Matlab语言在高等院校硕士实验教学中的改革实践——以资源与环境专业“高级计量地理学”为例

贺 智

（1.中山大学 地理科学与规划学院，广东 广州 510275；2.南方海洋科学与工程广东省实验室〔珠海〕，广东 珠海 519082）

引言

与本科教育注重通才培养不同，高校研究生教育担负着培养高层次专才与创新的使命，是国家科技进步的基石。在新时代背景下，我国研究生教育取得了突飞猛进的发展，已成为世界研究生教育大国。2019年2月，国务院印发《中国教育现代化2035》，将推进教育现代化上升至国家战略；2020年9月，教育部发布《关于加快新时代研究生教育改革发展的意见》，对高校研究生教育提出了“健全三全育人机制”“对接高层次人才需求”“全面从严加强管理，提升培养质量”等要求。因此，如何抓住机遇促进高等院校硕士实验课程教学改革与创新，是当务之急。笔者根据十余年科研经验与八年教学经验，以教授的“高级计量地理学”为例，探索新时代背景下硕士实验教学改革策略，对培养顺应时代发展的地理学人才具有重要的现实意义。

一、新时代背景下硕士“高级计量地理学”课程实验教学现状及问题

1953年，Schaefer等人发起了对区域学派的批评与否定，拉开了计量运动的帷幕。经过近70年的发展，计量地理学的理论日臻成熟。由于计量地理学将数学与计算机技术应用于地理学，同时又服务于地学理论研究与应用实践，该课程在地理学科体系中占据重要位置，对培养中国地理学人才发挥了重要作用。“高级计量地理学”是中山大学地理科学与规划学院资源与环境专业硕士必修课程，该课程要求学生能灵活运用数学方法描述、分析和解决实际地理学问题。计量地理在生产实践中的显著成效与广阔前景，受到了广大地学工作者的关注，国内多所高校（如北京大学、北京师范大学、华东师范大学等）都设置了计量地理相关课程，并诞生了一系列相关教材，主要有张超的《计量地理学基础》和徐建华的《计量地理学》。近年来，随着大数据与人工智能的发展［1-3］，与计量地理学相关的新数据、新技术和新方法不断涌现，给课程教学带来了新机遇与挑战，但同时也暴露了“高级计量地理学”实验教学中存在的问题［4］。

（一）实验教学内容更新速度滞后于时代发展

“高级计量地理学”是一门难度颇大的课程［5］，涉及繁杂的数学理论、公式与模型，要求授课教师不但要注重理论基础，更要注重理论方法的实际应用。以本文作者讲授的“高级计量地理学”为例，整门课程只设置了36个学时，包含24个理论学时与12个实验学时，课程内容较多但课时量少，且理论与实验分配不均，导致教学中重理论轻实验，目前的实验教学主要是利用计算机软件来求解1～2个课后习题，没有涉及源于业务部门实际需求的实验选题。此外，由于教材更新速度慢，较少涉及最新的技术方法与应用需求，导致实验教学与遥感、测绘、规划等生产部门的实际需求联系不够紧密，实验教学内容的更新速度远远滞后于时代发展，成为“高级计量地理学”教学过程中的痛点问题。

（二）实验软件对深入理解理论算法的帮助有限

“高级计量地理学”是一门直接对接应用需求的课程，学生需运用软件来解决问题。与本科阶段零基础相比，硕士研究生对领域知识已经有了一定的认识，对ArcGIS、ENVI、SPSS等软件也已经熟悉，但学生来自全国各地的本科院校，前期基础与知识背景参差不齐。因此，如何把握实验教学难度，促使学生在保持兴趣的同时加深对理论算法的理解，是教学面临的实际困难。Matlab软件是由美国MathWorks公司出品的商业数学软件［6］，适用于矩阵运算与信息分析设计，从学生反馈来看，与C/C++、Python、R语言等手敲代码软件相比［7］，Matlab使用更方便简洁，有大量函数库可供调用，更侧重训练学生的算法设计能力；除了地学领域，Matlab还被广泛应用于计算机、自动化、医学等。此外，中山大学已经购买了Matlab的正版软件授权，校内师生可从学校主页快速下载安装，为师生的教学科研提供了较好的基础条件。因此，对高等院校硕士研究生而言，Matlab难度适中，可锻炼学生手敲代码、一行一行编程的能力和对复杂理论算法的理解能力。

（三）实验教学效果评价体系尚需健全完善

教学效果可衡量教师的教学水平与学生的认真程度。目前，实验教学效果的评价体系仍有待完善，主要表现在以下几方面：（1）对实验教学效果重视程度不够，存在重理论、轻应用的思想，课程评分理论知识学习占比过大，实验占比较小，对动手能力的重视程度需加强；（2）评价方式单一，现有教学效果的评价主要采用“唯报告论”，仅关注最终呈现的报告结果，忽略了学生实验过程中发现问题、解决问题与团队协作能力的评价；（3）教师布置的实验题目有一定的局限性，容许学生自由探索与发挥的空间有限，阻碍了主观能动性的培养。

二、Matlab语言在“高级计量地理学”课程实验中的教学改革探索

针对大数据与人工智能背景下“高级计量地理学”教学存在的不足，从教学体系、教学模式和考核制度三个方面提出教学改革实践方案，旨在响应国家教育现代化战略需求与新时代研究生教育改革发展意见，培养高层次创新人才。

（一）构建紧跟时代发展步伐的实验教学专题

为了使实验教学紧跟时代发展步伐，综合国内外最新研究进展［8］，每年定期更新实验教学内容，推陈出新，不断完善与改进现有实验教学专题，将基础与前沿结合，突出重点并删除重复教学内容，凝练三个实验教学专题：时空问题（空间分布测度、时间序列分析）、统计问题（地理要素间的相关分析与回归分析、地理要素关系的主成分分析与马尔科夫预测）与规划决策问题（地理系统线性规划分析、地理系统决策分析）。由于理论教学部分的地理数据系统主要介绍地理数据类型、变换及分布特征，该部分能为所有实验专题提供数据基础，因而不对地理数据系统设置专门的实验专题，而是将其融入三个实验专题。每个专题中，都渗透最新的研究成果，例如，讲述时间序列分析时，除了平滑法、趋势线拟合法与自回归分析法等，还将渗透人工智能领域的长短时记忆网络（Long Short-Term Memory,LSTM）；讲述回归分析时，除了经典的一元/多元线性回归，还将涉及人工智能领域的支持向量回归机模型、深度回归网络模型等方法。

（二）设计以Matlab为核心的案例式实验教学模式

在每个实验专题中，由教师拟定2～3个源于业务部门实际应用需求且呼应理论教学的实验案例，教师选取1个案例在课堂演示。学生实验时，可以选择教师拟定的案例，也可以自拟题目，然后自由组队搜集资料并用Matlab编程实现。教学改革后，各个案例的选题不再停留于课后习题，而是面向实际应用，选题尽量开放，鼓励学生发挥主观能动性。以统计问题为例，考虑到降水量趋势面分析能反映河流与湖泊水位及流量变化，对政府防汛抗洪决策发挥重要作用，要求对珠江流域降水量进行趋势面分析及显著性检验，可采用多种软件（如ArcGIS、ENVI等）进行数据预处理，但趋势面分析模型需由Matlab编程实现。该案例中，教师不再规定与提供具体的降水年份、数据来源、趋势面分析模型、显著性检验方法等，因此，学生需自主选取降水年份（如单年或长时序）、搜集数据（如地面站点降水量、站点位置、全球GPM降雨数据等）、选定回归模型（如一次/二次/三次多项式模型、支持向量回归机模型、深度回归网络等）和显著性检验方法（如t检验、F检验、相关系数检验等），通过编写Matlab代码加深对理论知识的理解。

（三）制定“问题—过程—结果”引导的实验教学效果考核制度

为了更全面、客观地评价实验教学效果，制定“问题—过程—结果”引导的实验教学效果考核制度。“高级计量地理学”实验总成绩由问题（25%）、过程（25%）和结果（50%）三个环节组成。其中，“问题”部分重点考查学生善于发现问题、提出问题的能力，通过评价实验选题的理论研究价值与实际应用价值来体现；“过程”部分重点考查学生平时表现与实验过程，通过评价课堂出勤情况与能否积极回答问题来体现；“结果”部分重点考查实验案例的展示效果，通过团队协作能力、结果准确性、代码正确性和报告规范性来体现。总之，通过构建层次化的实验教学评估制度，激发学生用Matlab解决实际地学问题的积极性与创新性，通过解决源于实际的问题，将课程理论知识灵活应用于实际。

（四）实验教学改革效果

实验教学改革效果主要从学生对课程的整体评价、实验教学评价、平均成绩、学生科研水平提升效果等方面进行分析。其中，课程的整体评价和实验教学评价体现学生对课程的认可程度，而学生的平均成绩由任课教师评分得到，学生的科研水平由研究生导师对学生的评价来体现。整体评价、实验教学评价和科研水平评价通过发放问卷调查收集而来，平均成绩则为2021年（改革前）和2022年（改革后）该课程连续两年的真实成绩。如表1所示，通过教改前后对比，课程整体评价与实验教学评价分别提高了约3分和4分，该课程学生的平均成绩提高了约2分，研究生导师对学生的科研水平认可度也有了显著提升。

表1 教学改革效果

结语

大数据与人工智能时代的到来给地理行业带来了新的机遇与挑战，也使“高级计量地理学”实验教学改革迎来了新契机。在新时代背景及中国教育现代化战略需求下，针对现有教学存在的痛点问题，提出了基于Matlab的实验教学改革实践方案，探讨了如何构建紧扣时代发展步伐的实验教学专题、如何利用Matlab编写代码加深对理论算法的理解及如何制定“问题—过程—结果”引导的实验教学效果评价体系等。从教改前后的实际教学效果来看，经过一年的改革尝试，提出的教改方案使课程内容与应用需求间的联系更密切，学生对课程的评价、学生的课程成绩及科研水平等都得到了不同程度的提高。由于科技不断进步，地理产业也在不断发展中，未来将不断优化与更新教学内容，将最新科研成果渗透至教学中，培养真正适应时代发展的新型地理人才。