關(guān)于Matlab/Simulink課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探析

薛耀紅，權(quán) 巍，曲福恒

(長春理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長春 130022)

一、Matlab/Simulink簡介

Matlab是由美國的Mathworks公司推出的數(shù)學(xué)軟件。該軟件集成數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化，以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能于一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，并提供了大量的內(nèi)置函數(shù)，被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)，以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域。Matlab極大地?cái)[脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。Matlab的強(qiáng)大功能主要包括:

(1)數(shù)值計(jì)算、符號(hào)計(jì)算功能強(qiáng)大，語言簡單且運(yùn)算效率高，使用戶擺脫繁雜的計(jì)算過程。

(2)專業(yè)應(yīng)用工具箱和函數(shù)庫的功能豐富，且用戶可編寫自己的函數(shù)，對(duì)工具箱進(jìn)行擴(kuò)展。

(3)圖形處理功能完備，高效地實(shí)現(xiàn)計(jì)算與仿真結(jié)果的可視化。

(4)用戶界面友好，編程語言自然，編程簡單直觀。

Simulink是基于Matlab的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，可以用來對(duì)各種動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、分析和仿真［1］。它的建模范圍廣泛，可以針對(duì)任何能用數(shù)學(xué)來描述的系統(tǒng)進(jìn)行建模，例如航空航天動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)、衛(wèi)星控制制導(dǎo)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等，其中包括了連續(xù)、離散，條件執(zhí)行，事件驅(qū)動(dòng)，單速率、多速率和混雜系統(tǒng)等，利用Simulink幾乎可以做到不書寫一行代碼即完成整個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模工作。此外，Simulink與Matlab緊密集成，可以直接訪問Matlab用大量的工具來進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制，以及信號(hào)參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。毋庸置疑，Simulink已成為在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真方面應(yīng)用的最為廣泛的軟件包之一。

二、Matlab/Simulink課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀及趨勢

鑒于Matlab強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算功能，國內(nèi)很多大專院校的電子、通信、計(jì)算機(jī)、軟件的本科專業(yè)都開設(shè)這門課程作為選修課。特別是近十幾年來，科學(xué)技術(shù)尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展帶動(dòng)了自動(dòng)化領(lǐng)域的知識(shí)結(jié)構(gòu)和技術(shù)手段不斷進(jìn)步，促使新的教學(xué)方法和輔助教學(xué)的手段不斷涌現(xiàn)。特別是在自動(dòng)控制、系統(tǒng)仿真等領(lǐng)域，Matlab/Simulink語言已經(jīng)成為國外許多高校在教學(xué)與科研中首選的計(jì)算工具。此外，國內(nèi)外的許多控制、仿真類教材中，在包含傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，都紛紛增加了Matlab仿真的內(nèi)容。由此可見，將Matlab引入本科生、研究生的相關(guān)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)已成為當(dāng)前國際上發(fā)展的一種大趨勢。

以往的Matlab/Simulink選修課，多采取課堂講授這種單一的教學(xué)模式，不安排實(shí)驗(yàn)課或?qū)嶒?yàn)課以輔助形式出現(xiàn)。這種教學(xué)模式缺乏可視化的直觀表現(xiàn)，抑制了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，嚴(yán)重影響了課程的教學(xué)效果。有些教學(xué)大綱即使安排了實(shí)驗(yàn)課，也只是在授課期間穿插三到四次，且內(nèi)容多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。受實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的影響，加之實(shí)驗(yàn)場所和試驗(yàn)設(shè)備等因素的限制，學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)后，仍對(duì)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容比較模糊。多數(shù)學(xué)生對(duì)知識(shí)原理內(nèi)容的理解仍然是停留在課本上，對(duì)一些概念和結(jié)論仍然感覺比較抽象，缺少感性認(rèn)識(shí)，這樣的實(shí)驗(yàn)課形式非常不利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新能力。所以，如何增強(qiáng)學(xué)生對(duì)課堂知識(shí)的理解和掌握，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用Matlab/Simulink解決實(shí)際計(jì)算機(jī)仿真問題的能力，最終達(dá)到提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性目的，成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)亟待解決的關(guān)鍵問題。

三、Matlab/Simulink課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革策略

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性促使許多高校教師不斷地對(duì)硬件實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革進(jìn)行探討和研究［2－8］。筆者根據(jù)自身的專業(yè)理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合Matlab/Simulink課程的特點(diǎn)及目前國內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，提出以下三點(diǎn)改革方案。

(一)課程設(shè)置及教學(xué)方法的改革

Matlab課程可作為基礎(chǔ)平臺(tái)課程，安排在專業(yè)課之前開設(shè)，以便于后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)時(shí)的應(yīng)用。最好的Matlab課程設(shè)置方案是將其與專業(yè)課同一學(xué)期開設(shè)，從而達(dá)到Matlab實(shí)驗(yàn)課程和專業(yè)課穿插進(jìn)行、相輔相成的目的。

首先，對(duì)于教師來說，兩門課程穿插進(jìn)行，為便于學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，就要求教師盡量選擇含有Matlab仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的教材，而不是一味鉆研生澀難懂的理論知識(shí)，這樣能提高學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解貫通能力以及動(dòng)手能力，形成一種有效的“理論+實(shí)訓(xùn)”的教學(xué)模式;另一方面，這樣的課程設(shè)置方案也有利于Matlab實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容與專業(yè)課的內(nèi)容相配合，要求實(shí)驗(yàn)教師嚴(yán)格根據(jù)專業(yè)課教材中的主要內(nèi)容、重點(diǎn)內(nèi)容確定實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，編寫出既包含傳統(tǒng)Matlab實(shí)驗(yàn)又包含對(duì)應(yīng)專業(yè)課仿真內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)教程，在每一堂實(shí)驗(yàn)課都能做到有的放矢。教師在規(guī)定學(xué)生完成一定的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃和要求的前提下，可以鼓勵(lì)學(xué)生不拘泥于教程中的做法，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行一些創(chuàng)新改進(jìn)，或讓學(xué)生自己提出實(shí)驗(yàn)研究課題，重新設(shè)計(jì)不同的實(shí)驗(yàn)方案，獨(dú)立或與同學(xué)合作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

其次，從學(xué)生的角度來說，由于Matlab界面直觀、程序語言結(jié)構(gòu)簡單，便于理解掌握，并且具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化能力的特點(diǎn)，這樣便于學(xué)生自己編寫程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的驗(yàn)證，能充分地調(diào)動(dòng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力，并有效地提高學(xué)生的創(chuàng)新能力;同時(shí)，由于Matlab具有強(qiáng)大的數(shù)值運(yùn)算能力，實(shí)驗(yàn)過程的運(yùn)算誤差可以得到有效地控制，能有效確保仿真結(jié)果與理論分析的一致性，這樣可以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課的自信心，激發(fā)學(xué)生的動(dòng)手興趣。

此外，Matlab實(shí)驗(yàn)課程應(yīng)該做到單獨(dú)開課，單獨(dú)考核，以得到學(xué)生的足夠重視。在實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)方法問題上，教師在教學(xué)過程中應(yīng)著重激發(fā)學(xué)生的積極主動(dòng)性，以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)，注重師生之間的教學(xué)互動(dòng)。在實(shí)驗(yàn)課講授過程中應(yīng)該有適當(dāng)?shù)奶釂枺c學(xué)生就實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)過程、可能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果等各方面展開討論，讓學(xué)生不僅知道怎么做更要明確為什么這么做，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最終得出科學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

(二)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)環(huán)境的改革

從實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能來看，實(shí)驗(yàn)一般可分為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)及設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證性試驗(yàn)其結(jié)果已經(jīng)給出，其預(yù)期一般就是題目所給的結(jié)果;綜合性實(shí)驗(yàn)是指實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及本課程的綜合知識(shí)或與本課程相關(guān)課程知識(shí)的實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生綜合解決較復(fù)雜的問題，培養(yǎng)學(xué)生綜合已學(xué)到的理論解決新問題的能力;設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是指給定實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊蠛蛯?shí)驗(yàn)條件，由學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并加以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)旨在考察并培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力。在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的性質(zhì)設(shè)置方面，教師應(yīng)遵循厚基礎(chǔ)、重能力培養(yǎng)、加強(qiáng)創(chuàng)新的原則建設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，構(gòu)建四個(gè)層次實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)體系結(jié)構(gòu)。在確?；镜尿?yàn)證性實(shí)驗(yàn)質(zhì)量的同時(shí)，加大綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的比例，徹底改變目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)所占比例較少的現(xiàn)狀，達(dá)到加強(qiáng)學(xué)生科研創(chuàng)新能力的培養(yǎng)的目的。

此外，教師在安排實(shí)驗(yàn)順序時(shí)，應(yīng)本著由淺入深、循序漸進(jìn)的教學(xué)原則，先安排簡單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，繼而逐漸過渡到略為復(fù)雜的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，最終設(shè)計(jì)復(fù)雜程度較高的綜合性實(shí)驗(yàn)，潛移默化中加強(qiáng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，并使學(xué)生一直保持較濃的學(xué)習(xí)興趣。具體對(duì)于Matlab/Simulink這門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)來說，實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容和開設(shè)順序必須緊跟專業(yè)理論課的教學(xué)內(nèi)容由淺入深、逐步推進(jìn)。學(xué)生首先通過專業(yè)理論課的學(xué)習(xí)對(duì)仿真系統(tǒng)和系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)的含義有了初步印象;緊接著在隨后開展的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)課中通過實(shí)驗(yàn)對(duì)專業(yè)課理論中的各個(gè)參數(shù)得到了深入了解，對(duì)參數(shù)具有了比較直觀的感受;繼而再通過設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中，通過搭建仿真模型，并在Simulink仿真環(huán)境中變換這些參數(shù)，進(jìn)一步了解各種參數(shù)校正方式的優(yōu)缺點(diǎn)。這樣不僅鞏固了學(xué)生對(duì)于仿真系統(tǒng)的理論知識(shí)，而且還能加深對(duì)知識(shí)的理解和應(yīng)用，拓展學(xué)生的思維。

最后，通過綜合性實(shí)驗(yàn)課的開展，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入復(fù)雜度更高的系統(tǒng)仿真和分析，有利于提高學(xué)生理論設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)仿真及相應(yīng)的實(shí)物制作與系統(tǒng)調(diào)試的綜合能力。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境的改革方面，實(shí)驗(yàn)室必須配備充足的學(xué)生電腦，保證人手一機(jī)，每個(gè)同學(xué)都有足夠的上機(jī)時(shí)間;實(shí)驗(yàn)室還應(yīng)該配備多媒體教學(xué)設(shè)備，方便教師及時(shí)給班級(jí)演示仿真程序，和學(xué)生分析討論仿真結(jié)果。

(三)考核方法的改革

根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，實(shí)驗(yàn)課應(yīng)與理論課教學(xué)一樣，實(shí)行實(shí)驗(yàn)單獨(dú)考核，制定嚴(yán)格的考核制度。認(rèn)真抓好實(shí)驗(yàn)課程考核，對(duì)于提高實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)質(zhì)量，樹立良好的學(xué)風(fēng)，推動(dòng)素質(zhì)教育有著重要意義。

為了客觀地評(píng)價(jià)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效果，成績?cè)u(píng)定內(nèi)容上應(yīng)包括三個(gè)組成部分:實(shí)驗(yàn)上機(jī)成績、實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績與期末考核成績。每次實(shí)驗(yàn)的上機(jī)成績應(yīng)占總分的50%左右，這樣促使學(xué)生必須在思想上把實(shí)驗(yàn)課上機(jī)操作重視起來，認(rèn)真對(duì)待每次上機(jī)機(jī)會(huì);而實(shí)驗(yàn)報(bào)告通過讓學(xué)生用書面的形式描述實(shí)驗(yàn)過程、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、分析總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，能更好地讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)探究的過程，有利于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣，從而提高實(shí)驗(yàn)技能。實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績應(yīng)占總成績的20%左右;其余30%就是期末的上機(jī)操作考核成績，有利于督促學(xué)生在期末的時(shí)候?qū)υ搶W(xué)期學(xué)到的理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能進(jìn)行概括總結(jié)、復(fù)習(xí)鞏固并融會(huì)貫通。此外，要提高實(shí)驗(yàn)成績?cè)趯W(xué)生總成績中的權(quán)重，引起學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課的足夠重視，實(shí)驗(yàn)成績?cè)诳偝煽冎械臋?quán)重應(yīng)盡量達(dá)到40% ～50%左右。在考題的設(shè)置上，教師應(yīng)該多出一些理論和實(shí)踐相結(jié)合的試題。例如，教師可以出一個(gè)考察校正控制系統(tǒng)的試題，在試題中提供一些系統(tǒng)參數(shù)的初始值，要求學(xué)生進(jìn)行理論推導(dǎo)與計(jì)算，并結(jié)合計(jì)算結(jié)果建立仿真模型并進(jìn)行分析。教師可在試題中設(shè)置一定的仿真目標(biāo)，要求學(xué)生根據(jù)實(shí)際的仿真結(jié)果對(duì)出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，并通過調(diào)節(jié)初始參數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)校正，直到系統(tǒng)的響應(yīng)曲線與試題設(shè)定的目標(biāo)吻合。整個(gè)考試過程涉及的所有的數(shù)學(xué)運(yùn)算都通過Matlab軟件完成，這樣可減少復(fù)雜的運(yùn)算對(duì)學(xué)生考試的影響，使得考試的重點(diǎn)放在學(xué)生理論和實(shí)踐綜合應(yīng)用能力的考察上，既減輕了學(xué)生考試的負(fù)擔(dān)，又提高了考察效果。實(shí)踐證明學(xué)生普遍更歡迎這種實(shí)驗(yàn)課的成績考核方法，認(rèn)為考試成績更能體現(xiàn)出自己的實(shí)際能力。

四、結(jié)束語

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法及內(nèi)容已無法滿足高等院校培養(yǎng)學(xué)生的目標(biāo)需求，故需深化高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。Matlab/Simulink實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，可大大提高控制系統(tǒng)、系統(tǒng)仿真等專業(yè)理論課程的教學(xué)質(zhì)量，改善實(shí)驗(yàn)效果，既調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識(shí)積極性和創(chuàng)造性，又培養(yǎng)了學(xué)生的分析、設(shè)計(jì)和調(diào)試控制系統(tǒng)的能力;同時(shí)，還解決了現(xiàn)階段各高校學(xué)生人數(shù)多、儀器少之間的矛盾，進(jìn)一步降低了教學(xué)成本。

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