浅谈物理学师范专业的《Matlab应用》课程教学改革

文 林，罗淞文，唐建军

（1.重庆师范大学物理与电子工程学院，重庆 401331；2.重庆市璧山中学校，重庆 402760；3.重庆市第十五中学，重庆 400330）

一、引言

为贯彻落实党的十九大精神，国家开始开展普通高等学校师范类专业的认证工作。此次师范类认证的主体是专业，因此各专业及专业所在学院都高度重视。为了加强师范专业建设，优化师范专业质量保障体系，提高教师育人质量和就业核心竞争力，师范专业的人才培养计划需要做一些调整，与之相应的专业课程设计也要做相应的改革。在这一大背景下，结合我校物理学师范专业的课程开设及培养目标，本文将探讨我校物理学师范专业《Matlab应用》课程的教学改革。

二、课程开设时间改革

《Matlab应用》虽然是一门独立的计算机软件课程，但它与其他课程也有着千丝万缕的联系。《Matlab应用》课程开设的前提条件是，要求学生具备高等数学、线性代数及计算机基础等知识，因此许多理工科院校都将《Matlab应用》课程开设在大二或大三。结合我校物理学师范专业人才培养目标和课程开设方案，《Matlab应用》课程开设时间为大一下学期。这种调整不仅能更好地为后续专业课程服务，而且也能为学生参加数学建模竞赛、物理竞赛和从事科学研究等科学计算和数据处理提供新手段。

三、教学内容的改革

Matlab软件功能十分强大，既为用户提供诸如数值和符号计算、科学数据处理等基础功能，也为用户提供了控制和通信系统的设计与仿真、数字信号及图像处理、财务与金融工程等功能。可以说，《Matlab应用》是一门十分实用的课程。但不同专业对Matlab软件的使用有不同的需求，尤其是结合我校物理学师范专业的课程开设与毕业生就业情况，对该课程的教学内容提出了新的要求。

一方面，我校物理学师范专业开设的专业主干课程主要包括《量子力学》《数学物理方法》《热力学统计物理》《概率论与数理统计》《电磁学》《光学》《力学》《原子物理学》《电动力学》《固体物理学》等，这些课程都涉及烦琐的微积分、非线性代数方程及方程组求解、矩阵运算、微分方程及方程组求解等数学计算，学生往往因数学基础不扎实而拖累了这些课程的学习，导致部分学生在后续专业课学习中遇到较大的困难，丧失了学好物理学知识的信心。由于Matlab软件在数值计算和符号计算等方面具有高效和便捷的处理能力，为用户提供了许多函数工具库，因此物理学师范专业的《Matlab应用》课程教学内容应着重讲解数值计算和符号计算方面的内容，为学生在学习专业课过程中解决数学问题提供新手段。

另一方面，Matlab软件也为用户提供了功能强大的GUI工具，即图形用户界面。通过Matlab的GUI工具，可开发许多虚拟实验平台。如果学生掌握了GUI工具的使用，可用其模拟十分抽象的物理概念和复杂的物理过程。例如，在量子力学的学习中，学生可利用Matlab软件搭建电子双缝衍射、量子隧穿效应、氢原子电子云和斯塔克效应等虚拟演示平台，帮助其理解相应的物理概念和物理过程。又如，学生可利用Matlab软件搭建一些简单的中学物理模拟实验，为今后的中学物理教学提供形象生动的手段。因此，针对我校物理学师范专业本科生，《Matlab应用》课程也应加强对GUI工具内容的教学，而将通信和控制系统设计与仿真等内容留作学生课后自学，学生可按照自己的兴趣和爱好，选择自主学习这部分内容，培养学生的自主学习能力。

四、教学设计的改革

教学设计主要包括以教师教为主体的教学设计和以学生学为主体的教学设计。在《Matlab应用》课程教学中，教学设计应将二者有机结合起来，不仅要发挥教师主导教学的作用，而且也要充分体现学生学习的教学体系，从而达到教学并重的教学设计理念。针对物理学专业的《Matlab应用》课程教学设计，教师不能只以教会学生怎么用Matlab软件为目的。例如在讲解Matlab的一些函数功能时，不能仅告诉学生如何调用该函数，而且还要对这些函数的基本算法原理、使用条件和优缺点等做出详细的解释。同时，学生在选择参考书时，也应尽量选择偏重于物理应用方面的Matlab参考书，如北京师范大学彭芳麟教授主编的《数学物理方程的Matlab解法与可视化》和钞曦旭等教师主编的《Matlab及其在大学物理课程中的应用》。总之，在物理学专业的《Matlab应用》课程教学中，教学设计应更偏重于应用Matlab软件解决常见物理问题，从而达到教学并重的目的。

五、教学手段的改革

在传统的《Matlab应用》教学中，教学过程大多以教师教、学生被动学习为主，结果导致学生缺乏学习积极性。教师在讲解该课程内容时，除了给学生讲解Matlab基础知识外，应注重提升学生的编程能力。因此，除了开设《Matlab应用》的理论课程外，还应开设上机实践课程，学生通过上机实践课程能很好地理解和掌握所学知识，有助于提升学生的实际动手编程能力。除此以外，在《Matlab应用》的理论课上，教师应该多进行编程实例演示，并允许学生将笔记本电脑带到课堂，一边学习理论基础知识，一边进行编程实践，进而提升学生的学习效率，增强学生学习的主动性。

六、学生成绩考核的改革

受条件的限制，以前《Matlab应用》课程的考核大多以期末笔试为主，侧重于理论基础知识考核，对学生的实际编程能力不做任何要求。在这种考核模式下，学生在平时学习的过程中，大多通过死记硬背的方式来应付课程考试，不利于提升学生的实际动手编程能力，造成学生不能灵活运用Matlab软件。因此，除了利用期末笔试对学生的基础知识进行考核外，必须增加上机编程考试，加强考核学生的编程能力和解决实际问题的能力，避免期末试卷决定一切的局面。除期末考核以外，还应加强对学生平时成绩的考核，学期总评成绩应采取平时成绩与期末成绩相结合的方式。平时成绩主要考核学生的出勤、课堂纪律和课后习题完成情况。课后习题应以上机编程为主，除了参考教材的编程习题外，教师应自拟一些与物理学相关的习题，提升学生编程能力的同时，也能帮助学生理解相关的物理知识，尤其是与教师科研课题相关的习题，还能激发学生的探索精神，培养学生的科研兴趣，提升学生应用所学知识解决实际问题的实践能力和创新能力。

七、教学师资的改革

《Matlab应用》是一门交叉性和实践性较强的课程，涉及计算机技术、数学理论知识以及诸多工程理论知识，因此《Matlab应用》课程的教学，不仅要求教师能熟练地利用Matlab软件编程，具备扎实的高等数学和线性代数基础，还应要求教师具有使用Matlab编程的丰富经验，这些都关系到课程目标的实现和教学质量的提高。针对物理学专业的《Matlab应用》课程，应选择具有理论物理研究背景、长期使用Matlab软件进行物理计算的物理系教师来授课。这些教师由于长期从事理论物理研究工作，其研究课题涉及大量的数值和符号计算，再加上长期使用Matlab软件作为编程计算平台，具有丰富的Matlab编程经验，有利于将其良好的编程习惯传授给学生，同时还能理论联系实际，具体教授学生如何利用Matlab软件解决实际物理问题，让物理学专业学生在学习Matlab软件时更加接地气，也为学生后续物理课程学习奠定了一定的基础。