MATLAB 軟件在高職智能控制技術(shù)教學(xué)中的運用

李 超

（湖南有色金屬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲 412006）

0 引言

高職智能控制專業(yè)是一門基本學(xué)科，也是必需的工具。高職智能控制專業(yè)教學(xué)的性質(zhì)是動態(tài)的，從為學(xué)習(xí)而學(xué)習(xí)，轉(zhuǎn)向強調(diào)為滿足社會需要而學(xué)習(xí)。運用MATLAB 軟件（美國MathWorks 公司出品）等技術(shù)創(chuàng)新手段，可以促使學(xué)生積極參與課堂教學(xué)中，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成績。學(xué)習(xí)過程在計算機軟件上進(jìn)行的，仿真現(xiàn)實材料特性，使學(xué)生更專注于內(nèi)容的學(xué)習(xí)。高職智能控制專業(yè)教師不應(yīng)僅僅側(cè)重教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)技能，而應(yīng)適應(yīng)技術(shù)社會的飛速發(fā)展。

1 在教學(xué)中的重要性

MATLAB，全稱為Matrix Laboratory，是MathWorks 公司推出的用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件。越來越多的技術(shù)工具可以增強和促進(jìn)學(xué)生對高職智能控制專業(yè)的理解，自從教育機構(gòu)為學(xué)生做好滿足社會需求的準(zhǔn)備以來，發(fā)展出許多加強學(xué)習(xí)的方法和技術(shù)，共通之處都采用計算機和計算機輔助學(xué)習(xí)。世界依賴于科學(xué)和技術(shù)發(fā)明，如果沒有適當(dāng)?shù)闹悄芸刂茖I(yè)知識，就不可能有科學(xué)和技術(shù)發(fā)明。計算機顯著參與了高職智能控制專業(yè)、物理和信息技術(shù)服務(wù)的教學(xué)工作，MATLAB、Octave、Scilab 和Mathematica 等軟件應(yīng)用于教學(xué)已很常見，其中最廣泛使用的是MATLAB 軟件，它被認(rèn)為是技術(shù)計算和科學(xué)領(lǐng)域的標(biāo)桿[1]。

MATLAB 是一款非常強大的計算和仿真工具，以智能控制專業(yè)為核心，提供高性能計算服務(wù)[2]。在此基礎(chǔ)上，MATLAB 提供了附加工具箱，通過在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、醫(yī)學(xué)和生物學(xué)等專業(yè)領(lǐng)域添加更多擴展功能來增強其應(yīng)用，逐漸應(yīng)用于不同領(lǐng)域。MATLAB 不僅在計算中得到了應(yīng)用，而且在教學(xué)過程中也得到了廣泛應(yīng)用。在MATLAB 環(huán)境中，有一些應(yīng)用可以幫助學(xué)習(xí)[3]。

在學(xué)校高職智能控制專業(yè)教學(xué)中使用MATLAB，是以計算機能為高職智能控制專業(yè)教育者創(chuàng)造新機會的最新認(rèn)知為前提的。為了教授高職智能控制專業(yè)，教師需要對高職智能控制專業(yè)內(nèi)容、教育學(xué)和技術(shù)有深入的理解。這意味著，在教師思考高職智能控制專業(yè)教學(xué)理念的同時，也在考慮如何教授高職智能控制專業(yè)概念所體現(xiàn)的重要內(nèi)容，由技術(shù)將概念闡釋為學(xué)生可以理解的形式[4]。

MATLAB 是一個非常強大的軟件包，它內(nèi)置了許多用于解決問題和開發(fā)圖形化虛擬的工具。使用MATLAB 產(chǎn)品的最簡單方法是交互式，用戶輸入一個表達(dá)式，MATLAB 立即響應(yīng)結(jié)果。并可以用MATLAB 編寫腳本和程序，這些腳本和程序本質(zhì)上是按順序執(zhí)行的命令組。MATLAB 是一個具有數(shù)值、圖形和編程功能的圖形軟件包，內(nèi)置了許多操作功能，并且可以添加工具箱來增強這些功能，如用于信號處理等。

高職智能控制專業(yè)教師還應(yīng)當(dāng)跟上教育部門的變化，因為政策變化與學(xué)科的教學(xué)密切相關(guān)。高職智能控制專業(yè)教育工作者強調(diào)計算機作為一種教學(xué)手段的有效性，有必要為我國的高職智能控制專業(yè)教師做好準(zhǔn)備，滿足他們在計算機教學(xué)中使用部分軟件的需求[5]。在傳統(tǒng)教學(xué)中，教師和學(xué)生在演算紙上進(jìn)行的計算，MATLAB 軟件可以用幾行代碼呈現(xiàn)出可視化的軌跡，以更好地理解和表述問題。有了附加命令，就能激活整個動作。MATLAB 應(yīng)該擺脫只供教師使用的局限，學(xué)生也應(yīng)該學(xué)會如何創(chuàng)建自己的腳本和程序。編寫MATLAB 腳本程序，對學(xué)生來說并不復(fù)雜。借由培養(yǎng)學(xué)生興趣，也學(xué)習(xí)一些基本概念的算法寫作。將MATLAB 軟件應(yīng)用于高職智能控制專業(yè)的基礎(chǔ)知識教學(xué)，包括矢量矩陣、坐標(biāo)平面兩點間距離、正弦及其導(dǎo)數(shù)圖、三維條形圖、聯(lián)立方程圖和二次方程圖的教學(xué)中[6]。

2 在教學(xué)中的運用探究

在計算機中安裝MATLAB 軟件后，從“開始”菜單中單擊MATLAB 軟件快捷方式，打開窗口。其中的主要部分是命令窗口，并包含提示符。在命令窗口中，可以交互地使用MATLAB，在提示符下，可以輸入任何MATLAB 命令或表達(dá)式，MATLAB將立即響應(yīng)結(jié)果。系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，是描述系統(tǒng)輸入、輸出變量以及內(nèi)部各變量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。根據(jù)系統(tǒng)的實際結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)各變量之間所遵循的規(guī)律，以建立數(shù)學(xué)模型。通用的數(shù)學(xué)模型有微分方程和傳遞函數(shù)。MATLAB 所提供的13 類基本模塊庫，可以直接用于系統(tǒng)電路的搭建，同時該軟件所提供的儀表功能模塊，都是可靠和經(jīng)濟(jì)的。因此采用軟件的方式進(jìn)行教學(xué)，硬件功能軟件化，可以節(jié)省大量的實訓(xùn)投入，其經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢是相當(dāng)明顯的[7]。

2.1 MATLAB 數(shù)組運算

一些高職智能控制專業(yè)教學(xué)例子將用MATLAB 來實現(xiàn)，從而說明它的多種功能和用途。MATLAB 中的向量等價于其他編譯語言中的一維數(shù)組，矩陣等價于二維陣列。在MATLAB 中，一些可以在向量或矩陣上執(zhí)行的操作也稱為數(shù)組運算，“數(shù)組”一詞也經(jīng)常用來泛指向量或矩陣。MATLAB 軟件將矩陣運算、數(shù)值分析、圖形處理、編程技術(shù)結(jié)合在一起，為用戶提供了一個強有力的科學(xué)及工程問題分析計算工具。MATLAB 擁有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Neural Network）、模糊邏輯（Fuzzy Logic）和控制系統(tǒng)（Control System）等多個專門的工具箱（Toolbox），以及可視化動態(tài)仿真系統(tǒng)、功能強大的圖形用戶界面等，非常適合智能控制。

2.2 三維條形圖的繪制

軟件為了計算輸出數(shù)據(jù)，以函數(shù)和腳本提供了必要命令。但讀取普通數(shù)據(jù)仍非常困難，需要一些機制來闡釋這些數(shù)據(jù)。MATLAB 包含數(shù)個2D 和3D 圖形的繪圖命令，在繪制三維圖形時，通過Meshgrid 命令創(chuàng)建三維空間網(wǎng)格。改變繪圖屬性是其重要的知識，但教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生很難理解這個概念，因此需要創(chuàng)建繪圖處理程序，并使用GET 和SET 命令更改線條顏色或類型。創(chuàng)建用戶的交互體驗，若沒有以前的MATLAB 知識，可以使用按鈕、標(biāo)簽、輸入或復(fù)選框等交互對象。

3 結(jié)束語

演示MATLAB 軟件在矩陣運算、數(shù)值分析圖形處理、編程技術(shù)矢量、矩陣等變量教學(xué)中的集成和圖形繪制，旨在提高學(xué)生對這些疑難題目的理解。運用MATLAB 支持高職智能控制專業(yè)課題的教學(xué)經(jīng)驗，對學(xué)生的學(xué)習(xí)策略有很強的影響，通過良好的課程設(shè)計，使學(xué)生和教師在一定程度上控制仿真，而MATLAB軟件可以有效地提高高職智能控制專業(yè)成績。