工程認(rèn)證背景下的《MATLAB 基礎(chǔ)》課程教學(xué)大綱設(shè)計(jì)

劉鑫

（河海大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院， 江蘇 常州）

一 引言

工程教育專業(yè)認(rèn)證（簡(jiǎn)稱工程認(rèn)證）是面向現(xiàn)代化教育而對(duì)高等院校的教學(xué)內(nèi)容提出了新的要求，它主要倡導(dǎo)了三個(gè)重要理念：（1）學(xué)生中心理念；（2）產(chǎn)出導(dǎo)向理念；（3）持續(xù)改進(jìn)理念[1]。工程認(rèn)證的主要意義在于讓學(xué)生取得畢業(yè)證書的同時(shí)，也獲得了進(jìn)入國(guó)際就業(yè)市場(chǎng)的“門票”[2]。而對(duì)于高校而言，一直強(qiáng)調(diào)的“提升教學(xué)質(zhì)量”也第一次有了一個(gè)明確的參考框架。在這樣的背景和要求下，為了提高通信工程專業(yè)的本科人才培養(yǎng)質(zhì)量，作為通信工程專業(yè)的任課教師需要不斷完善、修正、改進(jìn)本專業(yè)的教學(xué)大綱，以達(dá)到工程認(rèn)證的基本要求，培養(yǎng)出高質(zhì)量的本科生人才。MATLAB作為一門簡(jiǎn)單、易懂、易學(xué)的編程語言，它的應(yīng)用性十分廣泛[3-5]。它能夠作為一門輔助的編程語言，培養(yǎng)學(xué)生的編程思維、鍛煉學(xué)生的編程能力、錘煉學(xué)生解決問題的能力、激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力。鑒于此，本文對(duì)《MATLAB 基礎(chǔ)》課程的教學(xué)大綱進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，目標(biāo)在于進(jìn)一步提升本門課程的教學(xué)質(zhì)量、深化本門課程的教學(xué)內(nèi)容、提高學(xué)生對(duì)于本門課程知識(shí)點(diǎn)的掌握程度。

二 課程大綱的具體設(shè)計(jì)[4-6]

《MATLAB 基礎(chǔ)》課程共計(jì)32 學(xué)時(shí)，是面向全體通信工程專業(yè)學(xué)生開設(shè)的一門專業(yè)選修課，采用理論教學(xué)與上機(jī)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的授課模式，目的是為了使學(xué)生在掌握理論知識(shí)的同時(shí)，通過上機(jī)編程實(shí)踐進(jìn)一步深入理解編程語言，解決實(shí)際問題。作為一門適用性十分廣泛、使用范圍十分普遍的編程語言，本文課程的主要作用是鍛煉學(xué)生的編程思維以及動(dòng)手解決實(shí)際專業(yè)問題的能力，主要包括建立模型、激勵(lì)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、算法實(shí)現(xiàn)等方面，最終培養(yǎng)學(xué)生在軟件編程方面的基本能力。通過本門課程的學(xué)習(xí)，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生在軟件編程方面的興趣，熟練的運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行科研方面的工作。

(一) 對(duì)應(yīng)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)內(nèi)容

根據(jù)《MATLAB 基礎(chǔ)》課程的基本目標(biāo)與通信工程專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中的畢業(yè)要求以及本專業(yè)對(duì)畢業(yè)要求所分解的2 個(gè)主要的指標(biāo)點(diǎn)如下：

指標(biāo)點(diǎn)1：能夠應(yīng)用通信工程的基礎(chǔ)和專業(yè)知識(shí), 對(duì)通信工程的復(fù)雜問題進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和綜合，得到有效結(jié)論。

指標(biāo)點(diǎn)2：針對(duì)具體通信工程的復(fù)雜問題，能夠選擇和使用合適的現(xiàn)代工具對(duì)問題進(jìn)行模擬分析和預(yù)測(cè)或控制。

(二) 課程目標(biāo)與畢業(yè)要求

本課程以MATLAB 編程語言的基本語句、語法、函數(shù)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)，及其在科學(xué)分析與工程計(jì)算中的應(yīng)用等問題為主要內(nèi)容，結(jié)合通信專業(yè)學(xué)生所需掌握的信號(hào)分析與系統(tǒng)建模等基本知識(shí)點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題，及工程創(chuàng)新應(yīng)用的能力。本課程的教學(xué)目標(biāo)與畢業(yè)要求具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如下。

1.教學(xué)目標(biāo)1

掌握科學(xué)計(jì)算和工程應(yīng)用，特別是通信工程研究領(lǐng)域中一般系統(tǒng)的建模和調(diào)試能力；掌握信號(hào)的時(shí)域和頻域分析、隨機(jī)過程和隨機(jī)數(shù)生成、白噪聲的產(chǎn)生、多元方程組的方程根的求解等基本建模知識(shí)；熟練掌握MATLAB 作為計(jì)算與系統(tǒng)仿真軟件，解決通信研究和工程應(yīng)用中的相關(guān)問題。因此，教學(xué)目標(biāo)1 支撐指標(biāo)點(diǎn)1，即能夠應(yīng)用自然科學(xué)知識(shí)對(duì)通信領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題進(jìn)行識(shí)別、表達(dá)和分析，以獲得結(jié)論。

2.教學(xué)目標(biāo)2

掌握MATLAB 編程語言的基本語法和句柄等概念；掌握分支、循環(huán)、子函數(shù)和嵌套函數(shù)等用戶自定義函數(shù)的設(shè)計(jì)模式，并能以此對(duì)具體的科學(xué)計(jì)算和工程應(yīng)用問題進(jìn)行分析和調(diào)試。因此，教學(xué)目標(biāo)2支撐指標(biāo)點(diǎn)1，即能夠應(yīng)用自然科學(xué)知識(shí)對(duì)通信領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題進(jìn)行識(shí)別、表達(dá)和分析，以獲得結(jié)論。

3.教學(xué)目標(biāo)3

掌握MATLAB 仿真環(huán)境的基本系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其調(diào)試過程，并能根據(jù)不同工程問題背景和性能要求，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，并測(cè)試改進(jìn)，以達(dá)到系統(tǒng)的分析需求。因此，教學(xué)目標(biāo)3 支撐指標(biāo)點(diǎn)2，即針對(duì)具體通信工程的復(fù)雜問題，能夠選擇和使用合適的現(xiàn)代工具對(duì)問題進(jìn)行模擬分析和預(yù)測(cè)或控制。

4.教學(xué)目標(biāo)4

掌握復(fù)數(shù)、字符串、高維數(shù)組、稀疏陣、元胞陣和結(jié)構(gòu)陣等典型數(shù)組的基礎(chǔ)概念和實(shí)際應(yīng)用；并能結(jié)合已有知識(shí)和相關(guān)應(yīng)用例題的講解，使學(xué)生熟悉并掌握通信系統(tǒng)中的幾類典型信號(hào)的產(chǎn)生，及通信過程等基礎(chǔ)模型的構(gòu)造和分析。因此，教學(xué)目標(biāo)4支撐指標(biāo)點(diǎn)2，即針對(duì)具體通信工程的復(fù)雜問題，能夠選擇和使用合適的現(xiàn)代工具對(duì)問題進(jìn)行模擬分析和預(yù)測(cè)或控制。

本門課程的課程目標(biāo)與本專業(yè)的畢業(yè)要求之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表1 所示，其中畢業(yè)要求中的“研究”在本課程中對(duì)應(yīng)指標(biāo)點(diǎn)1，畢業(yè)要求中的“使用現(xiàn)代工具”在本課程中對(duì)應(yīng)指標(biāo)點(diǎn)2。

表1 課程目標(biāo)與畢業(yè)要求的對(duì)應(yīng)關(guān)系表

三 課程教學(xué)內(nèi)容和基本要求

本課程以MATLAB 編程語言的基本語句、語法、函數(shù)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)，及其在科學(xué)分析與工程計(jì)算中的應(yīng)用等問題為主要內(nèi)容，結(jié)合通信專業(yè)學(xué)生所需掌握的信號(hào)分析與系統(tǒng)建模等基本知識(shí)點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題，及工程創(chuàng)新應(yīng)用的能力。更進(jìn)一步，通過本課程的講解，進(jìn)一步激發(fā)起學(xué)生的科研興趣。

《MATLAB 基礎(chǔ)》課程的全部教學(xué)內(nèi)容一共分為11 個(gè)章節(jié)，在授課過程中，每個(gè)章節(jié)要緊抓教學(xué)內(nèi)容、基本要求、知識(shí)要點(diǎn)、重點(diǎn)難點(diǎn)、教學(xué)方法等5 個(gè)模塊。在本課程的教學(xué)大綱設(shè)計(jì)過程中，每個(gè)章節(jié)的主要內(nèi)容如下：1.MATLAB 基礎(chǔ)知識(shí)（包括MATLAB 的發(fā)展，數(shù)值計(jì)算、符號(hào)計(jì)算、繪圖等功能，MATLAB 的操作界面，命令格式與基本規(guī)則，搜索路徑設(shè)置，幫助信息獲取辦法等）；2.MATLAB數(shù)據(jù)對(duì)象（包括數(shù)值數(shù)據(jù)及其操作、變量及其操作、MATLAB 數(shù)組及其操作、MATLAB 中三種運(yùn)算、字符數(shù)據(jù)及其操作、結(jié)構(gòu)體對(duì)象和單元對(duì)象等）；3.MATLAB 程序設(shè)計(jì)（MATLAB 的腳本編輯與實(shí)時(shí)腳本，順序、選擇、循環(huán)三種程序控制結(jié)構(gòu)，函數(shù)文件及調(diào)用，程序調(diào)試，程序性能分析與優(yōu)化等）；4.MATLAB 圖形繪制（包括二維曲線繪制，二維圖形繪制，三維圖形繪制，圖形修飾處理，圖像處理，交互式繪圖工具等）；5.MATLAB 中線性代數(shù)數(shù)值計(jì)算（包括MATLAB 中的線性代數(shù)函數(shù)，矩陣計(jì)算、線性方程求解、計(jì)算特征值和奇異值等）；6.MATLAB 中數(shù)據(jù)分析與多項(xiàng)式計(jì)算（包括求最大值、最小值、和、積、平均值、中值、累加和、累乘積的方法，統(tǒng)計(jì)描述和排序，多項(xiàng)式的四則運(yùn)算、求導(dǎo)、求值、求根、除法變換等）；7.MATLAB 中數(shù)值微分計(jì)算（包括數(shù)值差分與差商，數(shù)值微分的實(shí)現(xiàn)，數(shù)值積分的原理，定積分的數(shù)值求解實(shí)現(xiàn)，多重定積分的數(shù)值求解實(shí)現(xiàn)等）；8.MATLAB 中符號(hào)計(jì)算（包括符號(hào)對(duì)象的建立，符號(hào)對(duì)象的算術(shù)、關(guān)系、邏輯運(yùn)算，符號(hào)極限、導(dǎo)數(shù)、積分，級(jí)數(shù)符號(hào)求和，符號(hào)方程求解，符號(hào)計(jì)算的可視化分析等）；9.MATLAB 中圖形對(duì)象（包括圖形對(duì)象的句柄和屬性，圖形窗口對(duì)象，坐標(biāo)軸對(duì)象，曲線對(duì)象，曲面對(duì)象，文本對(duì)象，動(dòng)畫對(duì)象，光源對(duì)象，材質(zhì)處理等）；10.MATLAB 中App 設(shè)計(jì)（包括圖形用戶界面的對(duì)象概述，控件的常用屬性，調(diào)用GUI函數(shù)建立圖形用戶界面，使用GUIDE 設(shè)計(jì)圖形用戶界面，利用App Designer 設(shè)計(jì)圖形用戶界面等）；11.MATLAB 中Simulink 仿真與分析（包括Simulink 的工作環(huán)境，系統(tǒng)模型構(gòu)建，模塊參數(shù)設(shè)置，仿真參數(shù)設(shè)置，仿真結(jié)果分析，子系統(tǒng)的創(chuàng)建，子系統(tǒng)的封裝等）。

此外，本課程的教學(xué)內(nèi)容中還包含3 次課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)名稱、實(shí)驗(yàn)要求、實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)性質(zhì)、實(shí)驗(yàn)人數(shù)等相關(guān)必要信息見下表2。在本門課程的教學(xué)過程中，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)是必須項(xiàng)，它和理論課程之間呈現(xiàn)了一個(gè)相輔相成的關(guān)系。即理論課程的學(xué)習(xí)是課內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝽樌_設(shè)的一個(gè)基礎(chǔ)，而理論課程的開設(shè)能夠進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握、理解及運(yùn)用。在課內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中，學(xué)以致用并且進(jìn)一步開發(fā)學(xué)生對(duì)于軟件編程、系統(tǒng)建模等領(lǐng)域的興趣。

表2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱與目的要求等的關(guān)系

本門課程的教學(xué)具體要求包括：（1）課堂問題討論與課堂編程作業(yè)；（2）不少于六次課后作業(yè)，并且全部要求用計(jì)算機(jī)完成；（3）課外拓展編程作業(yè)；（4）3 次課內(nèi)實(shí)驗(yàn)；（5）期末考試。在期末考試成績(jī)?cè)u(píng)定過程中，分為課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、平時(shí)成績(jī)、期末考試成績(jī)?nèi)齻€(gè)大項(xiàng)。其中，課堂問題討論與課堂編程作業(yè)、課后作業(yè)、課外編程拓展作業(yè)均屬于平時(shí)成績(jī)。

特別需要強(qiáng)調(diào)的是，在平時(shí)成績(jī)?cè)u(píng)定過程中，對(duì)于積極參與討論、勇于探索的學(xué)生給予一定的加分鼓勵(lì)，一定要充分鼓勵(lì)學(xué)生有自己的想法并激發(fā)起學(xué)生的創(chuàng)造力。以下面的Simulink 模塊教學(xué)中一道習(xí)題為例：

在本題的解答過程中，最直觀的解題思路是利用一個(gè)三輸入的累加( 減) 器，取x''(t) 為輸出，再結(jié)合兩個(gè)積分器，構(gòu)造一個(gè)完整的Simulink 仿真模塊，通過仿真可以得到上述二階微分方程的解x(t) 。

解答思路1：取x''(t) 為累加( 減) 器的輸出，那么上述二階微分方程可變形為：

此時(shí)結(jié)合兩個(gè)積分器，可以構(gòu)造一個(gè)Simulink仿真模塊如圖1 所示。

圖1 思路1 中的Simulink 模塊

但是為了進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，鼓勵(lì)學(xué)生有自己的想法，本題的解題思路大可以不拘一格，還有其他的解題思路。同樣利用一個(gè)三輸入的累加( 減) 器，我們還可以直接取方程的解x(t) 為輸出，此時(shí)再結(jié)合兩個(gè)微分器構(gòu)造一個(gè)完整的Simulink 仿真模塊。

解答思路2：取x(t) 為累加(減)器的輸出，此時(shí)上述二階微分方程可變形為：

此時(shí)再結(jié)合兩個(gè)微分器構(gòu)造Simulink 仿真模塊如圖2 所示。

圖2 思路2 中的Simulink 模塊

最后通過仿真上述兩個(gè)Simulink 模塊，我們可以得到題目中的二階微分方程的解x(t) 如圖3 所示。

圖3 二階微分方程的解

以本題為例，對(duì)于那些善于思考且富有創(chuàng)造力，利用多種思路去解決問題學(xué)生應(yīng)該多加以鼓勵(lì)，在平時(shí)成績(jī)打分的時(shí)候應(yīng)該給予一定的加分。

四 課程思政設(shè)計(jì)[6-8]

（1）融入點(diǎn)1：根據(jù)MATLAB 科學(xué)計(jì)算軟件的發(fā)展歷程，通過MATLAB 能夠保持在科學(xué)計(jì)算、通信仿真、數(shù)據(jù)分析與預(yù)測(cè)中的重要地位，以及MATLAB 在最新通信技術(shù)的應(yīng)用，使學(xué)生體會(huì)自我發(fā)展、緊跟最新技術(shù)發(fā)展的重要性。

（2）融入點(diǎn)2：根據(jù)MATLAB 中腳本程序和Simulink 模型設(shè)計(jì)兩種方式能完成相同系統(tǒng)的仿真，根據(jù)同一圖形或曲面采用不同的修飾方法得到不同的結(jié)果，培養(yǎng)學(xué)生能多角度分析和處理問題的能力。

（3）融入點(diǎn)3：從MATLAB 中自定義函數(shù)、Simulink 中子系統(tǒng)設(shè)計(jì)提高系統(tǒng)仿真的協(xié)作性，加強(qiáng)學(xué)生協(xié)作精神的培養(yǎng)。

（4）融入點(diǎn)4：現(xiàn)階段MATLAB 公司對(duì)我國(guó)某些高校，例如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)等實(shí)施了技術(shù)封鎖，從此事實(shí)出發(fā)鼓勵(lì)學(xué)生勇于探索，積極奮斗，努力創(chuàng)造出屬于我們國(guó)家的編程軟件，培養(yǎng)學(xué)生的愛國(guó)情懷。

五 考核方式

本門課程的考核方式與教學(xué)目標(biāo)、畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)如下表3 所示。表中各考核方式對(duì)應(yīng)教學(xué)目標(biāo)的百分比供參考，可根據(jù)教學(xué)實(shí)際進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，但需要保證對(duì)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)為高支撐的教學(xué)目標(biāo)分值比例高于中等支撐的，而中等支撐的要高于低支撐的。課程綜合成績(jī)由平時(shí)成績(jī)、課內(nèi)實(shí)驗(yàn)成績(jī)及期末考試成績(jī)?nèi)糠纸M成：平時(shí)成績(jī)包括課堂問題討論與課堂編程作業(yè)、課后作業(yè)、課外編程拓展作業(yè)，占20%；實(shí)驗(yàn)成績(jī)包括出勤、實(shí)踐能力、實(shí)驗(yàn)報(bào)告，占20%；考試方式為半開卷筆試，考試成績(jī)占60%。具體的比重可根據(jù)實(shí)際情況做出適當(dāng)調(diào)整。

表3 考核方式與教學(xué)目標(biāo)、畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)表

六 結(jié)語

本文在工程教育專業(yè)認(rèn)證的背景下，以《MATLAB 基礎(chǔ)》課程為例，對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)大綱進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)與完善。目標(biāo)是為了使本文所設(shè)計(jì)的教學(xué)大綱滿足工程認(rèn)證的基本要求，進(jìn)一步提升本門課程的教學(xué)質(zhì)量，進(jìn)一步深化學(xué)生對(duì)于本門課程知識(shí)點(diǎn)的掌握與運(yùn)用。通過理論與實(shí)際相結(jié)合的培養(yǎng)方式，提升學(xué)生的編程水平、錘煉學(xué)生的創(chuàng)新能力、鍛煉學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。