Matlab在測(cè)量數(shù)據(jù)處理教學(xué)中的應(yīng)用

王永弟

（1.南京信息工程大學(xué) 遙感學(xué)院，江蘇 南京210044）

Matlab是由美國(guó)MathWorks公司開(kāi)發(fā)的科學(xué)與工程計(jì)算軟件，具有功能強(qiáng)、效率高、簡(jiǎn)單易學(xué)等特點(diǎn)，尤其是矩陣計(jì)算，省時(shí)直觀，適用于理論教學(xué)過(guò)程中展示計(jì)算實(shí)例，用以講解理論公式的計(jì)算過(guò)程，可以改善大學(xué)中課程的教學(xué)效果，使學(xué)生更容易掌握抽象概念和復(fù)雜運(yùn)算。本文探索了Matlab軟件在測(cè)量數(shù)據(jù)處理教學(xué)中的應(yīng)用，使學(xué)生從枯燥無(wú)味的公式推導(dǎo)和繁瑣的復(fù)雜計(jì)算中解放出來(lái)，積極主動(dòng)地參與到課程實(shí)踐中去，從而激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，使他們更直觀地理解測(cè)繪學(xué)科的基本概念，更好地培養(yǎng)他們的動(dòng)手能力。

1 測(cè)量數(shù)據(jù)處理教學(xué)特點(diǎn)和存在的問(wèn)題

1.1 測(cè)量數(shù)據(jù)處理教學(xué)的特點(diǎn)

1）基礎(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)處理[1,2]。其特點(diǎn)是內(nèi)容多、難點(diǎn)多（導(dǎo)線測(cè)量、水準(zhǔn)測(cè)量、前后方交會(huì)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、極坐標(biāo)計(jì)算、曲線要素計(jì)算、施工放樣等）。幾乎涵蓋了所有測(cè)量學(xué)及數(shù)字化數(shù)據(jù)采集的內(nèi)容，是測(cè)量工作中最重要、最耗時(shí)耗力、應(yīng)用最廣泛的內(nèi)容，多數(shù)學(xué)生不容易掌握。

2）測(cè)量平差數(shù)據(jù)處理[3-5]。其特點(diǎn)是理論性強(qiáng)、計(jì)算量大、數(shù)學(xué)知識(shí)運(yùn)用相對(duì)集中（如誤差的基本性質(zhì)與處理、誤差合成與分配、測(cè)量不確定度、線性參數(shù)的最小二乘法處理、回歸分析等）,對(duì)學(xué)生《高等數(shù)學(xué)》、《線性代數(shù)》、《概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)》、《數(shù)值計(jì)算》等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)有較高的要求，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中普遍反映難度較大。

3）大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理[6,7]。其特點(diǎn)是概念多、公式多且長(zhǎng)、計(jì)算精度要求高、計(jì)算工作量大，大多是以Taylor級(jí)數(shù)表達(dá)的開(kāi)放公式，手工計(jì)算費(fèi)時(shí)費(fèi)力，容易出錯(cuò)（如坐標(biāo)系統(tǒng)、地球重力場(chǎng)及地球形狀的基本理論、地球橢球及其數(shù)學(xué)投影變換的基本理論、大地測(cè)量基本技術(shù)與方法等）。

4）數(shù)字圖像處理[8]。其特點(diǎn)是內(nèi)容多、跨度大、覆蓋面廣、起點(diǎn)高、難度大，具有很強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性（如圖像中值濾波、圖像幾何處理、圖像的二值化、圖像頻域處理等）。

1.2 測(cè)量數(shù)據(jù)處理教學(xué)存在的問(wèn)題

1）教學(xué)內(nèi)容多，學(xué)時(shí)安排緊，但課堂效率不高。一般測(cè)量平差基礎(chǔ)和大地測(cè)量學(xué)等課程都是4個(gè)學(xué)分，課堂教學(xué)都是64學(xué)時(shí)，然后期末安排有2周的集中實(shí)習(xí)。課堂教學(xué)主要完成理論知識(shí)的教學(xué)工作，集中實(shí)習(xí)則完成內(nèi)外業(yè)所有實(shí)踐教學(xué)工作。學(xué)生很難在短時(shí)間內(nèi)對(duì)所學(xué)知識(shí)有全面深入的理解和掌握。

2）教學(xué)方法單一枯燥，較難理解的抽象問(wèn)題未能直觀化，使學(xué)生難以接受，課堂效果不佳?？菰锏亩ɡ碜C明、繁瑣的計(jì)算過(guò)程打擊了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，使他們失去了學(xué)習(xí)的興趣[9]。

3）計(jì)算工作量大、精度要求高、公式多且較復(fù)雜、計(jì)算過(guò)程易出錯(cuò)，學(xué)生有畏難情緒。

2 測(cè)量數(shù)據(jù)處理教學(xué)運(yùn)用Matlab的優(yōu)勢(shì)

Matlab將矩陣運(yùn)算、數(shù)值分析、圖形處理、編程技術(shù)結(jié)合在一起，為用戶提供了一個(gè)強(qiáng)有力的分析、計(jì)算和程序設(shè)計(jì)的工具，使用戶可以從繁瑣的程序編寫(xiě)與調(diào)試中解脫出來(lái)。Matlab具有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算、符號(hào)計(jì)算、數(shù)據(jù)分析和可視化、文字圖像處理、動(dòng)態(tài)仿真等功能，靈活運(yùn)用各種功能可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率、培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，從而起到良好的輔助教學(xué)的作用。

將Matlab應(yīng)用到測(cè)量數(shù)據(jù)處理的教學(xué)環(huán)節(jié), 具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)[10]：

1）能夠有效提高專業(yè)課程課堂教學(xué)的效率。Matlab可以運(yùn)用強(qiáng)大的計(jì)算分析功能簡(jiǎn)化公式的推導(dǎo)和概念的敘述，使教師可以把重點(diǎn)放在思維過(guò)程、解決思路和經(jīng)驗(yàn)技巧等的講述和傳授上, 從而使課堂的教學(xué)效率得以提高；同時(shí)能把學(xué)生從復(fù)雜的編程中解放出來(lái),使他們有更多的精力分析和比較各種處理方法,在有限的學(xué)時(shí)中掌握更多知識(shí),提高學(xué)習(xí)效率。

2）有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣, 改善課堂教學(xué)效果。Matlab可以方便迅速地用圖形、圖像、聲音、動(dòng)畫(huà)等表達(dá)計(jì)算結(jié)果,輔助邏輯思維。通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助教學(xué),特別是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便的界面演示，方便快捷、圖文并茂的處理方法,有助于學(xué)生直觀地觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和應(yīng)用的興趣,促使學(xué)生加強(qiáng)對(duì)專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)、理解、掌握和應(yīng)用,從而大大改善課堂教學(xué)的效果。

3）可以加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和認(rèn)識(shí)。使用豐富的Matlab工具箱,可以自己設(shè)計(jì)教學(xué)軟件或教學(xué)多媒體課件的用戶界面，制作靈活多樣的教學(xué)實(shí)例，以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,使學(xué)生對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)處理的認(rèn)識(shí)從原來(lái)的畏難狀態(tài)變得比較自覺(jué)主動(dòng)。

4）有助于豐富專業(yè)課程的教學(xué)資源，改善專業(yè)課程的教學(xué)質(zhì)量。總結(jié)Matlab在專業(yè)課程上的應(yīng)用實(shí)例,可以積累大量的教學(xué)實(shí)例資料,豐富專業(yè)課的教學(xué)資源；及時(shí)發(fā)現(xiàn)教學(xué)上的不足和了解學(xué)生的掌握程度,為教師改進(jìn)教學(xué)工作提供依據(jù),有助于改善教學(xué)質(zhì)量。

3 測(cè)量數(shù)據(jù)處理教學(xué)改革的具體措施

3.1 抽象內(nèi)容直觀化

Matlab強(qiáng)大的可視化功能可以將測(cè)量數(shù)據(jù)處理教學(xué)中抽象的內(nèi)容直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生面前,極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3.2 復(fù)雜計(jì)算簡(jiǎn)單化

在測(cè)量數(shù)據(jù)處理的教學(xué)中,可以借助于Matlab強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能,設(shè)計(jì)出恰當(dāng)?shù)膶?shí)例，進(jìn)行計(jì)算和分析，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)過(guò)程的興趣。

3.3 經(jīng)典實(shí)驗(yàn)打基礎(chǔ)

測(cè)量數(shù)據(jù)處理課程的實(shí)踐性很強(qiáng), 上機(jī)實(shí)驗(yàn)不僅能加深學(xué)生對(duì)理論的理解,鍛煉學(xué)生的編程能力,還能培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑問(wèn)題的能力和創(chuàng)新精神[11]。因此每章結(jié)束后,可以提出1～2個(gè)問(wèn)題，要求學(xué)生利用Matlab軟件自編程序或利用其庫(kù)函數(shù)求解問(wèn)題，并分析計(jì)算結(jié)果。

3.4 案例分析練能力

測(cè)繪工程專業(yè)諸多課程的一個(gè)重要特征就是具有較強(qiáng)的實(shí)踐性。在每個(gè)部分理論教學(xué)完成后,可以安排一個(gè)綜合的案例分析,通過(guò)這些案例分析,使學(xué)生不僅掌握了測(cè)繪數(shù)據(jù)處理的基本方法,而且體會(huì)到了Matlab的強(qiáng)大功能,積累了解決實(shí)際問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)[11]。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于測(cè)繪工程專業(yè)的《測(cè)量學(xué)》、《測(cè)量平差基礎(chǔ)》、《大地測(cè)量學(xué)》、《數(shù)字圖像處理》等這幾門(mén)需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)處理的專業(yè)基礎(chǔ)課程，用Matlab進(jìn)行輔助教學(xué)可以得到事半功倍的效果。Matlab與測(cè)量數(shù)據(jù)處理課程相結(jié)合,可以在教學(xué)過(guò)程中把師生從繁瑣重復(fù)的低級(jí)勞動(dòng)中解放出來(lái)，有更多時(shí)間去思考和理解，不僅改善了課堂教學(xué)效果、提高了教學(xué)效率，而且激發(fā)了學(xué)生實(shí)踐的興趣，提高了學(xué)生應(yīng)用測(cè)量理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。同時(shí)，對(duì)進(jìn)一步提高專業(yè)課程的教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量，推動(dòng)課程建設(shè)的發(fā)展起到積極的作用。

[1]曹俊茹，王艷，宋振柏．測(cè)量學(xué)數(shù)據(jù)處理教學(xué)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J]．地礦測(cè)繪，2012，28（1）：33-35

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[8]劉春國(guó)，韓瑞梅，盧曉峰．遙感專業(yè)《數(shù)字圖像處理》課程教學(xué)探討[J]．地理空間信息，2012，10（3）：180-182

[9]秦永，曹俊茹，劉科利．當(dāng)前測(cè)繪專業(yè)本科教學(xué)存在的問(wèn)題及解決思路[J]．地理空間信息，2012，10（3）：172-174

[10]張建珍，陳振斌，何金戈．Matlab在理工專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用[J]．海南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，28（3）：276-278

[11]桂曙光．基于Matlab平臺(tái)工科碩士研究生數(shù)值分析教學(xué)實(shí)踐[J]．安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2010，12（3）：90-92

[12]寧津生，王儂，翟翊．測(cè)繪高等教育教學(xué)改革研究[M]．北京：測(cè)繪出版社，2005