復(fù)雜工程驅(qū)動(dòng)的MATLAB課程改革

張靜亞+范瑜

摘要：以成果為導(dǎo)向的工程教育理念重塑了學(xué)習(xí)與教學(xué)之間的關(guān)系，改變了傳統(tǒng)的“灌輸式”教育，取而代之的是學(xué)習(xí)型、研究型教育。這種人才培養(yǎng)理念集中體現(xiàn)在專業(yè)課程體系的建立中，同時(shí)也體現(xiàn)在諸如MATLAB（Matrix Laboratory）課程的各門專業(yè)課程教學(xué)過(guò)程中。本文結(jié)合課程特點(diǎn)，提出通過(guò)復(fù)雜工程問(wèn)題中的高級(jí)數(shù)據(jù)處理和快速原型化來(lái)推進(jìn)MATLAB課程內(nèi)容教學(xué)以及驅(qū)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的教學(xué)設(shè)計(jì)思路，同時(shí)給出了復(fù)雜工程問(wèn)題驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方式和學(xué)習(xí)成果評(píng)價(jià)方法。

關(guān)鍵詞：MATLAB；復(fù)雜工程問(wèn)題；工程教育；學(xué)習(xí)成果

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）15-0140-02

基于矩陣運(yùn)算的MATLAB是一種可用來(lái)分析和設(shè)計(jì)系統(tǒng)的科學(xué)計(jì)算工具，廣泛應(yīng)用于音頻、視覺(jué)、無(wú)線通訊、深度學(xué)習(xí)等工程領(lǐng)域，可將產(chǎn)生于復(fù)雜系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，應(yīng)用健壯的相關(guān)算法去理解發(fā)生過(guò)什么，預(yù)測(cè)將要發(fā)生什么，并進(jìn)行決策或建議行動(dòng)方向。另外，MATLAB通過(guò)擴(kuò)展使得其代碼可以與其他語(yǔ)言集成，加快了算法和應(yīng)用程序的原型化[1]。

以成果為導(dǎo)向的電子信息類工程人才培養(yǎng)理念強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為主體，關(guān)注培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)、能力和素質(zhì)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)與過(guò)程[2]。這種人才培養(yǎng)理念集中體現(xiàn)在專業(yè)課程體系的建立中，它要求課程體系的建立以及課程的實(shí)施能夠支撐學(xué)生將數(shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)、專業(yè)知識(shí)和科學(xué)方法用于設(shè)計(jì)、解決、分析、研究和評(píng)價(jià)復(fù)雜工程問(wèn)題，同時(shí)也體現(xiàn)在諸如MATLAB課程的各門專業(yè)課程教學(xué)過(guò)程中，并引導(dǎo)教師思考如何在教學(xué)過(guò)程中將成果導(dǎo)向的主動(dòng)式教育替代傳統(tǒng)內(nèi)容導(dǎo)向的被動(dòng)式教育[3]，圖1描述了該人才培養(yǎng)理念中各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的相互關(guān)系。本文基于成果導(dǎo)向的教育理念，結(jié)合MATLAB這一工具特點(diǎn)，提出通過(guò)復(fù)雜工程問(wèn)題中的高級(jí)數(shù)據(jù)處理來(lái)推進(jìn)課程內(nèi)容教學(xué)以及驅(qū)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的教學(xué)設(shè)計(jì)思路，同時(shí)給出了復(fù)雜工程問(wèn)題驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方式和學(xué)習(xí)成果評(píng)價(jià)方法。

一、復(fù)雜工程驅(qū)動(dòng)教學(xué)法的特點(diǎn)

在以成果為導(dǎo)向的工程教育中，教師需轉(zhuǎn)變課堂的重心，把關(guān)注點(diǎn)從知識(shí)轉(zhuǎn)變到面臨的復(fù)雜工程現(xiàn)象、困惑、挑戰(zhàn)中得到解決問(wèn)題[4]。教師在教學(xué)過(guò)程中起到引導(dǎo)作用，起到對(duì)新形態(tài)、新形勢(shì)下的與課程相關(guān)資源的整合、運(yùn)用、組織和進(jìn)一步的挖掘，包括對(duì)傳統(tǒng)的書本、網(wǎng)絡(luò)課程、視頻、音頻的整合。在教師的引導(dǎo)下將課程的淺學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袕V度、深度和高度的知識(shí)[5]。

以工程驅(qū)動(dòng)的MATLAB教學(xué)方法正是基于對(duì)以上教育理念的思考而提出的。在教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生的能力通過(guò)團(tuán)隊(duì)互動(dòng)和創(chuàng)新得到訓(xùn)練，學(xué)生的素養(yǎng)通過(guò)工程所在的好的文化和環(huán)境得到熏陶，學(xué)生的智慧在復(fù)雜工程問(wèn)題設(shè)計(jì)、解決和分析研究中通過(guò)對(duì)前人的仿效和進(jìn)一步的提升來(lái)感悟。

二、復(fù)雜工程驅(qū)動(dòng)的MATLAB教學(xué)內(nèi)容新布局

傳統(tǒng)的MATLAB課程的教學(xué)內(nèi)容主要包括了MATLAB矩陣運(yùn)算，其中的矩陣產(chǎn)生、賦值、引用和存儲(chǔ)方式是學(xué)習(xí)的重點(diǎn)。在建立了矩陣的基本運(yùn)算方法之后，進(jìn)一步引出基于MATLAB的數(shù)值計(jì)算問(wèn)題。除了數(shù)值計(jì)算之外，MATLAB符號(hào)運(yùn)算也是作為一種特殊的高級(jí)語(yǔ)言具有的特點(diǎn)，將應(yīng)用數(shù)值和符號(hào)計(jì)算的命令通過(guò)函數(shù)和腳本文件的形式表現(xiàn)出來(lái)，則完成了MATLAB語(yǔ)言編程的基本教學(xué)要求。另外，在各個(gè)教學(xué)內(nèi)容講解和實(shí)踐中，矩陣數(shù)據(jù)的可視化是幫助學(xué)生理解和分析問(wèn)題的關(guān)鍵手段，因此常常貫穿于整個(gè)教學(xué)過(guò)程中[6]。

與傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容不同，在復(fù)雜工程驅(qū)動(dòng)的MATLAB教學(xué)中，我們主要強(qiáng)調(diào)的是工程應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)，因此教師除了需要提煉傳統(tǒng)的課程知識(shí)點(diǎn)之外，還需要增加從MATLAB應(yīng)用發(fā)布、代碼生成、硬件在環(huán)、并行計(jì)算等方面引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行復(fù)雜工程問(wèn)題的設(shè)計(jì)、分析、實(shí)踐和研究，把文本編輯、數(shù)學(xué)公式、代碼、圖形完美地結(jié)合，從而進(jìn)行探索式編程和交互式描述。運(yùn)用MATLAB上的應(yīng)用程序模塊、標(biāo)準(zhǔn)用戶界面組件以及儀表、開(kāi)關(guān)和指示燈，緊密結(jié)合可視化設(shè)計(jì)和代碼開(kāi)發(fā)，生成面向?qū)ο蟮拇a，方便共享，最終實(shí)現(xiàn)從模型到樣機(jī)驗(yàn)證直至工程化的快速迭代。新布局下MATLAB在工程中的應(yīng)用框圖如圖2所示。

三、工程驅(qū)動(dòng)的MATLAB教學(xué)方式和學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)

當(dāng)前，網(wǎng)絡(luò)信息豐富，網(wǎng)絡(luò)教育崛起，課堂教育模式日趨需要進(jìn)行改變。為了改變傳統(tǒng)“灌輸式”被動(dòng)學(xué)習(xí)的教學(xué)方式，MATLAB教學(xué)采用多種教學(xué)方式相結(jié)合，在解決工程問(wèn)題的不同階段以及在不同的單元中采用不同的教學(xué)方式，具體包括講授、課程討論、問(wèn)題導(dǎo)向?qū)W習(xí)、分組合作學(xué)習(xí)、專題討論、實(shí)踐學(xué)習(xí)、發(fā)表學(xué)習(xí)等。

學(xué)習(xí)成果的評(píng)價(jià)是課程持續(xù)改進(jìn)的基礎(chǔ)，通常以學(xué)生課程成績(jī)來(lái)體現(xiàn)。根據(jù)MATLAB課程特點(diǎn)，學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)的評(píng)價(jià)項(xiàng)目包括平時(shí)成績(jī)、期中成績(jī)和期末成績(jī)。其中平時(shí)成績(jī)占50%，期中成績(jī)和期末成績(jī)各占20%和30%。對(duì)平時(shí)成績(jī)的細(xì)項(xiàng)配分是本課程體現(xiàn)工程驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)和學(xué)生學(xué)習(xí)成果導(dǎo)向教育理念的重點(diǎn)之一，具體包括觀察為主的工程實(shí)踐過(guò)程評(píng)價(jià)，動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)合作能力評(píng)價(jià)，答辯、匯報(bào)形式的語(yǔ)言表達(dá)能力評(píng)價(jià)，以工程項(xiàng)目的書面報(bào)告形式的文檔書寫評(píng)價(jià)，工程效果展示評(píng)價(jià)，等等。具體項(xiàng)目和分值如表1所示。

四、結(jié)語(yǔ)

工程驅(qū)動(dòng)的MATLAB課程教學(xué)是以實(shí)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)成果為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)設(shè)定課程預(yù)期目標(biāo)來(lái)培養(yǎng)各個(gè)核心能力，并達(dá)成最終的學(xué)習(xí)成果。MATLAB課程內(nèi)容與教學(xué)目標(biāo)對(duì)應(yīng)，涵蓋與工程相關(guān)的設(shè)計(jì)、分析、實(shí)施等方面的教學(xué)內(nèi)容，目標(biāo)和內(nèi)容不脫節(jié)，教學(xué)方法多樣、明確，課程學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)方法在傳統(tǒng)的方法基礎(chǔ)上作了調(diào)整，在比例和手段方面都有所增加。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳愛(ài)萍.基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)的Matlab與控制系統(tǒng)仿真教學(xué)方法改革[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2012，（11）.

[2]李志義.我國(guó)工程教育改革的若干思考[J].中國(guó)高等教育，2012，（20）.

[3]盧葦，蔡圓媛，邢薇薇.國(guó)際化軟件人才培養(yǎng)模式改革與創(chuàng)新[J].高等工程教育研究，2013，（01）.

[4]海鶯.基于OBE模式的地方工科院校課程改革探析[J].當(dāng)代教育理論與實(shí)踐，2015，（04）.

[5]姜宇，姜松.基于工程教育認(rèn)證的教師教學(xué)創(chuàng)新能力研究[J].高校教育管理，2015，（06）.

[6]張靜亞.基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的MATLAB教學(xué)方法研究[J].科技資訊，2014，（12）.