MATLAB軟件在高等職業(yè)工科專業(yè)教育中的運(yùn)用研究

摘要：在高等職業(yè)教育工科專業(yè)教學(xué)中應(yīng)用MATLAB軟件，解決工科基礎(chǔ)理論課程教學(xué)和學(xué)習(xí)中大量數(shù)學(xué)運(yùn)算及邏輯、電路、電力、信號(hào)系統(tǒng)、控制仿真等模擬運(yùn)算所存在的困難。本文就如何應(yīng)用MATLAB數(shù)學(xué)運(yùn)算軟件來提高高等職業(yè)教育理論課程教學(xué)及學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量的探索及建議。

關(guān)鍵詞：高等職業(yè)教育;MATLAB軟件;工科;教學(xué);運(yùn)用探究

引言

高等職業(yè)教育隨社會(huì)對(duì)職業(yè)技能人才培養(yǎng)需求發(fā)展，越來越重視理論應(yīng)用教育教學(xué)知識(shí)技能的延伸，從而促成了專業(yè)理論教學(xué)性質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化特點(diǎn)，以工科專業(yè)尤為突出。運(yùn)用 MATLAB 軟件（美國 MathWorks 公司出品）等技術(shù)創(chuàng)新手段，可以在安全試驗(yàn)環(huán)下，模擬仿真地幫助學(xué)生迅速解決學(xué)習(xí)中理論應(yīng)用運(yùn)算所遇困難，促使學(xué)生積極參與課堂教學(xué)中，提供學(xué)生自主學(xué)習(xí)路徑和拓延學(xué)習(xí)實(shí)踐方法。學(xué)習(xí)過程在計(jì)算機(jī)軟件上進(jìn)行的，仿真現(xiàn)實(shí)問題環(huán)境或?qū)嶒?yàn)材料特性，使學(xué)生更專注于學(xué)習(xí)理論知識(shí)的應(yīng)用成果和技能提升。這就促使高職教育專業(yè)教師更加關(guān)注這類教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)技能的教育改革，從而適應(yīng)技術(shù)社會(huì)的飛速發(fā)展。

1 .MATLAB軟件在教學(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(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件。越來越多的行業(yè)、專業(yè)領(lǐng)域發(fā)展出許多現(xiàn)代技術(shù)方法，應(yīng)運(yùn)而生的諸多技術(shù)工具可以增強(qiáng)和促進(jìn)學(xué)生對(duì)所未來職業(yè)技能需要的理解，以備將來滿足社會(huì)需求。這些工具共通之處都采用計(jì)算機(jī)輔助學(xué)習(xí)，顯著參與教學(xué)工作，諸如MATLAB、Octave、Scilab 和 Mathematica 等軟件應(yīng)用于高等教育教學(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(jì)算和科學(xué)領(lǐng)域的標(biāo)桿。

MATLAB 是一款非常強(qiáng)大的計(jì)算和仿真工具，以虛擬仿真技術(shù)為核心，提供高性能計(jì)算服務(wù)。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(kuò)展功能來增強(qiáng)其應(yīng)用，逐漸應(yīng)用于不同領(lǐng)域。MATLAB 不僅在計(jì)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。在該軟件環(huán)境中，有一些應(yīng)用可以幫助學(xué)習(xí)。

在學(xué)校工科專業(yè)教學(xué)中使用 MATLAB，以為工科專業(yè)教育者創(chuàng)造最新認(rèn)知機(jī)會(huì)為前提，教師在教授工科專業(yè)理論時(shí)，需對(duì)理論專業(yè)內(nèi)容、教育學(xué)和技術(shù)有深入的理解。同時(shí)，還要考慮如何教授理論專業(yè)概念所體現(xiàn)的重要內(nèi)容及應(yīng)用，由此項(xiàng)技術(shù)可將概念闡釋和具象顯示為學(xué)生可以理解的形式。

MATLAB內(nèi)置了非常強(qiáng)大的許多用于解決問題和開發(fā)圖形化虛擬的工具。該軟件使用方法為交互式，學(xué)生可輸入一個(gè)專業(yè)理論表達(dá)式及運(yùn)算數(shù)據(jù)，MATLAB 立即響應(yīng)結(jié)果。還可以應(yīng)用該軟件按順序執(zhí)行的命令組方式編寫可執(zhí)行的腳本及程序，擴(kuò)充解決實(shí)際問題。MATLAB 提供具有數(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，可添加這些工具箱來增強(qiáng)這些功能，應(yīng)用于虛擬仿真、邏輯電路、信號(hào)處理等。

對(duì)于高職工科專業(yè)教師而言，應(yīng)當(dāng)緊跟教育政策與學(xué)科的教學(xué)密切相關(guān)變化，將計(jì)算機(jī)軟件作為一種有效的教學(xué)手段，尤其以MATLAB為例，有必要為滿足自身在計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)中使用部分軟件的需求 做好準(zhǔn)備。將傳統(tǒng)教學(xué)中，教師和學(xué)生在演算紙上進(jìn)行的計(jì)算，轉(zhuǎn)變?yōu)镸ATLAB 軟件中可用代碼程序所呈現(xiàn)出可視化的軌跡，以更好地理解和表述問題，包括矢量矩陣、坐標(biāo)平面兩點(diǎn)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)。

另外， MATLAB軟件教學(xué)應(yīng)用應(yīng)擺脫只供教師使用的局限，而考慮讓學(xué)生也學(xué)會(huì)如何創(chuàng)建自己的腳本和程序，解決專業(yè)理論技能知識(shí)中所遇到的困難。培養(yǎng)學(xué)生編寫 MATLAB 腳本程序，解決困難而復(fù)雜抽象的專業(yè)問題興趣。借此促使學(xué)生學(xué)習(xí)基本編程算法的寫作，培養(yǎng)其自發(fā)解決問題的技能。

2 在教學(xué)中的運(yùn)用探究

采用該軟件的方式進(jìn)行工科基礎(chǔ)理論教學(xué)，實(shí)驗(yàn)硬件功能可轉(zhuǎn)變?yōu)檐浖?，?jié)省大量的實(shí)訓(xùn)設(shè)備儀器耗材購置投入，其經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)是相當(dāng)明顯的。只需在安裝 MATLAB 軟件的計(jì)算機(jī)中打開程序命令窗口，交互調(diào)用工具包或其他功能，包括函數(shù)運(yùn)算、矩陣運(yùn)算等，可立即獲得響應(yīng)結(jié)果，節(jié)省實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件設(shè)置和實(shí)驗(yàn)周期。另外，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)各變量之間實(shí)驗(yàn)或理論規(guī)律，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)，借助軟件內(nèi)化的微分方程和傳遞函數(shù)解決方案，獲得準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。MATLAB 所提供的各類基本模塊庫，如可直接用于系統(tǒng)電路的搭建，運(yùn)行可靠經(jīng)濟(jì)。

2.1 MATLAB 數(shù)組運(yùn)算

“數(shù)組”一詞也經(jīng)常用來泛指向量或矩陣。在 MATLAB 中，一些可以在向量或矩陣上執(zhí)行的操作被稱為數(shù)組運(yùn)算。 MATLAB 軟件將矩陣運(yùn)算、數(shù)值分析、圖形處理、編程技術(shù)結(jié)合在一起，可為用戶提供解決科學(xué)及工程問題強(qiáng)有力的分析計(jì)算。以某高職工科專業(yè)教學(xué)用 MATLAB 來實(shí)現(xiàn)為例， 其他軟件編譯語言中的一維數(shù)組、二維陣列分別等價(jià)于數(shù)學(xué)運(yùn)算中的向量和矩陣。擁有控制系統(tǒng)（ControlSystem）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Neural Network）和模糊邏輯（Fuzzy Logic）（Toolbox）等專門的工具箱，以及可視化動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)、功能強(qiáng)大的圖形用戶界面的MATLAB軟件，非常適合解決電氣、電子、智能控制等工科專業(yè)教學(xué)條件不足的問題。

2.2 三維條形圖的繪制

MATLAB 包含強(qiáng)大的 2D 和 3D 圖形的繪圖功能，為了讀取普通數(shù)據(jù)計(jì)算輸出數(shù)據(jù)，提供了必要函數(shù)和腳本命令。在繪制三維圖形時(shí)，通過 Meshgrid 命令創(chuàng)建三維空間網(wǎng)格。但教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生理解改變繪圖屬性這個(gè)重要的知識(shí)概念困難，因此需要?jiǎng)?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，使得學(xué)生更加直觀的觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果和現(xiàn)象，提升專業(yè)理論知識(shí)教學(xué)效果。

3 結(jié)束語

該軟件被應(yīng)用在高等職業(yè)教育工科專業(yè)理論知識(shí)教學(xué)方法中，旨在提高學(xué)生對(duì)理論問題的理解和解決問題的技能水平。運(yùn)用 MATLAB 現(xiàn)實(shí)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，突破實(shí)驗(yàn)環(huán)境資源的限制，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)策略有很強(qiáng)的影響，通過良好的課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生和教師在一定程度上在降低教學(xué)實(shí)驗(yàn)條件的同時(shí)，滿足控制教學(xué)目標(biāo)，從而可以有效地提高專業(yè)學(xué)習(xí)效果。

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作者簡介：王齊珍時(shí) 性別：男 籍貫：山東省淄博市，民族：漢族 出生年月：1980年3月 學(xué)位：碩士，職稱：講師 研究方向：信息計(jì)算科學(xué) 單位：淄博職業(yè)學(xué)院