電氣信息類專業(yè)MATLAB課程教學(xué)改革探討

王玉芳　葉小嶺　陳逸菲

摘 要：MATLAB數(shù)學(xué)軟件在電氣信息類專業(yè)是較重要的課程。從課程定位、教學(xué)模式、教學(xué)方法以及學(xué)習(xí)方式和能力培養(yǎng)等方面對MATLAB課程教學(xué)改革進行了探討。通過總結(jié)與探索，推動MATLAB課程改革建設(shè)，以提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：電氣信息；MATLAB；數(shù)學(xué)軟件；教學(xué)改革

DOIDOI：10.11907/rjdk.162087

中圖分類號：G434

文獻標(biāo)識碼：A 文章編號文章編號：16727800（2016）011021803

0 引言

MATLAB作為當(dāng)前科技工程界的三大軟件之一，在電氣信息類專業(yè)備受關(guān)注。作為一門高級計算語言，MATLAB可實現(xiàn)數(shù)值計算、數(shù)據(jù)分析、算法設(shè)計、數(shù)據(jù)可視化、建模仿真等功能，應(yīng)用十分廣泛[1]，在數(shù)字信號處理、測試和測量、圖像處理、控制系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)仿真、財務(wù)建模和分析以及計算生物學(xué)等眾多領(lǐng)域均有應(yīng)用。因此，電氣工程及其自動化、電子信息工程、自動化、電子科學(xué)與技術(shù)等電氣信息類專業(yè)均開設(shè)了MATLAB課程[25]。本文探討了MATLAB教學(xué)改革措施，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生綜合能力，提高教學(xué)質(zhì)量。

1 MATLAB簡介

上世紀(jì)70年代，Moler 博士在講授線性代數(shù)課程時，為了減輕學(xué)生編程負擔(dān)，用Fortran編寫了最早的MATLAB[1]。1984年，MathWorks公司成立，正式將MATLAB推向市場。MATLAB 具有強大的數(shù)值計算和良好的圖示功能，易學(xué)易懂，編程效率高，為用戶提供了非常直觀和簡潔的程序開發(fā)環(huán)境。經(jīng)過十幾年的發(fā)展與完善，MATLAB已成為科技界最流行的應(yīng)用軟件之一。在數(shù)學(xué)、工程和科學(xué)理論課程中MATLAB 都是標(biāo)準(zhǔn)的計算工具。MATLAB軟件由MATLAB和Simulink兩大部分組成[1]。MATLAB是Matrix Laboratory兩個詞的組合，意為矩陣實驗室，基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，可實現(xiàn)矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面等功能。Simulink是MATLAB重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，只需通過簡單的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰、仿真精細、貼近實際、靈活效率高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。

2 MATLAB課程改革思路

2.1 正確認知，合理定位

在歐美大學(xué)，諸如應(yīng)用代數(shù)、數(shù)理統(tǒng)計、自動控制、數(shù)字信號處理、電力系統(tǒng)仿真等課程都把MATLAB 作為教學(xué)內(nèi)容，MATLAB 是攻讀學(xué)位必須掌握的基本工具。而國內(nèi)電氣信息類專業(yè)基本上將MATLAB定位為一種輔助教學(xué)、實驗的軟件工具，并未作為一種必須掌握的基本工具來要求學(xué)生。在教學(xué)計劃制定上，絕大多數(shù)高等院校都將MATLAB設(shè)置為選修課，且學(xué)時分配非常少。有些院校學(xué)生評獎評優(yōu)過程中，選修課成績不計入加權(quán)成績計算。因此，學(xué)生對MATLAB課程不重視，甚至輕視敷衍。另外，由于MATLAB課程是在各專業(yè)課學(xué)習(xí)之前開設(shè)，所以學(xué)生對專業(yè)課涉及的內(nèi)容不甚了解，更談不上MATLAB在后續(xù)專業(yè)課程中的應(yīng)用了。因此，任課教師在課程之初要引導(dǎo)學(xué)生正確認識MATLAB課程的作用和重要性。

MATLAB的基本運算功能可以大大降低繁瑣的計算工作量，提高計算效率和準(zhǔn)確性。如求矩陣A的逆矩陣，只要將A輸入到MATLAB命令窗口，調(diào)用inv（A）命令即可輸出結(jié)果。MATLAB內(nèi)部集成了30幾種工具箱，與電氣信息類專業(yè)息息相關(guān)的包括控制系統(tǒng)工具箱、系統(tǒng)辨識工具箱、圖像處理工具箱、魯棒控制工具箱、信號處理工具箱等，不同專業(yè)的學(xué)生通過相關(guān)領(lǐng)域工具箱的認識和學(xué)習(xí)，大大降低了編程難度，易于系統(tǒng)建模和求解。MATLAB具有強大的圖形處理功能，包括二維圖、三維圖、流線圖、流帶圖等，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化。學(xué)生掌握圖形處理方法可為撰寫實驗分析報告、畢業(yè)設(shè)計及科技論文提供直觀專業(yè)的素材。

2.2 激發(fā)興趣，自主探索

MATLAB課程的學(xué)時分配比較少，一般為32學(xué)時，其中實驗占16學(xué)時，但MATLAB涵蓋內(nèi)容較多，授課任務(wù)較重。在授課過程中，如果教師一味追求多講內(nèi)容而忽略學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和消化能力，教學(xué)效果可想而知。所以，教師應(yīng)通過授課內(nèi)容激發(fā)學(xué)生興趣，促使其課下自學(xué)，引導(dǎo)自主學(xué)習(xí)，結(jié)合實驗與答疑方式更好地完成教學(xué)任務(wù)。學(xué)生在自主學(xué)習(xí)過程中難免遇到困難出現(xiàn)錯誤，要鼓勵使用MATLAB提供的幫助系統(tǒng)，或借助網(wǎng)絡(luò)資源及線上論壇答疑解惑，鍛煉學(xué)生的自學(xué)能力。在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，如果教師一步一步手把手地指導(dǎo)學(xué)生怎么做實驗，學(xué)生就只為實驗而機械地跟隨操作，未認真思考實驗方法和出現(xiàn)的問題，以后遇到類似問題仍然不懂，不會舉一反三，導(dǎo)致“學(xué)”與“用”脫節(jié)[6]。因此，在實驗教學(xué)中，教師應(yīng)避免過度指導(dǎo)和干預(yù)，留給學(xué)生足夠的時間和空間去嘗試總結(jié)，調(diào)動學(xué)生的主觀能動性。教師通過適當(dāng)?shù)奶崾編椭治鰡栴}解決問題，給學(xué)生思考的機會，讓學(xué)生真正理解求解問題的方法。

2.3 術(shù)業(yè)專攻，類比啟發(fā)

MATLAB 軟件功能非常強大，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣，要把MATLAB所有功能都掌握也無必要。對于不同學(xué)科專業(yè)學(xué)生，學(xué)習(xí)該課程的性質(zhì)有所不同，授課應(yīng)注重MATLAB在其專業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用[79]。如對自動化專業(yè)學(xué)生，講授的重點是控制系統(tǒng)工具箱和魯棒控制工具箱的應(yīng)用；計算機專業(yè)學(xué)生，講授的重點是計算機視覺處理工具箱和圖像處理工具箱等。MATLAB語言是基于C語言的，其語法特征與C語言極為相似且更簡單[10]。由于在MATLAB課程開設(shè)之前學(xué)生已系統(tǒng)學(xué)習(xí)了C語言，所以在講授基本輸入和M文件編程時可以用類比C 語言中命令和操作的方法授課，這樣可使學(xué)生覺得在C 語言基礎(chǔ)上掌握這門課難度并不大，增強MATLAB課程的學(xué)習(xí)信心。

2.4 實例引導(dǎo)，循序漸進

對于偏重操作的MAT LAB軟件學(xué)習(xí)，逐一介紹知識點會讓學(xué)生覺得枯燥乏味，講授應(yīng)輔以一些生動的實例演示，活躍課堂氣氛。例如在介紹數(shù)據(jù)可視化章節(jié)時，可通過展示具體繪圖命令生成圖形，讓學(xué)生了解MATLAB繪制的圖形類別。如圖1（a）為二維平面圖plot命令的輸出圖例， 圖1（b）為三維曲線圖plot3命令的結(jié)果，圖1（c）為三維網(wǎng)格圖mesh命令的輸出圖形，圖1（d）為三維平面圖surf命令的執(zhí)行結(jié)果。這些圖形繪制的命令并不復(fù)雜，如生成圖1（d）所示的三維平面圖只需如下幾條命令即可：

看起來如此復(fù)雜的圖形幾條語句就可繪制出來，學(xué)生頓感無需“仰視”MATLAB了！這大大增強了學(xué)習(xí)MATLAB課程的信心，也對相應(yīng)知識有了最直觀的認識。在此基礎(chǔ)上，教師再由淺入深、循序漸進地講授理論知識。

2.5 以點帶面，雁陣效應(yīng)

要吸收對科研有興趣的學(xué)生參與科研活動及學(xué)科競賽，通過項目分工，掌握理論和實踐知識，以項目驅(qū)動方式提升學(xué)習(xí)興趣和能力[11]。經(jīng)過項目及競賽鍛煉，提高學(xué)生就業(yè)、考研以及出國留學(xué)的競爭力。優(yōu)秀學(xué)生作為標(biāo)桿，以點帶面，產(chǎn)生雁陣效應(yīng)。

3 結(jié)語

MATLAB軟件應(yīng)用貫穿于電氣信息類專業(yè)學(xué)習(xí)過程。本文從教學(xué)模式和自主學(xué)習(xí)等層面對MATLAB課程教改進行了探討，以期拋磚引玉，推進MATLAB課程教學(xué)創(chuàng)新，提高教學(xué)質(zhì)量。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）