機制專業(yè)MATLAB軟件課程項目式教學研究

李萬兵+黃鵬飛+柳甲榮

摘 要： 基于機制專業(yè)MATLAB軟件課程的學時少、學習理論算法與實踐性較強，學生在學習過程中感覺枯燥乏味、導致授課效果差的問題，提出以項目驅(qū)動的MATLAB教學方法。首先按照學生的興趣，每一章或者兩章內(nèi)容設(shè)置課程項目，將要學習的知識點融入項目；然后對項目所用的理論知識進行簡要說明，用項目帶動學生的學習興趣；最后，在項目的實施過程中注重互動和疑難解答，教學質(zhì)量得到進一步提高。本文以四連桿機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)為例進行實踐，以取得很好的教學效果。

關(guān)鍵詞： 項目式教學 教學方法 MATLAB教學項目 教學研究

1.引言

隨著數(shù)學科學和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，綜合利用數(shù)學知識建立數(shù)學模型，進行科學計算，研究和揭示自然科學中的變化規(guī)律，解決工程領(lǐng)域中的實際問題已成為科學研究的一種重要的方法。數(shù)學作為基礎(chǔ)學科，遍及科學研究和工程應用的各個領(lǐng)域。對于新時期的大學生來說，在學習數(shù)學理論知識的同時，學習探索方法，解決實際問題，將理論知識跟實際應用結(jié)合起來，培養(yǎng)科學研究的意識，掌握科學的方法，逐漸形成自主解決實際問題的能力，開啟創(chuàng)新思維，是目前非常重要和迫切的事情。

為了更好地掌握MATLAB在各行業(yè)、學科中的應用，從實際應用的角度出發(fā)，采用相關(guān)項目來驅(qū)動教學，采取精心設(shè)計項目，讓學生在完成項目的過程中快速地掌握MATLAB語言的一些基本操作和技能[1]。對MATLAB中常用的幾種數(shù)據(jù)類型，單元型變量和結(jié)構(gòu)型變量不易理解，數(shù)值運算主要了解向量及其運算、矩陣運算、數(shù)組及其運算、多項式運算。通過符號計算與數(shù)值計算的對比，引入符號計算及其特點。掌握函數(shù)的應用，M文件的編寫，程序控制，人機交互指令和函數(shù)句柄，二維圖形繪制和三維圖形繪制等知識點。用Simulink實現(xiàn)多個行業(yè)和領(lǐng)域的仿真運算，采用將一些知識點融入項目，自上而下地細分各個子項目，再由各個子項目細分到各個小模塊，在教學過程中由師生進行分析、討論和應用。學生在精心設(shè)計的一些具體項目模塊完成過程中學會主動學習和思考，最終實現(xiàn)學習目標。

2.項目式教學的特點

所謂項目式教學就是以項目為依托，把所要學習的知識點融入項目，通過完成項目實現(xiàn)教學過程的一種教學方法，是一種能激發(fā)學生學習能動性和培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的有效手段[2]。將學習的知識點融入項目中，教師主導項目任務分解和分派，需要按照教學大綱的要求設(shè)計各個知識點的項目和模塊，然后將項目分派給學生，不再是項目執(zhí)行的主宰，學生是項目實施的和完成的對象。在學生實施項目的過程中引導學生分析，不斷地探索，也可以適當?shù)剡M行問題的解答。隨著項目的逐步推進和完成，學生累積課程相關(guān)知識，同時實現(xiàn)知識點的延伸和更新，并最終在課程的末階段完成一個綜合性項目的總體設(shè)計[3]。項目式驅(qū)動教學法主要是針對傳統(tǒng)“教師講學生聽，教師演示學生看”的教學模式的學生積極性不夠，參與性較差的缺點，積極發(fā)揮學生在教學中的主體作用，讓學生首先明確學習的目的和用處，并通過在課堂上或課間的自主探索和互動協(xié)作，主動完成學習任務，掌握相關(guān)的知識，并在項目設(shè)計的過程中體驗樂趣，達到真正學活學懂、觸類旁通的效果。

本文是通過對在校機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)2011級200多名學生使用自行設(shè)計的《民辦院校機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)“MATLAB軟件應用”課程調(diào)查問卷》表進行問卷調(diào)研，得到學生的對于MATLAB課程知識點的需求和興趣點。分析最終的調(diào)研結(jié)果可以得到，參加過數(shù)學建模的學生對MATLAB 的應用認識比較深刻，大部分學生認為設(shè)計一些和機制專業(yè)相關(guān)課程有聯(lián)系的項目，對調(diào)動學習的積極主動性有很大的作用?；诖耍疚脑O(shè)計了一種基于項目式驅(qū)動的MATLAB教學方法，主要包括以下部分：教師完成的項目設(shè)計；項目模塊與知識點；相關(guān)課程的教學知識點的復習（學生課后完成）；項目模塊與知識點相結(jié)合的實踐練習；實踐結(jié)果的講解；內(nèi)容的總結(jié)延伸與拓展。該教學方法的基本流程如圖1所示。

3.項目式教學案例

項目名稱：平面四桿機構(gòu)運動仿真。

知識點及教學要求：學生必須課前復習平面四連桿機構(gòu)類型的確定、運動參數(shù)的確定。本項目為綜合應用項目，學習和運用的知識點有數(shù)值計算，矩陣的定義和使用，邏輯運算，編程中的循環(huán)應用，函數(shù)的定義與使用，非線性方程求解指令求解以上超越方程組，MATLAB繪圖知識，電影動畫的繪制等包含所有的MATLAB基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)學生對所學習的MATLAB知識在具體問題中的應用。學生按照不同的組，完成不同功能函數(shù)的編寫，然后一起討論形成本組一個完整的項目結(jié)果，選派代表給大家講解通過什么方式實現(xiàn)這樣的功能。

項目任務分解：四桿機構(gòu)類型判定；構(gòu)件運動參數(shù)偏角的確定；構(gòu)件運動參數(shù)角速度的確定；節(jié)點位置的確定；最后組合程序完成運動仿真，繪制出四桿機構(gòu)包絡(luò)線圖形，以下是一種實現(xiàn)的方式。

3.1平面四桿機構(gòu)的基本參數(shù)

3.2四桿機構(gòu)類型判定

根據(jù)平面四桿機構(gòu)中，曲柄存在條件[4]，編制M文件在MATLAB中判定機構(gòu)類型：創(chuàng)建函數(shù)Jglxsb，用它識別機構(gòu)類型。

評價實踐結(jié)果及總結(jié)延伸與拓展：該項目為MATLAB所有知識點的融合化大項目，要求學生對算法能夠轉(zhuǎn)換成MATLAB語言，同時對基礎(chǔ)知識要相對比較熟練才能夠完成該項目，對數(shù)值計算，矩陣的定義和使用，邏輯運算，編程中的循環(huán)應用，函數(shù)的定義與使用，非線性方程求解指令求解以上超越方程組，MATLAB繪圖知識，電影動畫的繪制等包含所有的MATLAB基礎(chǔ)知識的考查非常到位。同時學生可以實現(xiàn)其他機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)，雙曲柄機構(gòu)等機構(gòu)的仿真，最終的結(jié)果有該組學生自己討論進行程序編寫與分析。采用四連桿機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)為例進行MATLAB基礎(chǔ)知識綜合實踐，取得很好的教學效果。

4.結(jié)語

在項目驅(qū)動教學中，項目的選擇應該符合學生的專業(yè)方向，由簡單到復雜，并有利于培養(yǎng)創(chuàng)新能力。本文以整本書的MATLAB基礎(chǔ)知識的一個實例介紹了本文的項目式教學方法，該項目完成需要組內(nèi)同學討論，在確定機構(gòu)類型的前提下，按照項目分解進行逐步分析設(shè)計。實現(xiàn)平面四連桿機構(gòu)仿真的過程。另外，通過項目的分解和逐步實現(xiàn)，提高了學生從實際出發(fā)，結(jié)合課程內(nèi)容進行合理的分析問題、解決問題的能力。為了進一步改進方法，提高教學質(zhì)量，在項目式教學法實施過程中教師要不斷嘗試和創(chuàng)新，并對項目內(nèi)容進行外延和總結(jié)，互動和疑難解答?？蓪⒋朔椒ㄍ茝V應用到機制專業(yè)其他課程的學習中，對于提高學習的積極主動性有很大的作用。

參考文獻：

[1]張志涌.MATLAB教程R2012a[M].北京航空航天大學出版社，2012.

[2]伍秀娟，項榮健.以協(xié)作項目為驅(qū)動的教學實踐與應用[J].中國電化教育，2011（5）：92-96.

[3]張靜亞.基于項目驅(qū)動的MATLAB教學方法研究[J].科技教育，2014（36）：147.

[4]王俊峰，田麗萍.Matlab運動仿真在機械原理課程設(shè)計中的應用.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2009，22（4）：187-188.

[5]沈孝通.基于MATLAB的平面連桿機構(gòu)運動分析[J].制造業(yè)信息化，2011（7）：76-79.

基金項目：陜西省教育廳科學研究計劃項目（15JK2170）；西京學院教學改革研究項目（JGYB1505 ）；西京學院基金項目（XJ150110 ）。