淺談物理學(xué)師范專業(yè)的《Matlab應(yīng)用》課程教學(xué)改革

文 林，羅淞文，唐建軍

（1.重慶師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，重慶 401331；2.重慶市璧山中學(xué)校，重慶 402760；3.重慶市第十五中學(xué)，重慶 400330）

一、引言

為貫徹落實(shí)黨的十九大精神，國(guó)家開(kāi)始開(kāi)展普通高等學(xué)校師范類專業(yè)的認(rèn)證工作。此次師范類認(rèn)證的主體是專業(yè)，因此各專業(yè)及專業(yè)所在學(xué)院都高度重視。為了加強(qiáng)師范專業(yè)建設(shè)，優(yōu)化師范專業(yè)質(zhì)量保障體系，提高教師育人質(zhì)量和就業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，師范專業(yè)的人才培養(yǎng)計(jì)劃需要做一些調(diào)整，與之相應(yīng)的專業(yè)課程設(shè)計(jì)也要做相應(yīng)的改革。在這一大背景下，結(jié)合我校物理學(xué)師范專業(yè)的課程開(kāi)設(shè)及培養(yǎng)目標(biāo)，本文將探討我校物理學(xué)師范專業(yè)《Matlab應(yīng)用》課程的教學(xué)改革。

二、課程開(kāi)設(shè)時(shí)間改革

《Matlab應(yīng)用》雖然是一門獨(dú)立的計(jì)算機(jī)軟件課程，但它與其他課程也有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系?！禡atlab應(yīng)用》課程開(kāi)設(shè)的前提條件是，要求學(xué)生具備高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)及計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)等知識(shí)，因此許多理工科院校都將《Matlab應(yīng)用》課程開(kāi)設(shè)在大二或大三。結(jié)合我校物理學(xué)師范專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)和課程開(kāi)設(shè)方案，《Matlab應(yīng)用》課程開(kāi)設(shè)時(shí)間為大一下學(xué)期。這種調(diào)整不僅能更好地為后續(xù)專業(yè)課程服務(wù)，而且也能為學(xué)生參加數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽、物理競(jìng)賽和從事科學(xué)研究等科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理提供新手段。

三、教學(xué)內(nèi)容的改革

Matlab軟件功能十分強(qiáng)大，既為用戶提供諸如數(shù)值和符號(hào)計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)處理等基礎(chǔ)功能，也為用戶提供了控制和通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真、數(shù)字信號(hào)及圖像處理、財(cái)務(wù)與金融工程等功能?？梢哉f(shuō)，《Matlab應(yīng)用》是一門十分實(shí)用的課程。但不同專業(yè)對(duì)Matlab軟件的使用有不同的需求，尤其是結(jié)合我校物理學(xué)師范專業(yè)的課程開(kāi)設(shè)與畢業(yè)生就業(yè)情況，對(duì)該課程的教學(xué)內(nèi)容提出了新的要求。

一方面，我校物理學(xué)師范專業(yè)開(kāi)設(shè)的專業(yè)主干課程主要包括《量子力學(xué)》《數(shù)學(xué)物理方法》《熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理》《概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)》《電磁學(xué)》《光學(xué)》《力學(xué)》《原子物理學(xué)》《電動(dòng)力學(xué)》《固體物理學(xué)》等，這些課程都涉及煩瑣的微積分、非線性代數(shù)方程及方程組求解、矩陣運(yùn)算、微分方程及方程組求解等數(shù)學(xué)計(jì)算，學(xué)生往往因數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不扎實(shí)而拖累了這些課程的學(xué)習(xí)，導(dǎo)致部分學(xué)生在后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)中遇到較大的困難，喪失了學(xué)好物理學(xué)知識(shí)的信心。由于Matlab軟件在數(shù)值計(jì)算和符號(hào)計(jì)算等方面具有高效和便捷的處理能力，為用戶提供了許多函數(shù)工具庫(kù)，因此物理學(xué)師范專業(yè)的《Matlab應(yīng)用》課程教學(xué)內(nèi)容應(yīng)著重講解數(shù)值計(jì)算和符號(hào)計(jì)算方面的內(nèi)容，為學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)課過(guò)程中解決數(shù)學(xué)問(wèn)題提供新手段。

另一方面，Matlab軟件也為用戶提供了功能強(qiáng)大的GUI工具，即圖形用戶界面。通過(guò)Matlab的GUI工具，可開(kāi)發(fā)許多虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。如果學(xué)生掌握了GUI工具的使用，可用其模擬十分抽象的物理概念和復(fù)雜的物理過(guò)程。例如，在量子力學(xué)的學(xué)習(xí)中，學(xué)生可利用Matlab軟件搭建電子雙縫衍射、量子隧穿效應(yīng)、氫原子電子云和斯塔克效應(yīng)等虛擬演示平臺(tái)，幫助其理解相應(yīng)的物理概念和物理過(guò)程。又如，學(xué)生可利用Matlab軟件搭建一些簡(jiǎn)單的中學(xué)物理模擬實(shí)驗(yàn)，為今后的中學(xué)物理教學(xué)提供形象生動(dòng)的手段。因此，針對(duì)我校物理學(xué)師范專業(yè)本科生，《Matlab應(yīng)用》課程也應(yīng)加強(qiáng)對(duì)GUI工具內(nèi)容的教學(xué)，而將通信和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真等內(nèi)容留作學(xué)生課后自學(xué)，學(xué)生可按照自己的興趣和愛(ài)好，選擇自主學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

四、教學(xué)設(shè)計(jì)的改革

教學(xué)設(shè)計(jì)主要包括以教師教為主體的教學(xué)設(shè)計(jì)和以學(xué)生學(xué)為主體的教學(xué)設(shè)計(jì)。在《Matlab應(yīng)用》課程教學(xué)中，教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)將二者有機(jī)結(jié)合起來(lái)，不僅要發(fā)揮教師主導(dǎo)教學(xué)的作用，而且也要充分體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)的教學(xué)體系，從而達(dá)到教學(xué)并重的教學(xué)設(shè)計(jì)理念。針對(duì)物理學(xué)專業(yè)的《Matlab應(yīng)用》課程教學(xué)設(shè)計(jì)，教師不能只以教會(huì)學(xué)生怎么用Matlab軟件為目的。例如在講解Matlab的一些函數(shù)功能時(shí)，不能僅告訴學(xué)生如何調(diào)用該函數(shù)，而且還要對(duì)這些函數(shù)的基本算法原理、使用條件和優(yōu)缺點(diǎn)等做出詳細(xì)的解釋。同時(shí)，學(xué)生在選擇參考書時(shí)，也應(yīng)盡量選擇偏重于物理應(yīng)用方面的Matlab參考書，如北京師范大學(xué)彭芳麟教授主編的《數(shù)學(xué)物理方程的Matlab解法與可視化》和鈔曦旭等教師主編的《Matlab及其在大學(xué)物理課程中的應(yīng)用》?？傊?，在物理學(xué)專業(yè)的《Matlab應(yīng)用》課程教學(xué)中，教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)更偏重于應(yīng)用Matlab軟件解決常見(jiàn)物理問(wèn)題，從而達(dá)到教學(xué)并重的目的。

五、教學(xué)手段的改革

在傳統(tǒng)的《Matlab應(yīng)用》教學(xué)中，教學(xué)過(guò)程大多以教師教、學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)為主，結(jié)果導(dǎo)致學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)積極性。教師在講解該課程內(nèi)容時(shí)，除了給學(xué)生講解Matlab基礎(chǔ)知識(shí)外，應(yīng)注重提升學(xué)生的編程能力。因此，除了開(kāi)設(shè)《Matlab應(yīng)用》的理論課程外，還應(yīng)開(kāi)設(shè)上機(jī)實(shí)踐課程，學(xué)生通過(guò)上機(jī)實(shí)踐課程能很好地理解和掌握所學(xué)知識(shí)，有助于提升學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手編程能力。除此以外，在《Matlab應(yīng)用》的理論課上，教師應(yīng)該多進(jìn)行編程實(shí)例演示，并允許學(xué)生將筆記本電腦帶到課堂，一邊學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)知識(shí)，一邊進(jìn)行編程實(shí)踐，進(jìn)而提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

六、學(xué)生成績(jī)考核的改革

受條件的限制，以前《Matlab應(yīng)用》課程的考核大多以期末筆試為主，側(cè)重于理論基礎(chǔ)知識(shí)考核，對(duì)學(xué)生的實(shí)際編程能力不做任何要求。在這種考核模式下，學(xué)生在平時(shí)學(xué)習(xí)的過(guò)程中，大多通過(guò)死記硬背的方式來(lái)應(yīng)付課程考試，不利于提升學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手編程能力，造成學(xué)生不能靈活運(yùn)用Matlab軟件。因此，除了利用期末筆試對(duì)學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行考核外，必須增加上機(jī)編程考試，加強(qiáng)考核學(xué)生的編程能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，避免期末試卷決定一切的局面。除期末考核以外，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)學(xué)生平時(shí)成績(jī)的考核，學(xué)期總評(píng)成績(jī)應(yīng)采取平時(shí)成績(jī)與期末成績(jī)相結(jié)合的方式。平時(shí)成績(jī)主要考核學(xué)生的出勤、課堂紀(jì)律和課后習(xí)題完成情況。課后習(xí)題應(yīng)以上機(jī)編程為主，除了參考教材的編程習(xí)題外，教師應(yīng)自擬一些與物理學(xué)相關(guān)的習(xí)題，提升學(xué)生編程能力的同時(shí)，也能幫助學(xué)生理解相關(guān)的物理知識(shí)，尤其是與教師科研課題相關(guān)的習(xí)題，還能激發(fā)學(xué)生的探索精神，培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣，提升學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

七、教學(xué)師資的改革

《Matlab應(yīng)用》是一門交叉性和實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)學(xué)理論知識(shí)以及諸多工程理論知識(shí)，因此《Matlab應(yīng)用》課程的教學(xué)，不僅要求教師能熟練地利用Matlab軟件編程，具備扎實(shí)的高等數(shù)學(xué)和線性代數(shù)基礎(chǔ)，還應(yīng)要求教師具有使用Matlab編程的豐富經(jīng)驗(yàn)，這些都關(guān)系到課程目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)和教學(xué)質(zhì)量的提高。針對(duì)物理學(xué)專業(yè)的《Matlab應(yīng)用》課程，應(yīng)選擇具有理論物理研究背景、長(zhǎng)期使用Matlab軟件進(jìn)行物理計(jì)算的物理系教師來(lái)授課。這些教師由于長(zhǎng)期從事理論物理研究工作，其研究課題涉及大量的數(shù)值和符號(hào)計(jì)算，再加上長(zhǎng)期使用Matlab軟件作為編程計(jì)算平臺(tái)，具有豐富的Matlab編程經(jīng)驗(yàn)，有利于將其良好的編程習(xí)慣傳授給學(xué)生，同時(shí)還能理論聯(lián)系實(shí)際，具體教授學(xué)生如何利用Matlab軟件解決實(shí)際物理問(wèn)題，讓物理學(xué)專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)Matlab軟件時(shí)更加接地氣，也為學(xué)生后續(xù)物理課程學(xué)習(xí)奠定了一定的基礎(chǔ)。