MATLAB程序设计课程思政融合教学建设案例探究

马茹茹 宋传静 程瑶

摘  要：在“三全育人”的鲜明导向下，全国高校以立德树人作为根本任务，正如火如荼地开展各学科各专业课程思政教学建设。MATLAB程序设计课程是各大理工科专业的本科生和研究生数学基础课程。该文以此课程为例，通过在教学内容中挖掘出具体的思政教学案例，旨在实现思想政治理论教育与专业课教育同频共振、相互促进，最后给出课程思政的教学效果考核依据。

关键词：高等教育;立德树人;MATLAB程序设计;课程思政;教学案例

中图分类号：G641        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）S2-0068-05

Abstract： Under the clear guidance of the "Three Comprehensive Education"， universities across the country are taking moral education as their fundamental task and carrying out the construction of ideological and political education in various disciplines and majors. The course MATLAB Programming is a foundations of mathematics course for undergraduates and postgraduates of various science and engineering majors. This article takes this course as an example and aims to achieve resonance and mutual promotion between ideological and political theory education and professional course education by exploring specific ideological and political teaching cases in the teaching content， finally providing the basis for evaluating the teaching effectiveness of ideological and political education in the course.

Keywords： higher education; to foster virtue through education; MATLAB program design; curriculum ideological and political education; teaching Cases

《中国教育现代化2035》提出以习近平新时代中国特色社会主义思想武装教育战线，推动习近平新时代中国特色社会主义思想进教材进课堂进头脑，将习近平新时代中国特色社会主义思想融入中小学教育，加强高等学校思想政治教育[1]。习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上强调，“要坚持不懈传播马克思主义科学理论，抓好马克思主义理论教育，为学生一生成长奠定科学的思想基础”[2]。本文以MATLAB程序设计课程为例，围绕该课程建设思路与举措，深度挖掘教学内容中思政元素案例，进一步给出该课程思政成效考核依据。

一  课程建设思路与举措

20世纪80年代出现了科学计算语言，MATLAB就是其中之一，其代表了当今国际科学计算软件的先进水平。如今，MATLAB已经发展为适用于多学科、多平台的程序设计语言，在科学研究和工程应用领域得到广泛应用。然而，在传统的MATLAB程序设计课程中，通常是由教师主导教学，教师自己授课的同时还要自己编程，结果导致学生并没有提高利用MATLAB解决专业实际计算问题的能力。因此，本研究的首要任务是明确该课程的指导思想，即“学以致用”。课堂教学结合有应用背景的实际问题，注重精讲多练，追求“理论结合实践”的教学模式[3-5]。无论是在理论教学还是上机实践中，本研究的宗旨是培养学生求是创新的工匠精神以及不畏困难的科研精神。为此，本文积极寻找和深度挖掘该课程的思想政治教育资源，并深入思考如何有效地将授课内容与思想政治元素融合起来，使學生在专业课程中真正提升思想政治素养。

该课程面向信息与计算科学专业的学生。根据该专业的教学大纲，MATLAB程序设计课程的主要教学内容如下：①MATLAB系统环境;②MATLAB数据及其运算;③MATLAB矩阵处理;④MATLAB程序流程控制;⑤MATLAB绘图;⑥MATLAB数据分析与多项式计算;⑦MATLAB数值微分与积分;⑧MATLAB Simulink系统仿真。

针对以上教学内容，本文提出了一种综合教学方法，即“教、学、做一体化课堂教学”+“课外实践拓展”+“项目实战”。其中，一体化教学方法结合了翻转课堂教学，并融入了思政元素。教师应引导学生实现理论教学与实例实训的一体化，使理论知识与实际应用紧密结合。课堂内外的任务应有紧密的衔接，学生以小组形式进行相关实验，培养团队合作能力，并激发学生的科研热情，为他们参加“互联网+”、大学生数学建模等竞赛做好充足的准备。

二  教学内容课程思政案例挖掘

（一）  MATLAB系统环境

本章主要介绍MATLAB的发展历程、主要功能、系统环境、操作界面和基本操作等内容。20世纪70年代后期，时任美国墨西哥大学计算机科学系主任Cleve Moler教授在给学生讲授线性代数课程时遇到了一个问题，他希望学生能够使用当时流行的线性代数软件包LINPACK和特征问题求解的软件包EISPACK，但发现用其他高级语言编程来编写这些程序极为不便。为了解决这个问题，Cleve Moler教授为学生编写了一个方便使用LINPACK和EISPACK的接口程序，并将其命名为MATLAB，这便是MATLAB的雏形。多年来，MATLAB一直在不断发展和更新，其强大的功能受到了学者们的广泛关注和使用。然而，美国政府却禁止中国哈尔滨工业大学等高校使用MATLAB。这个事件引发了人们对于国家创新发展的关注，一个国家要想在世界民族中立足，并获得其他国家的关注和尊重，必须坚持高质量的发展。对于学生而言，关心国家的建设是非常重要的。通过了解MATLAB的发展历程和应用领域，可以深刻理解科技创新对国家发展的重要性，引导学生关注国家的创新能力和发展质量，为国家建设贡献自己的力量。

MATLAB作为一种功能强大的科学计算软件，在科研、工程和教育领域发挥着重要作用。然而，我们也应该认识到，一个国家要想在世界上脱颖而出，必须坚持高质量的发展，注重科技创新，提高自主研发能力，并为国家建设贡献自己的力量。

发展是党执政兴国的第一要务。没有坚实的物质技术基础，就不可能全面建成社会主义现代化强国。习近平总书记在党的二十大报告中指出：“高质量发展是全面建设社会主义现代化国家的首要任务。”

（二）  MATLAB数据及其运算

本章首先分析MATLAB数据的特点，然后重点介绍MATLAB中各种数据的表示方法以及数据的基本运算。

中国古代科技成果是巨大的，其中在算术领域的研究也取得了很大的成就。现有的史料指出，中国古代数学书《九章算术》中的分数运算法则是世界上最早的文献之一。其中的分数四则运算和我们现在所使用的方法几乎完全相同。在《夏侯阳算经》卷中，叙述完度量衡后还记载着：“十乘加一等，百乘加二等，千乘加三等，万乘加四等;十除退一等，百除退二等，千除退三等，万除退四等。”这种以十的方幂表示位数无疑也是中国最早发现的。在算术领域中还应该提到，由公元三世纪的《孙子算经》的物不知数题发展到宋朝的秦九韶所创立的大衍求一术，这就是中国剩余定理。而相同的方法在欧洲直到19世纪才开始研究。中国古代在数学运算方面的这些历史能够切实增强学生的家国情怀和民族自豪感。

在讲到在命令行输入一条命令时，命令行以Enter键结束。但是一个命令行也可以输入若干条命令，各命令之间以逗号分隔，若前一命令后带有分号，则逗号可以省略。例如

>>p=15，m=35

p =

15

m =

35

>> p=15; m=35

m =

35

两条命令中只是一个细微的逗号“，”和分号“;”的差别，可以看到输出的结果是不一样的。

在MATLAB中，有一种特殊的运算，因为其运算符是在有关算术运算符前面加点，所以称作点运算。点运算符有.*、./、.＼和.^。两个矩阵进行点运算是指其对应元素进行相关运算。例如

>> A = [1， 2， 3; 4， 5， 6; 7， 8， 9];

>> B = [-1， 0， 1; 1， -1， 0; 0， 1， 1];

>> C=A.*B

C =

-1  0   3

4  -5  0

0  8   9

A*B表示A和B单个元素之间对应相乘，显然与A*B的结果不同。由此可见，同型矩阵的运算符前一点之差结果就是天壤之别。

“三大纪律、八项注意”是中国共产党领导的人民军队的基本准则和优良传统，其中“三大纪律”中的第二条是“不拿群众一针一线”。“一针一线”对于建设新中国这一宏伟目标来说是一个毫不起眼的细节，正是这个细节让老百姓对共产党信心满满，共产党才能一步步地带领中国人民走上了实现中华民族伟大复兴的康庄大道。老子道：“天下难事，必作于易;天下大事，必作于细”。世上不会有一蹴而就的事，凡事都是从点滴开始做起。平凡的事是这样，伟大的事也是如此。一个人的成功，靠的不仅是自己壮志凌云的理想，更需要的是脚踏实地地努力。正所谓：“不积跬步，无以至千里;不积小流，无以成江海”，以此来告诫学生细节决定成败。

（三）  MATLAB矩阵运算

本章主要介绍MATLAB的矩阵处理。MATLAB以矩阵运算为基础，拥有强大的计算功能，极大地方便了数据处理，提高了计算效率。回想我国在制造第一顆原子弹的时候，条件非常艰苦。科研人员们在没有大型计算机作为运算支撑的情况下，凭借强大的毅力和无畏的精神，怀揣着国家和民族的使命，硬是通过使用笨拙的104型计算机进行计算，少部分数据通过手摇计算器、小型计算器，甚至使用算盘来处理。原子弹要成功爆炸，当时最难的就是大量的计算，在理论上计算不能出错。邓稼先带领着由22名大学生组成的团队，在粮食紧缺的情况下，科研人员经常面临着饥饿的困境，但是其工作热情始终如一，每天除了睡觉上厕所，其余所有时间都用来做大量的理论计算，每一个数字都要重复计算很多次，并且还要与物理学家反复核对每一个数正确与否。就这样经过几十万人的呕心沥血不懈努力，真地创造了奇迹。因此，培养学生要有吃苦耐劳的意识和精神品质，要有民族使命感和国家自豪感，铆足干劲，迎难而上，不畏艰险。

（四）  MATLAB程序流程控制

本章主要介绍有关MATLAB程序控制结构及程序设计的基本方法。其核心内容是程序控制结构，包括顺序结构、选择结构、循环结构。MATLAB之所以能处理大量的数据，正是因为其包含的循环结构能够进行类似或重复的计算。正是循环结构的那份坚守、敬业和执着的精神，才得以顺利完成大量的计算任务。时代楷模、现任云南省丽江市华坪女子高级中学校长张桂梅同志，她坚守边疆教育一线40余年，默默耕耘、无私奉献，改变了贫困地区女孩失学辍学现状，使得一届一届的贫困学子通过高考而走出大山、走进大学。她用知识改变贫困山区女孩命运，用教育阻断贫困代际传递。她教书育人、立德树人，引导学生从小树立远大志向，倡导女性自尊自信自立自强，注重言传身教，传承红色基因，让“感党恩、听党话、跟党走”成为广大学生自觉追求;她坚韧纯粹、甘当人梯，用爱心和智慧点亮万千乡村女孩的人生梦想，展现了当代人民教师的高尚师德和责任担当，被孩子们亲切地称为“张妈妈”。

（五）  MATLAB绘图

本章主要介绍绘制二维和三维图形的高层绘图操作及其他图形控制的操作方法。通过用MATLAB绘图可以引导学生培养健康的审美情趣，树立正确的审美观念。马克思说过“社会的进步就是人类对美的追求的结晶”。充分认识审美对于全面提高大学生的思想品德素养具有非常重要的作用。“美”可以是具体的事物，也可以是一种精神。孔繁森同志多次赴藏，不怕艰苦，为阿里的百姓带去了温暖。孔繁森是清贫的，同时也是富有的。他拥有人世间最美好的心灵，最高尚的精神境界。

图1和图2分别给出一种富有美感的平面曲线——蝴蝶曲线和三维空间中的曲线。这两种不同空间中的曲线都是对称的，对称美是数学美的重要组成部分。以此教育学生在掌握对称这一基本原理的基础上找到事物之间的内在统一性，并用数学的思想内化这一原理，美在艺术和自然两方面都有着重大意义。

横看成岭侧成峰，远近高低各不同。如图3所示，多峰函数从不同的方位角和仰角观察所看到的图形是不一样的。对任何事物的研究都应该以客观的态度，采取正确的立足点，作全面、本质的观察和科学的分析，以避免把局部当成整体，把现象当成本质而得出错误结论。

（六）  MATLAB 数据分析与多项式计算

本章主要介绍MATLAB 数值计算功能，包括数据分析和多项式计算。曲线拟合的目的是用一个较简单的函数去逼近一个复杂的或未知的函数，所依据的条件都是在一个区间或一个区域上的有限个采样点的函数值。数据分析和多项式计算是现代科学中重要的工具和方法，它们不仅用于研究和解释各种现象，更能够与对待人生的态度相结合，引发学生对人生意义和哲学思考的深入探索。本文以数据分析与多项式计算为基础，结合曲线拟合的案例，探讨在教学中如何培养学生积极的人生态度和哲学思维，引导他们以科学的方式审视人生、理解人生曲线的起伏，并在成长中实现全面发展。通过数据分析，学生可以了解不同阶段的趋势和规律，从而认识到人生是充满变化和起伏的。这有助于培养学生对待人生的开放态度，以及在变化中发现机遇和应对挑战的能力。多项式计算能够适应各种曲线形状，类似于人生的多样性和复杂性。教学中的多项式计算应引导学生灵活应对人生的变化，发现解决问题的方法和路径。通过曲线拟合方法，学生可以将人生视为一条曲线，观察其起伏、上升和下降。在人生的不同阶段，他们会经历成长、挫折、成功和失败等各种情况。通过数据分析和多项式计算，学生能够更好地理解这些曲线，从而找到积极应对人生起伏的方式。教学中应引导学生思考人生的价值与意义。通过数据分析和多项式计算的案例分析，学生将认识到人生曲线中的各个阶段都具有一定的价值和意义，而价值的追求和意义的探索是个体成长的重要组成部分。

（七）  MATLAB 数值微分与积分

本章主要介绍MATLAB数值微分与积分的求解。无论是用MATLAB来求函数的导数（微分），还是求函数的定积分，在MATLAB软件中都是利用离散的方法来近似地计算。由于是近似的计算，不免会产生误差。事实上，误差越小越好，直至为零最为理想。在实际的求解过程中，微分步长和积分步长的选择是一个非常关键的因素，因为其直接关系到微分和定积分的求解准确性。在利用MATLAB软件求解的时候，步长的选择越小，最终求解就越准确。但随之而来的问题是，较小的步长会带来计算量的增加，从而放缓了计算速度。所以说，“鱼和熊掌不可兼得”“此事古难全”。中国古人的智慧是无穷的，中华文化更是源远流长。教导学生要弘扬和传承中华优秀传统文化，增强文化自信。此外，可进一步升华到“矛盾的普遍存在性”这一哲学原理。尽管新的计算软件和方法在不断发展，但是总有不足的地方。同学们要正确客观并理性地接受新事物。

（八）  MATLAB Simulink系统仿真

Simulink于20世纪90年代初由Math Works公司开发，该软件包用于对动态系统进行建模和仿真。国防科技人员利用Simulink交互式图形化仿真环境，设计了航空发动机、航空导弹、海军舰艇等模型的动态仿真。

本章节第一个例子是利用Simulink仿真曲线y（t）=sintsin（4πt）（0≤t≤π）。其中，正弦信号由Sources模块库中的Sine Wave模块提供，求积用Math Operations模块库中的Product模块实现，再用Sinks模块库中的Scope模块输出波形。这里展示Simulink模型编辑窗口和示波器窗口中的仿真结果。

通过观察图4中的仿真曲线，人一生的经历就好比一条不断波动的正弦曲线，起起伏伏是人生常态，重要的是调整好自己的心态。面对那些人生的低谷时期，要敢于向困难发起挑战。正所谓“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”。中华民族之所以能够屹立于世界民族之林千年不倒，正是因为民族精神核心当中的自强不息的开创精神以及艰苦奋斗的求索精神。中国共产党带着中国人民摸着石头过河，在挫折和磨难中找寻符合中国国情的中国特色社会主义建设道路。

在讲到建立系统仿真模型内容时可以结合美国制裁华为事件，介绍我国华为技术有限公司不仅设计芯片（华为海思），还自主研发了操作系统（鸿蒙操作系统），从3G到5G，华为经历了从跟随到参与再到主导的崛起历程。如今，中国技术攻势对美国构成了前所未有的挑战。这些都有助于增强学生的民族自豪感。与此同时，激励学生独立自主、自力更生和勇于探索的科研精神，進一步深化和加强我国独立自主研发基础科研软件的意识和紧迫感。“团结就是力量”，相信在中国人的集体努力下，中国的科技企业会越来越强大。

三  课程思政成效的考核

课程思政的教学效果考核是课程思政建设的重要环节之一，也是一大难点[6]。与考核知识掌握和运用的程度不同，课程思政教学效果的考核关键是考查学生能否实现“知行合一”，即能够结合中国国情并综合考虑政治、道德、法律等因素的影响，正确分析和解决问题[6-9]。这种考核方式对于数学专业的学生来说还是有一定的难度的。在不增加学生负担的基础上，让学生在整个学习过程中沉浸式地参与进来。结合本课程“理论结合实践”的教学模式，可以在上机实验报告书的内容加上课程思政模块，让学生自主挖掘对本章节内容上的其他思想政治元素。在项目实战环节，将思政考核融入其中，让学生以小组报告的形式，结合具体问题对本项目中出现的思政元素详细展开叙述。该课程思政考核分数建议占比10%。

四  结束语

本文以信息与计算科学专业本科生专业必修课程MATLAB程序设计为例，探讨了该课程中出现的具体思政教学案例。高等教育的任务不仅仅是培养具有夯实的专业技能和较好科学文化素养的人才，更要重视大学生的理想信念教育和思想政治教育。习近平总书记在看望参加全国政协会议的医药卫生界教育界委员上强调：‘大思政课我们要善用之，一定要跟现实结合起来。上思政课不能拿着文件宣读，没有生命、干巴巴的”[10]。笔者将以此为标准，在未来的课程教学中继续深入探究更适合学生身心发展的思政教学模式。

参考文献：

[1] 中共中央、国务院印发《中国教育现代化2035》[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/s6052/moe_838/201902/t20190223_37 0857.html.

[2] 习近平：把思想政治工作贯穿教育教学全过程开创我国高等教育事业发展新局面[EB/OL].http：//jhsjk.people.cn/article/28936173.

[3] 李自立，罗玉玲.基于“教产研”三相驱动的《MATLAB程序设计》课程教学改革探究[J].广西物理，2021，42（3）：50-52.

[4] 高诺，杨红娟，庄华伟.MATLAB程序设计与应用课程教学改革及实践[J].教育现代化，2019，6（13）：36-38.

[5] 杨炼，李军成，刘成志.应用型本科《Matlab程序设计》案例式教学改革[J].南方农机，2018，49（21）：12-13.

[6] 齐砚奎.全课程育人背景下高校课程思政建設的理论思考[J].黑龙江高教研究，2020（1）：124-127.

[7] 程瑶，马茹茹，宋传静，等.“计算方法”课程思政教学的思考与探索[J].科教文汇，2021（20）：78-80.

[8] 张树永.高校化学类专业课程思政建设目标与实现途径刍议——以物理化学课程教学为例[J].大学化学，2019（11）：4-9.

[9] 周春艳，李雪华，黄燕军，等.医学本科公共基础课《基础化学》思政教育教学改革探索[J].当代教育实践与教学研究，2020（3）：200-202.

[10] “‘大思政课我们要善用之”（微镜头·习近平总书记两会“下团 组”·两会现场观察）[EB/OL].http：//jhsjk.people.cn/article/32044587.

基金项目：国家自然科学基金面上项目“Birkhoff系统摄动理论研究”（12172241）;国家自然科学基金青年项目“发展型奇异摄动问题局部间断Galerkin方法的局部误差研究”（11801396）;国家自然科学基金青年项目“四元数矩阵的辛几何保结构算法及在低秩彩色图像重构中的应用”（12301486）;苏州科技大学教学改革与研究项目“信息与计算科学专业实践教学体系的构建与改革”（2021JG-15）;苏州科技大学研究生课程思政示范课程建设项目“《分数阶微积分》课程思政示范课程建设”（22SZKC-03）;苏州科技大学青年基金项目“四元数矩阵奇异值分解的预处理方法”（332114604）

第一作者简介：马茹茹（1989-），女，汉族，江苏徐州人，博士，讲师。研究方向为数值计算。

*通信作者：程瑶（1988-），男，汉族，河南信阳人，博士，副教授，信息与计算科学系主任，硕士研究生导师。研究方向为偏微分方程数值解。