MATLAB語(yǔ)言在高職理工科教學(xué)中的應(yīng)用探討

劉貞賢

天津海運(yùn)職業(yè)學(xué)院，天津 300350

MATLAB語(yǔ)言在高職理工科教學(xué)中的應(yīng)用探討

劉貞賢

天津海運(yùn)職業(yè)學(xué)院，天津 300350

介紹了MATLAB語(yǔ)言的特點(diǎn)和功能，分析了高職院校理工科教學(xué)中存在的問(wèn)題，指出在高職理工科中引入MATLAB的重要性。闡述了適當(dāng)引入MATLAB語(yǔ)言可實(shí)現(xiàn)理工科中的數(shù)值計(jì)算、模擬仿真等，有助于提高教學(xué)效率，培養(yǎng)學(xué)生綜合能力。

MATLAB語(yǔ)言；高職院校；理工科；教學(xué)研究

MATLAB languagev; ocationacl ollegess; ciencea nd engineering; teaching study

1 、MATLAB的背景和特點(diǎn)

1.1 MATLAB的背景

MATLAB是Matrix Laboratory（矩陣實(shí)驗(yàn)室）的縮寫(xiě)，它是Mathworks公司在1984年推出的面向工程和計(jì)算的交互式計(jì)算軟件，是目前國(guó)際公認(rèn)的最優(yōu)秀的科技應(yīng)用軟件之一。

MATLAB集數(shù)值計(jì)算、符號(hào)運(yùn)算、可視化建模、仿真和圖形處理等多種功能于一體，已成為科學(xué)家、工程技術(shù)人員和管理人員的必備工具，被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、生物醫(yī)學(xué)工程、信號(hào)分析、語(yǔ)言處理、圖像信號(hào)處理、信號(hào)工程、統(tǒng)計(jì)分析、計(jì)算機(jī)技術(shù)等行業(yè)的理論研究和工程設(shè)計(jì)中。

由于MATLAB的廣泛應(yīng)用和廣闊的發(fā)展前景，國(guó)內(nèi)外很多高校已經(jīng)將MATLAB語(yǔ)言作為一門(mén)必修的基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)課程景象普及，并逐步將MATLAB應(yīng)用在高等數(shù)學(xué)、普通物理、電路、信號(hào)與系統(tǒng)、自動(dòng)控制理論、電磁場(chǎng)、理論力學(xué)等理工科課程的教學(xué)和科研工作中，以提高這些課程的教學(xué)水平和教學(xué)效率。在高職院校中，將MATLAB引入理工科課程的教學(xué)過(guò)程已經(jīng)勢(shì)在必行。

1.2 MATLAB的特點(diǎn)

首先，MATLAB界面友好，使用靈活方便。MATLAB語(yǔ)言簡(jiǎn)潔，語(yǔ)法簡(jiǎn)單，極易掌握；編程貼近人的思維特點(diǎn)，在科學(xué)計(jì)算和工程應(yīng)用方面的編程效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他高級(jí)語(yǔ)言。

其次，MATLAB具有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算、作圖和數(shù)據(jù)可視化功能。MATLAB能將數(shù)據(jù)以圖形的方式顯示出來(lái)，使數(shù)據(jù)間的關(guān)系清晰明了。MATLAB具有靈活的繪圖功能，在程序的運(yùn)行過(guò)程中，可以方便運(yùn)用圖形、圖像、動(dòng)畫(huà)等多媒體技術(shù)直接表述數(shù)值計(jì)算結(jié)果，在圖形坐標(biāo)系的選擇、顏色和線型等參數(shù)的設(shè)置等方面都極為靈活方便。

最后，MATLAB具有極強(qiáng)的可擴(kuò)展性。功能強(qiáng)大的工具箱是MATLAB的另一大特色。工具箱中集合了面向各專(zhuān)門(mén)應(yīng)用領(lǐng)域的高度優(yōu)化的函數(shù)。工具箱是開(kāi)放性的，可以直接調(diào)用，也可以根據(jù)需要進(jìn)行修改和擴(kuò)展，極大地減少了用戶編程時(shí)的復(fù)雜度。同時(shí)MATLAB帶有的API使得用戶可以方便地在MATLAB與C，F(xiàn)ORTRAN等其他程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言之間建立數(shù)據(jù)通信。

2 、高職理工科教學(xué)現(xiàn)狀分析

2.1 教學(xué)模式和方法傳統(tǒng)、陳舊

目前大多數(shù)高職院校的教學(xué)仍然采用傳統(tǒng)教學(xué)模式和方法。傳統(tǒng)的黑板式教學(xué)缺乏生動(dòng)性，理論過(guò)于繁瑣，過(guò)于抽象，太多的理論推導(dǎo)和數(shù)值分析導(dǎo)致了老師難教，學(xué)生難學(xué)，并缺乏學(xué)習(xí)興趣。

2.2 教學(xué)手段亟待改革

在高職教學(xué)改革的背景下，理工科的教學(xué)內(nèi)容也必須進(jìn)行改革，許多過(guò)去花費(fèi)大量學(xué)時(shí)所講的基本知識(shí)，現(xiàn)在只能用少量學(xué)時(shí)去講，而一些新的理論與技術(shù)必須引入到課程教學(xué)中來(lái)。因此，必須緊跟時(shí)代步伐改革教學(xué)內(nèi)容，徹底拋棄“老的但長(zhǎng)久被當(dāng)作經(jīng)典的”教學(xué)手段，應(yīng)用以現(xiàn)代計(jì)算工具為平臺(tái)包括交句式圖形界面等新型的教學(xué)工具。

2.3 理工科實(shí)驗(yàn)室建設(shè)落后

理工科的課程中含有很多物理實(shí)驗(yàn)，通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)使學(xué)生將所學(xué)理論知識(shí)應(yīng)用的實(shí)踐中，在鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力和形成科學(xué)思維方式方面有舉足輕重的作用。比如電路的設(shè)計(jì)和分析計(jì)算、電路和元器件的模擬、對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理等。但是，長(zhǎng)期以來(lái)，受傳統(tǒng)教育思想及經(jīng)費(fèi)不足的影響，高職院校物理實(shí)驗(yàn)課程未被給予應(yīng)有的重視，使得物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)備嚴(yán)重不足，既有設(shè)備陳舊，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于時(shí)代的科技發(fā)展[1]。目前高職院校的物理實(shí)驗(yàn)室建設(shè)規(guī)模和質(zhì)量與本科高校差距巨大。另外，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，普遍采用的模式是由教師準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)儀器、講解實(shí)驗(yàn)原理、擬定實(shí)驗(yàn)步驟，講解過(guò)程也采用課堂黑板式教學(xué)傳遞知識(shí)的模式，學(xué)生只要按照擬定步驟測(cè)出數(shù)據(jù)即可。這種僵化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式不能激發(fā)學(xué)生興趣，抑制了學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。

3 、MATLAB在高職理工科教學(xué)中的應(yīng)用

MATLAB軟件在高職理工科的多門(mén)課程中均有很好的應(yīng)用前景。從高等數(shù)學(xué)、普通物理到工程力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、電工與電子技術(shù)、信號(hào)與系統(tǒng)、傳感器與測(cè)控技術(shù)、電機(jī)拖動(dòng)等理工科課程，都可以把它作為計(jì)算、繪圖和數(shù)據(jù)分析的工具。

3.1 MATLAB在高職數(shù)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

數(shù)學(xué)是一門(mén)理論性強(qiáng)且又應(yīng)用廣泛的基礎(chǔ)學(xué)科，是理工科學(xué)生的必修課。有人說(shuō)，如果一門(mén)學(xué)科還沒(méi)有發(fā)展到可以用數(shù)學(xué)來(lái)表述它，那么這門(mén)學(xué)科的發(fā)展就仍不完善。對(duì)高職的數(shù)學(xué)教學(xué)來(lái)講，由于職業(yè)教育的特殊性，更應(yīng)該加強(qiáng)數(shù)學(xué)應(yīng)用性的教學(xué)，注重高職數(shù)學(xué)對(duì)后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程的服務(wù)性。隨著教學(xué)改革的深入開(kāi)展和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的提高和普及，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助教學(xué)這種手段已逐步進(jìn)入課堂教學(xué)領(lǐng)域。但是到目前為比，絕大多數(shù)數(shù)學(xué)教學(xué)對(duì)計(jì)算機(jī)的輔助應(yīng)用仍停留在制作CAI課件上，更先進(jìn)的教育思想和技術(shù)手段仍沒(méi)有被大多數(shù)數(shù)學(xué)教師所接受，因而很多學(xué)生的學(xué)習(xí)仍然處于傳統(tǒng)教學(xué)觀念的被動(dòng)狀態(tài)。因此，在數(shù)學(xué)教學(xué)中，出現(xiàn)了像中科院院士李大潛所指出的那種長(zhǎng)期存在的矛盾現(xiàn)象，即“一方面數(shù)學(xué)很有用、另一方面學(xué)生學(xué)了數(shù)學(xué)以后卻不會(huì)用”[2]。

教師在數(shù)學(xué)教學(xué)中若能很好地使用MATLAB作為輔助教學(xué)軟件，將在很大程度上降低教與學(xué)的難度，縮短數(shù)學(xué)理論與數(shù)學(xué)應(yīng)用之間的距離，并能培養(yǎng)學(xué)生數(shù)學(xué)應(yīng)用及創(chuàng)新的能力。MATLAB的符號(hào)數(shù)學(xué)工具箱（Symbolic Toolbox）具有強(qiáng)大的計(jì)算功能，它可以完成微積分運(yùn)算、線性代數(shù)運(yùn)算、整理和化簡(jiǎn)代數(shù)表達(dá)式、解方程、計(jì)算一些經(jīng)典的數(shù)學(xué)函數(shù)、算術(shù)運(yùn)算、變換等運(yùn)算[3]。通過(guò)運(yùn)用MATLAB中的符號(hào)數(shù)學(xué)工具箱可以解決高等數(shù)學(xué)教學(xué)中最常見(jiàn)的基本問(wèn)題，如多項(xiàng)式運(yùn)算、線性代數(shù)方程組求解、概率分布、方差分析、線性擬合、繪制復(fù)雜圖形等，MATLAB還可以成為完成“數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)”的有力助手?！皵?shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)”即在數(shù)學(xué)教學(xué)過(guò)程中，師生將實(shí)際問(wèn)題簡(jiǎn)化假設(shè)，建立數(shù)學(xué)模型，用MATLAB編程計(jì)算結(jié)果，最后將計(jì)算結(jié)果放回到實(shí)際中應(yīng)用和檢驗(yàn)[4]。通過(guò)MATLAB語(yǔ)言降低了數(shù)學(xué)理論的抽象性，增強(qiáng)了直觀性，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)效益；通過(guò)學(xué)生自己動(dòng)手操作和探究思考分析的過(guò)程，鍛煉了學(xué)生自主思考解決問(wèn)題的能力，提高了教學(xué)效果。

3.2 MATLAB在高職物理類(lèi)課程教學(xué)中的應(yīng)用

物理難教難學(xué)、課時(shí)減少內(nèi)容增多，已成為理工科物理教學(xué)迫在眉睫需要著力解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。而高職物理課程更面臨著學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)欠缺、學(xué)習(xí)積極性不高的問(wèn)題。在物理教學(xué)中，教師常常面臨著把大量公式、定理、定律、物理現(xiàn)象以可視化方式展現(xiàn)出映識(shí)論解操意 設(shè)場(chǎng)領(lǐng)理術(shù)體方產(chǎn)象關(guān)教操房評(píng)自師實(shí)3 0做 學(xué)時(shí)嘗性和力院培宗品學(xué) 實(shí)學(xué)用團(tuán)位理個(gè) 生參是作菇 過(guò)生課資和勤訓(xùn)實(shí)論業(yè)考神業(yè)來(lái)的艱巨任務(wù)。隨著教學(xué)現(xiàn)代化的推動(dòng)，基于Powerpoint和Flash的電子教案已經(jīng)廣泛應(yīng)用并取得良好效果。但近現(xiàn)代物理問(wèn)題及在生產(chǎn)實(shí)際中遇到的物理問(wèn)題往往需要應(yīng)用計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算的方法進(jìn)行分析，這是單純的電子課件所不能實(shí)現(xiàn)的。

另外，物理學(xué)科是在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，物理教學(xué)需要大量實(shí)驗(yàn)的支撐。而高職院校在物理實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)方面普遍存在經(jīng)費(fèi)不足的問(wèn)題，使得大量的物理實(shí)驗(yàn)只能采用演示實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行。這種方式具有滯后性，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象消失快、不清晰，學(xué)生不易觀察，教學(xué)效果不高。

M A T L A B的問(wèn)世，為計(jì)算機(jī)提高物理課程教學(xué)效果提供了強(qiáng)有力的武器。MATLAB中的控制系統(tǒng)工具箱（Control System Toolbox）、通信工具箱（Communication Toolbox）、信號(hào)處理工具箱（Signal Processing Toolbox）、動(dòng)態(tài)仿真工具箱（Simulink Toolbox）、圖形處理工具箱（Image Processing Toolbox）使得MATLAB具有強(qiáng)大的運(yùn)算和作圖功能，且具備操作簡(jiǎn)單、效率高、擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。在電路基礎(chǔ)方面，可使用MATLAB對(duì)微分方程進(jìn)行求解從而進(jìn)行電路暫態(tài)分析、分析三相不平衡交流電路、顯示調(diào)試信號(hào)波形、模擬濾波器和示波器的功能等等[5]。通過(guò)引入MATLAB，可以將龐大的物理專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室“搬到”學(xué)生宿舍，學(xué)生掌握了MATLAB語(yǔ)言更能進(jìn)行創(chuàng)新性研究與實(shí)驗(yàn)，更好、更深入形象地理解課程的內(nèi)容，還可以進(jìn)行探索性學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)。

4 、結(jié)語(yǔ)

近幾年，MATLAB因其通俗易用和強(qiáng)有力的科學(xué)計(jì)算能力等優(yōu)點(diǎn)已成為工程師和科研工作者的首選工具軟件。在歐美的高校，MATLAB已經(jīng)成為自動(dòng)控制理論、信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理等課程的基本教學(xué)工具，如佐治亞理工大學(xué)、麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)伯克利分校等。國(guó)內(nèi)的高校和一些高職院校也在將MATLAB引入理工科教學(xué)和開(kāi)展MATLAB課程的方面做了很多積極的探索。高職院校在這方面起步晚、發(fā)展慢，還未能充分利用Matlab的強(qiáng)大資源。這需要廣大高職院校教師提高自身素質(zhì)，不斷創(chuàng)新，跟上新的形勢(shì)，將省時(shí)、省資金、便于操作的MATLAB又快又好地應(yīng)用到理工科課程的教學(xué)過(guò)程中，進(jìn)一步促進(jìn)今后的教學(xué)和科研工作。

[1]李凌云，張敏銳，王海軍，胡孔贊. MATLAB在高校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 南京曉莊學(xué)院學(xué)報(bào)，2006（4）:122～124.

[2]包麗君. 基于MATLAB教學(xué)平臺(tái)的高職數(shù)學(xué)教學(xué)改革與實(shí)踐[J]. 寧波廣播電視大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（9）：73～75

[3]譚衛(wèi)國(guó). 基于Matlab符號(hào)數(shù)學(xué)工具箱的程序設(shè)計(jì)[J]. 電腦與信息技術(shù)，2004( 1) : 54.

[4]嚴(yán)文祥. 高等數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)淺談[J]. 長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)（綜合版），2006（3）：129～131.

[5]黃忠霖，黃京. 電力電子技術(shù)的MATLAB實(shí)踐[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009.

MATLAB language in vocational high school science and engineering teaching

LIU Zhengxian
Tianjin Maritime College , Tianjin , 300350

Describets he features and functionos f the MATLAB languagea, nalysis of the problemins science and engineerinteg achingi n vocation al colleges, pointedo ut that the introductioonf vocationsacl iencea nd engineeriinng the importance of the MATLAB. Elaborated the proper introduction of MATLAB languagec an realize the scienc e and engineerinng umericacl alculationsi, mulat ion and other, and It is helpfutl o improvte eaching efficiency and cultivate studentsc' omprehen sive ability.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.09.140