MATLAB语言及应用课程的多元化立体化教学改革探析

2019-07-01徐国保

计算机教育 2019年6期

徐国保

（广东海洋大学电子与信息工程学院，广东湛江 524088）

0 引言

近年来，国内外大多数高校都在理工科专业开设MATLAB语言及应用课程，MATLAB语言已经成为本科生和研究生学习基础课、专业课、科技竞赛和毕业论文中最常用、最有效的工具之一[1]。国内很多高校教师对MATLAB语言在不同课程教学中的应用做了很多尝试，取得一定的效果[2-6]。此外，很多高校教师对MATLAB语言及应用课程的教学方法、教学内容、教学模式、考核方式等方面进行研究和探讨，也取得了一定的成效。文献[7]研究MATLAB语言与应用课程教学设计；文献[8]研究基于教学目标的MATLAB语言课程教学方法；文献[9]研究MATLAB课程中的“引导式面向对象”教学法；文献[10]探讨任务驱动式教学法在MATLAB教学中的应用。

MATLAB语言及应用课程特点是学时少，教学内容多，实践性强。教师如何在学时越来越少的情况下，让学生尽可能多地掌握MATLAB语言的内容，利用MATLAB解决基础课和专业课的学习问题，提高编程能力和解决实际问题的能力，是MATLAB语言课程教学改革面临的迫切需要解决的问题。

1 MATLAB语言及应用课程教学现状分析

现有MATLAB语言及应用课程的教学内容、教学手段、考核形式、教材和教学模式已不能适应应用型人才培养的计算机语言课程教学要求，MATLAB语言及应用课程教学主要存在4方面问题。

1）课程学时少。

随着教育部对各个专业的总学时不断压缩，各高校MATLAB语言及应用课程的学时数大多为24～48，而且学时越来越少，如广东海洋大学《2009级本科人才培养方案》中该课程是36学时，而《2017级本科人才培养方案》中该课程是24学时，学时压缩了33.3%。

2）课程内容多。

MathWorks公司几乎每年会推出1～2个MATLAB新的版本，功能越来越强大，软件的功能覆盖数学分析、数值计算、符号计算、优化分析、自动控制、系统仿真、信号处理、图像处理、数理统计、人工神经网络、人工智能、电力电子系统、通信工程、生物化学、金融系统等各个领域。随着MATLAB功能不断地完善和补充以及新工具箱的开发，MATLAB的课程内容也越来越多。

3）教学内容落后，教学手段单一。

MATLAB软件更新非常快，该课程的教学内容明显滞后于新技术的发展，教学手段仍是以传统的多媒体教学为主，教学手段单一。

4）教材选用不合适。

目前市面上有很多MATLAB语言及应用课程的教材，但高水平的优秀教材很少，一般很难找到一本特别让高校满意的教材。

2 MATLAB语言及应用课程的多元化立体化教学改革措施

2.1 优化和更新教学内容

面对学分制改革，学时越来越少，MATLAB软件功能越来越强大和完善，课程教学内容越来越多的矛盾，教师要根据不同专业的特点，在授课过程中优化和更新教学内容，筛选和提炼教学内容；教会学生使用MATLAB语言完备的强大的帮助系统功能，会使用help和look for 帮助函数以及在线帮助系统。lookfor函数可以帮助查找MATLAB库里是否已有函数的功能；help函数可以帮助了解函数的功能、语法、参数说明，并给出具体例子；在线帮助系统可以让学生全方位了解MATLAB帮助系统，找到自己感兴趣的工具箱或者专业方向的例题，通过学习给出的问题帮助文档，能快速了解MATLAB语言解决问题的具体用法。教师在每个章节讲授完理论知识和MATLAB函数之后，要根据不同专业学生的背景，选取一定数量的解决本专业实际问题的例子进行讲解，提高学生分析和解决实际问题的能力。另外，在MATLAB语言基本内容讲解完后，要结合不同专业背景，选取MATLAB在不同专业应用内容进行讲解，构建任务驱动、问题导向为基础的新型课程知识体系，提高学生实际动手能力，达到培养应用型人才的目的。

2.2 编写和修订适合的MATLAB语言及应用教材

目前市面上各个出版社出版的MATLAB语言教材很多，很多教材仅仅是介绍MATLAB的语法和基本知识，很少涉及专业的应用，因此，高水平的获得认可的优秀教材很少。结合丰富的教学经验，笔者主编的《MATLAB/Simulink实用教程：编程、仿真及电子信息学科应用》教材在清华大学出版社出版，深入浅出地介绍MATLAB语言的基础知识以及MATLAB在电子信息处理、控制系统和通信系统中的应用，书中还专门设计了10个MATLAB基本实验，便于学生学习和实践。全书以最新MATLAB 2016a版本介绍其基本功能和应用，注重电子信息类相关学科领域相结合，突出应用，内容涉及较广，满足一般用户使用的各种功能。本书编排逻辑结构合理，先基础后应用，先理论后实验，循序渐进，全书内容共分为11章，包括MATLAB语言概述、矩阵及其运算、程序设计、数值计算、符号计算、绘图及图像处理基础、Simulink仿真、MATLAB在电子信息处理中应用、MATLAB在控制系统中应用、MATLAB在通信系统中应用和MATLAB实验。本书尤其适合作为电子信息工程、通信工程、自动化、电气工程及其自动化等电子信息类各专业本科生或者研究生的教学用书。

2.3 构建和完善MATLAB语言及应用精品资源共享课程网站

为了学生学习MATLAB语言，共享课程建设的成果，构建和完善MATLAB语言及应用精品资源共享课程网站是非常有必要的。网站内容主要分为教学资源展示模块、互动交流模块、作业模块和考试系统模块。教学资源模块主要是展示该课程的相关教学资源，如课程简介、课程目标、授课对象、课程实验指导、课程教学视频和课程公告。网站界面美观，内容丰富，功能较为齐全，其网址为http：//210.38.137.11：10086/MatlabCourse/。

2.4 制作完善课程的多媒体课件

考虑到MATLAB软件的函数、程序代码、帮助文件信息等都是英文字母，课件尽量用英文，少用中文制作，尽量用英文表述例题，以便学生更快、更容易地使用MATLAB软件。课件中示例的程序代码要晚一会儿显示出来，给学生留出思考的时间，然后，教师在黑板上给学生重点讲解关键函数的使用技巧和注意事项，通过MATLAB软件，实时演示程序代码，这样更能激发学生学习MATLAB语言的积极性。

为了调动学生的学习兴趣，在制作MATLAB语言第一次课件时，可以重点介绍MATLAB软件的作用。通过举例介绍相关专业课程中的经典仿真案例，如求解矩阵方程的解、符号运算、用MATLAB绘制同个坐标轴下不同曲线、Simulink仿真、MATLAB软件自带的Demo 和 Example等，并演示每个例题的实验结果，给学生直观地展示MATLAB软件强大的功能，简单易学等特性。另外，还可以简单讲解教师在该领域的相关研究，如笔者在课堂上向学生展示自己在硕士论文中用MATLAB编程实现数字水印算法的思路，以及演示算法结果；在博士论文中用MATLAB编程实现机器人视觉导航里的道理分隔和边缘检测算法的思想，以及演示算法的结果。考虑到大一和大二学生还未开始学习专业课程，缺乏对专业知识的认识，课件在介绍实际例子和仿真案例时不宜过细，应以简单介绍原理和思路、重点演示结果为主，让学生知道MATLAB语言对今后课程学习和专业实际问题解决的重要性，激发学生学习MATLAB的兴趣。

课件按照章节进行制作，给出本章的内容提纲、重点、难点、作业等信息，以便学生预习和复习。在介绍完基本内容和常用函数后，每章课件还要结合学生的专业，介绍相应的实际问题，讲解具体代码，演示结果，提高学生学习MATLAB语言的积极性，增强学生应用MATLAB解决实际问题的能力。最后一次课件中，重点讲解MATLAB语言解决本专业的课程学习问题和专业的科学问题，让学生知道MATLAB语言可以用于今后学习专业课和解决专业的科学问题。

2.5 改革和创新教学方法和考核方式

MATLAB语言及应用课程的理论教学可以采用多媒体授课为主、板书为辅的授课模式。教师要在黑板上推导一些简单的数学公式，这样有助于培养学生的逻辑思维和逻辑推理能力。授课地点应在实验室电脑机房里进行，这样学生可以在教师讲解MATLAB函数时，在自己电脑的MATLAB环境上调用函数，查看函数帮助文件，更容易、更直观地学习和掌握MATLAB函数的使用技巧；另外可以通过实验室管理软件，同步广播和传送文件，在教师讲解完例题后，学生可以在电脑里运行例题程序代码，很直观地看到例题的结果，激发学习MATLAB语言的兴趣，提高学习效果。

课堂上教师可以使用实例教学法，如图1所示，根据学生专业方向，多引入实例。首先，教师提出实际问题，让学生思考；然后在黑板上画出程序流程图，给出MATLAB程序代码；最后，对程序代码进行详细讲解，演示程序运行结果，总结归纳。这种实例教学模式既能提高学生的学习兴趣和学习效率，又能培养学生分析和思考问题的能力。

图1 MATLAB实例教学模式

MATLAB语言及应用课程的考核可以采用编程和大论文相结合的形式，让学生结合专业背景和感兴趣的问题，利用MATLAB语言编程实现，完成一份大论文。论文内容包括问题描述、理论分析、程序代码、程序结果及分析、学习体会及建议和参考文献。注重过程考核，平时考核采用多种途径，包括课程实验（上机）、小测验、作业、课堂讨论等。课程考核内容和考核方式的改革能够体现学生知识、能力和综合素质的整体考核。

3 MATLAB语言及应用的多元化立体化教学改革实践及评价

广东海洋大学在电子信息工程、通信工程、自动化和电气工程及其自动化4个专业2016级和2017级的MATLAB语言及应用课程中进行课程改革实践，学生反馈的意见整体不错，理论联系实际紧密，教材使用效果好。2016级电子信息工程专业6个班190名学生对MATLAB语言及应用课程的评价成绩是93.461，学生对教师上课效果和教学改革模式是充分认可的。

据不完全统计，MATLAB语言及应用教材出版不到一年时间，全国已经有沈阳工业大学、贵州大学、南华大学、江汉大学、湖南工程学院、广东第二师范学院、西南科技大学、北京建筑大学、吉林工程技术师范学院等10多个本科院校选用，并得到相关院校的师生认可。此外，我们构建的MATLAB语言及应用精品资源共享课程网站和MATLAB语言及应用多媒体课件可以供校内外学习MATLAB语言的师生随时随地学习使用，用户使用后评价较好。