abs（I1+Q1*i）;      %幅度计算

2.时延估计

该部分要求学生了解GCC基本原理，利用信号的FFT、IFFT达到GCC目的，清楚对应的时延点数与时延结果的精确关系。此外，部分小组还需具备曲线拟合的知识及实现[8]。其核心代码主要考查对IQ数据的FFT变换、矩阵操作等内容。

s1=I1+Q1*1i;%监测站1的IQ数据组合

…

s1_fft=（fft（s1））;

…

G12=s1_fft.*s2_fft;

Gcc12=fftshift（abs（ifft（G12）））;

[mn，mid]=max（Gcc12）;

% 曲线拟合过程

p7=polyfit（t，y，4）;

t1=1：0.01：7;

fy7=polyval（p7，t1）;

[fitmn，fitmid]=max（fy7）;

3.定位

TDOA定位主要利用两组距离差d21、d31及双曲线原理对目标源进行定位。由于2组双曲线直接求解比较困难，一般将其进行简化处理，得到双曲线求解的变通公式，再计算得到目标源坐标。其核心代码主要考查对公式的变换表达、基本语句的使用、矩阵（数组）、控制语句等操作内容。

a=double（（d31^2-x31^2-y31^2）*x21-（d21^2-x21^2-y21^2）*x31）;

…

if （d21*d31<0）

theta1=asin（c/（（a^2+b^2）^.5））-atan2（a，b）;

r1=（x21^2+y21^2-d21^2）/（2*（x21*cos（theta1）+y21*sin（theta1）+d21））;

else

…

end

再根据计算的极坐标信息换算成目标源的直角坐标信息，具体实现过程略。

4.结果统计

经过多组数据计算得到几十包定位结果，由于接收信号的电磁环境、天气、监测设备误差、算法可靠度等综合因素，经常造成个别定位结果的发散分布，这些个别数据点被认为是常规奇异点，需进行剔除处理。该部分内容具体实现方法较多，由学生自行实现，不再赘述。

（二）课程实践后的反思

通过将项目分解引入MATLAB课堂，对学生使用MATLAB进行基本的数据处理，利用其解决实际问题具有明显的意义，但仍存在一些实际问题，如项目分解欠优，还可进一步优化分解模块，使其与课程知识点匹配度更高，最大限度地发挥学生参与的积极性，在下一期课程实践中，对项目实施过程可进行进一步的修改完善。

五、结语

将具体的科研项目引入MATLAB课程教学中，经过对项目的合理分解、任务分配，让学生充分发挥自主能动性，在子项目的研究实施过程中，有利于提升学生对MATLAB的使用及认知程度，加强对MATLAB的建模仿真、数值计算、信号分析及可视化等功能特点深入理解，具有明显的现实意义。该教学方法可在其他课程如C语言、C++、CAD绘图等课程中推广实施，有利于提高学生课堂外的知识积累及科研见识，促进教、学双向发展。

参考文献：

[1]张静.基于项目驱动的MATLAB教学方法研究[J].科技教育，2014（36）：147-149.

[2]朱向庆，胡均万，曾辉，等.CDIO工程教育模式的微型项目驱动教学法研究[J].实验技术与管理，2012，29（11）：159-162.

[3]张佩云.项目驱动的软件工程课程案例分段情况教学研究[J].计算机教育，2013（3）：77-79.

[4]吴爱萍.基于任务驱动的Matlab与控制系统仿真教学方法改革[J].中国现代教育装备，2012（11）：57-59.

[5]刘卫国.MATLAB程序设计与应用[M].2版.北京：高等教育出版社，2006.

[6]楊建辉，王逸轩，刘玉红.基于亚采样点级别的TDOA时延估计[J].无线电工程，2017，47（1）：23-26.

[7]张天怡.基于项目驱动的Java课程教学改革分析[J].现代盐化工，2017（1）：85-86.

[8]杨建辉，刘玉红，王逸轩.基于广义互相关和多项式拟合的TDOA时延估计方法[J].兰州交通大学学报，2016，35（4）：40-43.

编辑 尚思达