基于案例教學(xué)和分步、遞進式任務(wù)設(shè)計的Matlab教學(xué)改革探索

戴麗珍

摘要：Matlab語言及其應(yīng)用是目前大多數(shù)工科專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程，在課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計方面發(fā)揮著越來越重要的作用。本文結(jié)合實際授課情況及學(xué)生反饋信息，探討基于案例教學(xué)和分布、遞進式任務(wù)設(shè)計的教學(xué)改革方法，旨在提高學(xué)生的學(xué)習(xí)激情和參與積極性。實踐表明，該方法可以有效地提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：Matlab語言及其應(yīng)用；工科專業(yè)；案例教學(xué)；分布、遞進式

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）21-0161-02

隨著計算機硬件及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值計算、模擬仿真等相關(guān)技術(shù)在越來越多的領(lǐng)域發(fā)揮著重大作用，而作為三大數(shù)學(xué)軟件之一的Matlab因其在數(shù)值計算方面的優(yōu)勢得到科技人員的廣泛關(guān)注。由于其涉及代數(shù)、幾何等基本數(shù)學(xué)知識，還可以與專業(yè)理論知識緊密結(jié)合，因此大多數(shù)工科專業(yè)都將以《Matlab語言及其應(yīng)用》為基礎(chǔ)的相關(guān)課程列為必修專業(yè)基礎(chǔ)課程。不僅因此，若能熟練地掌握基于Matlab語言的程序編程及仿真應(yīng)用，則可以幫助我們對專業(yè)知識的理解。然而，由于其不屬于計算機等級考試范疇，且大部分專業(yè)將其開設(shè)在本科學(xué)習(xí)的后半階段，因此，盡管市場上有大量的Matlab相關(guān)學(xué)習(xí)資料，若無法充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，將會導(dǎo)致課堂教學(xué)效果不理想。

為了激發(fā)學(xué)生興趣，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的實際能力，文獻[1]提出了“引導(dǎo)式面向?qū)ο蠼虒W(xué)法”，教學(xué)過程以“學(xué)生為主體、教師為引導(dǎo)”。文獻[2]在教學(xué)中設(shè)計基礎(chǔ)教學(xué)、專題教學(xué)和設(shè)計教學(xué)三層環(huán)節(jié)，通過遞進式的教學(xué)模式對Matlab課程進行教學(xué)改革探索。為提高學(xué)生對創(chuàng)新活動的積極性，提高科研創(chuàng)新能力，文獻[3]以數(shù)學(xué)建模及工程案例為教學(xué)素材，探討Matlab課程的教學(xué)模式。針對Matlab課程的教學(xué)，文獻[4]提出“一人為本”的教育理念，通過“實例式教學(xué)、對象式培養(yǎng)、互動式教學(xué)、實踐式訓(xùn)練、深入式學(xué)習(xí)相結(jié)合的教學(xué)模式”，培養(yǎng)學(xué)生的實際能力。

為充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性，提高教學(xué)質(zhì)量，本文結(jié)合我院《Matlab語言及其應(yīng)用》課程的實際教學(xué)情況，探討案例教學(xué)及分步、遞進式任務(wù)設(shè)計的教學(xué)改革。

一、案例教學(xué)

MATLAB是MATrix LABoratory的縮寫，是美國MathWorks公司開發(fā)的一種科學(xué)和工程計算的交互式程序語言。MATLAB具有強大的數(shù)值計算功能，且包含大量與各個學(xué)科專業(yè)知識緊密相關(guān)的函數(shù)可供調(diào)用，可以通過程序調(diào)用方便地實現(xiàn)數(shù)值運算、圖形繪制、模擬仿真等相關(guān)操作。在各個高校，MATLAB已成為線性代數(shù)、控制理論、信號處理、計算機仿真等相關(guān)課程的基本教學(xué)工具。

Matlab主要包括Matlab和Simulink兩個組成部分，其工作界面如圖1所示，主要包含Command Window、Editor、Workspace、Details、Current Folder、Command History等窗口，通過運行Editor內(nèi)編寫的程序或在Command Window內(nèi)輸入的相關(guān)代碼獲得運算結(jié)果。課程講授期間，若單純地介紹Matlab相關(guān)的數(shù)據(jù)及其運算、矩陣分析與處理、數(shù)值運算等基本知識，往往無法調(diào)動學(xué)生的積極性。實際研究表明，在具有一定編程基礎(chǔ)的計算機編程類相關(guān)課程中，先儲備相關(guān)知識而后應(yīng)用于實際問題求解的效果遠遠沒有根據(jù)面對的實際問題尋求解決方案過程中學(xué)習(xí)相應(yīng)基本知識的效果好。因此，在課程設(shè)計環(huán)節(jié)，可將相關(guān)基本內(nèi)容分類歸納至一到多個綜合設(shè)計應(yīng)用中，通過實際求解過程中的問題分析、基本知識、方案制定、編程實現(xiàn)、分析校正等環(huán)節(jié)，掌握相關(guān)知識，完成問題求解。

例如，在導(dǎo)課環(huán)節(jié)，可首先介紹如圖2所示的圖形。圓規(guī)是中學(xué)數(shù)學(xué)課程中的必備工具，借助圓規(guī)我們可以很容易地繪制如圖1所示的圖形，相信絕大多數(shù)學(xué)生都曾繪制過此類圖形。那么，在學(xué)習(xí)計算機編程及仿真技能的今天，能否方便地應(yīng)用Matlab軟件進行計算機繪圖？應(yīng)該如何繪制？如何完成相關(guān)符號標(biāo)記及線型、顏色區(qū)分？要完成此圖的繪制，不僅可以很好地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)課程的興趣，也可以有針對性地學(xué)習(xí)基本知識模塊、鍛煉學(xué)生借助Matlab解決問題的能力。

二、分步、遞進式任務(wù)設(shè)計

上述看似簡單的圖形繪制問題卻涉及到眾多的Matlab基本知識。從表面上看主要是圓及圓弧的繪制，而實際上包含著如圓的方程（直角坐標(biāo)系、極坐標(biāo)系等）、plot繪圖、線的區(qū)分與標(biāo)記（線型、顏色）、曲線交點求解、根據(jù)起止點繪制圓弧等。與此同時，也可以引申至流程圖繪制及實現(xiàn)等相關(guān)知識。

計算機程序語言設(shè)計通常包含順序、判斷、循環(huán)等基本結(jié)構(gòu)，通過分布、遞進式的任務(wù)設(shè)計，該圖形繪制問題可以包含上述基本程序結(jié)構(gòu)，并分層次地鍛煉學(xué)生的思考問題能力和動手解決問題能力。同時，也可以涉及與此相關(guān)的編程技能，如流程圖的設(shè)計等。流程圖是幫助我們理清思路、幫助編程的有效工具。那么，應(yīng)該如何繪制流程圖可作為延伸知識點進行復(fù)習(xí)和強化。完成基本繪圖的步驟如下：

？藎Step 1：在坐標(biāo)系內(nèi)繪制圓心為（x，y）、半徑為r的基準(zhǔn)圓；

？藎Step 2：隨機選取圓上1點（x0，y0）并以此為圓心繪制半徑為r且與基準(zhǔn)圓相交的圓弧1；

？藎Step 3：分別以圓弧1與基準(zhǔn)圓的兩個相交點為圓心繪制半徑為r且與基準(zhǔn)圓相交的圓弧2和3；

？藎Step 4：分別以圓弧2和3與基準(zhǔn)圓的交點為圓心繪制半徑為r且與基準(zhǔn)圓相交的圓弧4和5；

？藎Step 5：以圓弧4和5與基準(zhǔn)圓的共同交點為圓心繪制半徑為r且與基準(zhǔn)圓相交的圓弧6。

根據(jù)此步驟進行的繪圖，簡單易懂，但是在實際編程過程中，除基本的畫圓知識外，存在“重復(fù)勞動”問題，即以交點為圓心的繪圖需要重復(fù)執(zhí)行多次，容易出現(xiàn)錯誤。為解決上述問題，可以使用循環(huán)結(jié)構(gòu)和（/或）判斷結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。因此，若在設(shè)計任務(wù)中加入“循環(huán)/判斷結(jié)構(gòu)”的限制條件，如圖3所示流程圖為例，既可以引申至流程圖的相關(guān)知識，亦可以練習(xí)程序結(jié)構(gòu)的編寫及應(yīng)用。

三、結(jié)語

在實際的授課過程中，可以根據(jù)繪圖步驟、順序講解相關(guān)的基本模塊知識，通過多次課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握Matlab基本知識、繪圖相關(guān)命令、程序結(jié)構(gòu)等相關(guān)知識。再結(jié)合上機練習(xí)和課后習(xí)題，激發(fā)學(xué)生的積極性和參與性，提高教學(xué)質(zhì)量，取得了較為理想的效果。

參考文獻：

[1]彭代慧，祝詩平，傘磊.“引導(dǎo)式面向?qū)ο蟆苯虒W(xué)法在Matlab課程中的應(yīng)用研究[J].中國電力教育，2013，（31）：99-100.

[2]鄒國鋒，傅桂霞，李震梅，等.電信專業(yè)遞進式“Matlab”課程教學(xué)模式探索[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2016，（05）：84-86，89.

[3]余國先，王峻.面向科研創(chuàng)新的Matlab課程教學(xué)模式探索[J].西南師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，43（1）：164-168.

[4]王波，王軍.MATLAB課程的教學(xué)改革思考[J].中國電力教育，2012，（28）：55-56.