面向創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的MATLAB/Simulink課程改革研究

摘要：MATLAB/Simulink大學師生和研究人員普遍使用的學習和研究工具，由于強大的計算和仿真能力，在課程學習和創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)方面起著十分重要的作用。依據(jù)重慶大學MATLAB/Simulink有關(guān)課程的設(shè)置以及實際的教學實踐和研究經(jīng)驗，闡述了該軟件課程的開設(shè)背景，分析了教學實踐中存在的問題，并提出了面向創(chuàng)新實踐的課程改革方案。

關(guān)鍵詞：MATLAB；創(chuàng)新實踐；課程改革

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）21-0029-02

創(chuàng)新是民族進步的靈魂，也是大學發(fā)展的動力。[1]重慶大學前校長林建華認為，重慶大學未來的特色是以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育能力培養(yǎng)為特色的學校。有了實踐創(chuàng)新能力，畢業(yè)生才能更好地適應(yīng)和駕馭未來。但是，由于有限的大學資源很難惠及所有學生，創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)方案很難全面推廣。

MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)軟件，集成了MATLAB和Simulink兩大軟件包。[2]它是一種編程語言和仿真工具，依靠其豐富的功能模塊、強大的計算能力、靈活的二次開發(fā)接口和半實物仿真手段，已廣泛應(yīng)用于電力、金融、生物等眾多領(lǐng)域。[3]如同OFFICE軟件是日常工作必備的工具，MATLAB/Simulink已成為高校廣大師生和研究人員的基本學習和研究工具，對于創(chuàng)新實踐具有重要的作用。

一、大學創(chuàng)新實踐中存在的問題

第一，一所大學的資源十分有限，面對眾多的學生仍然處于“僧多粥少”的狀態(tài)。以重慶大學開展的各種本科生和研究生創(chuàng)新實踐項目來看，大多需要經(jīng)過層層篩選。盡管可以發(fā)現(xiàn)拔尖人才，但也使更多學生失去了創(chuàng)新實踐的機會，這與“競爭力的提升要靠一大批有創(chuàng)新能力的優(yōu)秀的年輕人”的人才培養(yǎng)理念還有差距。

第二，在創(chuàng)新實踐項目的實施過程中，多數(shù)學生的理論基礎(chǔ)不扎實，動手能力差，淡化研究與探索的意識。究其原因，之前缺少實踐機會和條件，進而信心不足。

第三，隨著信息化和仿真技術(shù)的發(fā)展，重慶大學針對不同專業(yè)開設(shè)了各種計算機輔助類課程。但由于課程體系側(cè)重于軟件本身的學習，或者采用“面向課程”的教學模式，使得這類輔助課程始于理論，止于仿真，與解決實際問題有很大差距。從近幾年的本科生和研究生畢業(yè)論文分析可以發(fā)現(xiàn)，對于計算機仿真軟件產(chǎn)生了過度依賴性，對軟件仿真與實踐的融合遠遠不夠，這是一種“濫用”計算機仿真技術(shù)的不良傾向?！盀E用”仿真的真正原因不是軟件仿真多了，而是絕大部分學生對于MATLAB/Simulink的掌握遠遠不夠，未能找到實用化的切入點。

針對以上問題，借助教學科研中應(yīng)用最為廣泛的MATLAB/Simulink軟件，本文根據(jù)近幾年在“計算機輔助電路分析”教學、MATLAB/Simulink培訓和科研中的經(jīng)驗，對電氣工程專業(yè)計算機輔助課程的內(nèi)容體系、教學方法、考核方式和教學效果進行全方位探討，以期達到有效利用計算機仿真技術(shù)和培養(yǎng)創(chuàng)新實踐人才的目的。

二、MATLAB/Simulink在教學和研究中的應(yīng)用

以重慶大學電氣工程學院為例，近幾年學院在專業(yè)基礎(chǔ)選修課中開設(shè)了兩門基于MATLAB的課程：“MATLAB在電氣工程中的應(yīng)用”和“計算機輔助電路分析”。盡管是選修課，但選修率達到了95%以上，僅電氣學院每年就有400多名學生選修，還有弘深、機械等學院的學生選修。

通過對電氣工程學院每年的本科生畢業(yè)設(shè)計、碩士研究生學位論文來看，70%以上的同學都使用MATLAB/Simulink軟件開展課題的研究。重慶大學創(chuàng)新實踐中心每學期都會開設(shè)MATLAB/Simulink有關(guān)的初級、中級到高級培訓，吸引了全校多個學院大量的本科生和研究生參加。

為了進一步掌握MATLAB/Simulink的應(yīng)用現(xiàn)狀和趨勢，對MATLAB/Simulink軟件在國內(nèi)外的學術(shù)貢獻進行了調(diào)研，圖1和表1分別給出了國內(nèi)CNKI數(shù)據(jù)庫和國外三大數(shù)據(jù)庫關(guān)于MATLAB的論文檢索結(jié)果。

CNKI數(shù)據(jù)庫中最近10余年涉及MATLAB的學術(shù)文章合計41萬篇，其中人文社會科學約2600篇、經(jīng)濟與管理科學約2.6萬篇，更多用于工程科學、自然科學。文獻來源主要來自工科實力較強的高校，如前5名依次為天津大學、哈爾濱工業(yè)大學、華中科技大學、重慶大學和浙江大學。

通過對國內(nèi)外期刊數(shù)據(jù)庫對于MATLAB/Simulink的應(yīng)用分析表明：更多文章對于MATLAB/Simulink“用而不言”，實際應(yīng)用量比統(tǒng)計大得多，特別是高水平文章；計算機硬件和軟件的發(fā)展為MATLAB/Simulink廣泛深入應(yīng)用提供了條件；統(tǒng)計數(shù)量增幅放緩，原因之一是現(xiàn)在對軟件本身的關(guān)注降低，更注重軟件的應(yīng)用效果；預(yù)計未來關(guān)于MATLAB/Simulink的直接引用量保持現(xiàn)狀，但會像人們離不開OFFICE一樣，MATLAB正在成為教學研究中的必備工具。

三、MATLAB課程教學實踐中存在的缺陷

重慶大學電氣工程學院現(xiàn)面向全校開設(shè)“MATLAB在電氣工程中的應(yīng)用”和“計算機輔助電路分析”，前者主要包括MATLAB/Simulink的基礎(chǔ)知識和電氣工程有關(guān)的MATLAB函數(shù)，后者涉及電路理論通過MATLAB/Simulink來驗證的具體應(yīng)用，但課程的開設(shè)存在一些缺陷。

1.課程分為理論課和上機課兩部分

理論與上機實踐銜接不緊密，理論部分涉及線性代數(shù)、矩陣理論、數(shù)值計算等知識，而這些往往是高年級甚至研究生的課程，而上機實踐課主要針對已經(jīng)學完的電路原理仿真。這種“面向課程”的教學，是針對已學課程內(nèi)容的再現(xiàn)和重復(fù)，使學生表現(xiàn)“疲勞”，缺少興趣。

2.學時短，內(nèi)容多，合班上課學生多

由于學習能力和學習習慣的差異，“吃不飽”和“撐不下”并存的情況嚴重。

3.學生缺乏學習動力

由于使用MATLAB/Simulink的時間更多是在專業(yè)課的學習、創(chuàng)新研究項目和畢業(yè)設(shè)計階段，學習在學習時缺乏目的性和興趣，[4]導(dǎo)致不少同學學完該課程后僅把MATLAB當作一種高級計算器，忽視了更為深入的應(yīng)用，甚至有碩士生導(dǎo)師報怨研究生連編寫和調(diào)試簡單的MATLAB程序也有困難。

4.考核困難

由于仿真實踐需要計算機操作，存在硬件軟件故障的不確定性，而且平時作業(yè)和上機考試中抄襲現(xiàn)象時有發(fā)生。因此，有必要制訂出合理的考核方式，公正有效地反映出學生的真實水平。

四、MATLAB課程改革與實踐方案

在硬件資源有限的情況下，利用MATLAB/Simulink課程提升學生的創(chuàng)新實踐能力和培養(yǎng)出大批的優(yōu)秀人才。針對現(xiàn)有本科生計算機輔助類課程“過分強調(diào)其輔助服務(wù)功能”和“與實踐脫節(jié)”的問題，[5]以“計算機輔助電路分析”課程作為改革的突破口，改進課程內(nèi)容體系，加強理論、仿真和實踐的結(jié)合，充分發(fā)揮MATLAB/Simulink工具的強大功能，引導(dǎo)學生從單純的“學習型”到“研究探索型”的意識轉(zhuǎn)變，從“理論仿真”到“具體實現(xiàn)”的行為轉(zhuǎn)變，使學生增加一技之長，提高就業(yè)競爭力，同時為畢業(yè)設(shè)計和研究生深造奠定基礎(chǔ)。為此，在以下方面進行了改革和探索。

1.教學大綱的改革

根據(jù)創(chuàng)新型、研究型人才的培養(yǎng)需要，將“MATLAB在電氣工程中的應(yīng)用”與“計算機輔助電路分析”合并，新的課程名稱改為“計算機輔助電子電路分析”，以適應(yīng)“電路原理”“模擬電子技術(shù)”和“數(shù)字電子技術(shù)“以及專業(yè)課的需要。同時在新教學大綱中，對課程內(nèi)容體系進行優(yōu)化?？傉n時由原兩門課的62學時改為52學時，依據(jù)課時適當壓縮純課堂理論，增加上機環(huán)節(jié)學時，將部分理論與上機相結(jié)合。

2.教學方法的轉(zhuǎn)變

由“面向課程”的教學，增加專題訓練和應(yīng)用實踐環(huán)節(jié)，拓寬學生知識面，使學生具有解決問題的能力。采取主講教師專題講座與研究生助教實踐專題報告相結(jié)合。研究生助教“現(xiàn)身說法”，探討MATLAB/Simulink在研究和學習中的應(yīng)用，開拓學生視野和提升興趣。針對不同層次學生分類指導(dǎo)，考慮開設(shè)基礎(chǔ)班和提升班，實行差異化教學。改變教學方法，實現(xiàn)從“學習”到“研究”的思維轉(zhuǎn)變，從“仿真”到“實現(xiàn)”的行為轉(zhuǎn)變，改變過度依賴仿真、始于理論止于仿真的局面，提升學生的上機操作和應(yīng)用實踐能力，以團隊的方式布置專題作業(yè)，培養(yǎng)團隊協(xié)作精神。

3.課程開設(shè)方式和開設(shè)時間的探索，教學計劃的制訂

課程開設(shè)時間延后，學生數(shù)學基礎(chǔ)和專業(yè)基礎(chǔ)更好，有利于為畢業(yè)設(shè)計和深入學習、研究生深造做準備；也可以多學期分段教學，由基礎(chǔ)到專業(yè)逐步深入，改善教學效果。

4.考核體系的修訂

建立合理有效的成績評定體系和考試考查方式，制訂出合理的考核方式，公正有效地反映出學生的真實水平，又能成為激勵學生努力學習、勤奮鉆研的壓力和動力。

五、結(jié)束語

通過MATLAB有關(guān)課程的改革，把MATLAB/Simulink課程從“輔助”角色提升為重要的創(chuàng)新實踐手段，不僅可以大大節(jié)約硬件資源，為更多學生提供鍛煉機會，同時通過創(chuàng)新實踐能力提高，為學術(shù)研究提供支撐。

參考文獻：

[1]劉翠紅，陳秉巖，王建永.基于學生實踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實驗教學改革[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2011，（1）.

[2]劉俏.MATLAB輔助化工原理教學的實踐[J].高等理科教育，

2006，（5）.

[3]呂峰，張哲，呂鵬.MATLAB在電力電子教學實踐中的探究[J].電子世界，2013，（10）.

[4]彭代慧，祝詩平，傘磊.“引導(dǎo)式面向?qū)ο蟆苯虒W法在MATLAB課程中的應(yīng)用研究[J].中國電力教育，2013，（31）.

[5]張昊慧.MATLAB課程教學改革的探索與實踐[J].中國教育技術(shù)裝備，2012，（33）.

（責任編輯：王意琴）