Matlab語(yǔ)言在高等院校碩士實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的改革實(shí)踐
——以資源與環(huán)境專業(yè)“高級(jí)計(jì)量地理學(xué)”為例

賀 智

（1.中山大學(xué) 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275；2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室〔珠?！?，廣東 珠海 519082）

引言

與本科教育注重通才培養(yǎng)不同，高校研究生教育擔(dān)負(fù)著培養(yǎng)高層次專才與創(chuàng)新的使命，是國(guó)家科技進(jìn)步的基石。在新時(shí)代背景下，我國(guó)研究生教育取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，已成為世界研究生教育大國(guó)。2019年2月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《中國(guó)教育現(xiàn)代化2035》，將推進(jìn)教育現(xiàn)代化上升至國(guó)家戰(zhàn)略；2020年9月，教育部發(fā)布《關(guān)于加快新時(shí)代研究生教育改革發(fā)展的意見(jiàn)》，對(duì)高校研究生教育提出了“健全三全育人機(jī)制”“對(duì)接高層次人才需求”“全面從嚴(yán)加強(qiáng)管理，提升培養(yǎng)質(zhì)量”等要求。因此，如何抓住機(jī)遇促進(jìn)高等院校碩士實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革與創(chuàng)新，是當(dāng)務(wù)之急。筆者根據(jù)十余年科研經(jīng)驗(yàn)與八年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，以教授的“高級(jí)計(jì)量地理學(xué)”為例，探索新時(shí)代背景下碩士實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革策略，對(duì)培養(yǎng)順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的地理學(xué)人才具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、新時(shí)代背景下碩士“高級(jí)計(jì)量地理學(xué)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀及問(wèn)題

1953年，Schaefer等人發(fā)起了對(duì)區(qū)域?qū)W派的批評(píng)與否定，拉開(kāi)了計(jì)量運(yùn)動(dòng)的帷幕。經(jīng)過(guò)近70年的發(fā)展，計(jì)量地理學(xué)的理論日臻成熟。由于計(jì)量地理學(xué)將數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于地理學(xué)，同時(shí)又服務(wù)于地學(xué)理論研究與應(yīng)用實(shí)踐，該課程在地理學(xué)科體系中占據(jù)重要位置，對(duì)培養(yǎng)中國(guó)地理學(xué)人才發(fā)揮了重要作用?！案呒?jí)計(jì)量地理學(xué)”是中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院資源與環(huán)境專業(yè)碩士必修課程，該課程要求學(xué)生能靈活運(yùn)用數(shù)學(xué)方法描述、分析和解決實(shí)際地理學(xué)問(wèn)題。計(jì)量地理在生產(chǎn)實(shí)踐中的顯著成效與廣闊前景，受到了廣大地學(xué)工作者的關(guān)注，國(guó)內(nèi)多所高校（如北京大學(xué)、北京師范大學(xué)、華東師范大學(xué)等）都設(shè)置了計(jì)量地理相關(guān)課程，并誕生了一系列相關(guān)教材，主要有張超的《計(jì)量地理學(xué)基礎(chǔ)》和徐建華的《計(jì)量地理學(xué)》。近年來(lái)，隨著大數(shù)據(jù)與人工智能的發(fā)展［1-3］，與計(jì)量地理學(xué)相關(guān)的新數(shù)據(jù)、新技術(shù)和新方法不斷涌現(xiàn)，給課程教學(xué)帶來(lái)了新機(jī)遇與挑戰(zhàn)，但同時(shí)也暴露了“高級(jí)計(jì)量地理學(xué)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題［4］。

（一）實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容更新速度滯后于時(shí)代發(fā)展

“高級(jí)計(jì)量地理學(xué)”是一門難度頗大的課程［5］，涉及繁雜的數(shù)學(xué)理論、公式與模型，要求授課教師不但要注重理論基礎(chǔ)，更要注重理論方法的實(shí)際應(yīng)用。以本文作者講授的“高級(jí)計(jì)量地理學(xué)”為例，整門課程只設(shè)置了36個(gè)學(xué)時(shí)，包含24個(gè)理論學(xué)時(shí)與12個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，課程內(nèi)容較多但課時(shí)量少，且理論與實(shí)驗(yàn)分配不均，導(dǎo)致教學(xué)中重理論輕實(shí)驗(yàn)，目前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要是利用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)求解1～2個(gè)課后習(xí)題，沒(méi)有涉及源于業(yè)務(wù)部門實(shí)際需求的實(shí)驗(yàn)選題。此外，由于教材更新速度慢，較少涉及最新的技術(shù)方法與應(yīng)用需求，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)與遙感、測(cè)繪、規(guī)劃等生產(chǎn)部門的實(shí)際需求聯(lián)系不夠緊密，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的更新速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于時(shí)代發(fā)展，成為“高級(jí)計(jì)量地理學(xué)”教學(xué)過(guò)程中的痛點(diǎn)問(wèn)題。

（二）實(shí)驗(yàn)軟件對(duì)深入理解理論算法的幫助有限

“高級(jí)計(jì)量地理學(xué)”是一門直接對(duì)接應(yīng)用需求的課程，學(xué)生需運(yùn)用軟件來(lái)解決問(wèn)題。與本科階段零基礎(chǔ)相比，碩士研究生對(duì)領(lǐng)域知識(shí)已經(jīng)有了一定的認(rèn)識(shí)，對(duì)ArcGIS、ENVI、SPSS等軟件也已經(jīng)熟悉，但學(xué)生來(lái)自全國(guó)各地的本科院校，前期基礎(chǔ)與知識(shí)背景參差不齊。因此，如何把握實(shí)驗(yàn)教學(xué)難度，促使學(xué)生在保持興趣的同時(shí)加深對(duì)理論算法的理解，是教學(xué)面臨的實(shí)際困難。Matlab軟件是由美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件［6］，適用于矩陣運(yùn)算與信息分析設(shè)計(jì)，從學(xué)生反饋來(lái)看，與C/C++、Python、R語(yǔ)言等手敲代碼軟件相比［7］，Matlab使用更方便簡(jiǎn)潔，有大量函數(shù)庫(kù)可供調(diào)用，更側(cè)重訓(xùn)練學(xué)生的算法設(shè)計(jì)能力；除了地學(xué)領(lǐng)域，Matlab還被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、醫(yī)學(xué)等。此外，中山大學(xué)已經(jīng)購(gòu)買了Matlab的正版軟件授權(quán)，校內(nèi)師生可從學(xué)校主頁(yè)快速下載安裝，為師生的教學(xué)科研提供了較好的基礎(chǔ)條件。因此，對(duì)高等院校碩士研究生而言，Matlab難度適中，可鍛煉學(xué)生手敲代碼、一行一行編程的能力和對(duì)復(fù)雜理論算法的理解能力。

（三）實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果評(píng)價(jià)體系尚需健全完善

教學(xué)效果可衡量教師的教學(xué)水平與學(xué)生的認(rèn)真程度。目前，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的評(píng)價(jià)體系仍有待完善，主要表現(xiàn)在以下幾方面：（1）對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果重視程度不夠，存在重理論、輕應(yīng)用的思想，課程評(píng)分理論知識(shí)學(xué)習(xí)占比過(guò)大，實(shí)驗(yàn)占比較小，對(duì)動(dòng)手能力的重視程度需加強(qiáng)；（2）評(píng)價(jià)方式單一，現(xiàn)有教學(xué)效果的評(píng)價(jià)主要采用“唯報(bào)告論”，僅關(guān)注最終呈現(xiàn)的報(bào)告結(jié)果，忽略了學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題與團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的評(píng)價(jià)；（3）教師布置的實(shí)驗(yàn)題目有一定的局限性，容許學(xué)生自由探索與發(fā)揮的空間有限，阻礙了主觀能動(dòng)性的培養(yǎng)。

二、Matlab語(yǔ)言在“高級(jí)計(jì)量地理學(xué)”課程實(shí)驗(yàn)中的教學(xué)改革探索

針對(duì)大數(shù)據(jù)與人工智能背景下“高級(jí)計(jì)量地理學(xué)”教學(xué)存在的不足，從教學(xué)體系、教學(xué)模式和考核制度三個(gè)方面提出教學(xué)改革實(shí)踐方案，旨在響應(yīng)國(guó)家教育現(xiàn)代化戰(zhàn)略需求與新時(shí)代研究生教育改革發(fā)展意見(jiàn)，培養(yǎng)高層次創(chuàng)新人才。

（一）構(gòu)建緊跟時(shí)代發(fā)展步伐的實(shí)驗(yàn)教學(xué)專題

為了使實(shí)驗(yàn)教學(xué)緊跟時(shí)代發(fā)展步伐，綜合國(guó)內(nèi)外最新研究進(jìn)展［8］，每年定期更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，推陳出新，不斷完善與改進(jìn)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)專題，將基礎(chǔ)與前沿結(jié)合，突出重點(diǎn)并刪除重復(fù)教學(xué)內(nèi)容，凝練三個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)專題：時(shí)空問(wèn)題（空間分布測(cè)度、時(shí)間序列分析）、統(tǒng)計(jì)問(wèn)題（地理要素間的相關(guān)分析與回歸分析、地理要素關(guān)系的主成分分析與馬爾科夫預(yù)測(cè)）與規(guī)劃決策問(wèn)題（地理系統(tǒng)線性規(guī)劃分析、地理系統(tǒng)決策分析）。由于理論教學(xué)部分的地理數(shù)據(jù)系統(tǒng)主要介紹地理數(shù)據(jù)類型、變換及分布特征，該部分能為所有實(shí)驗(yàn)專題提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，因而不對(duì)地理數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)置專門的實(shí)驗(yàn)專題，而是將其融入三個(gè)實(shí)驗(yàn)專題。每個(gè)專題中，都滲透最新的研究成果，例如，講述時(shí)間序列分析時(shí)，除了平滑法、趨勢(shì)線擬合法與自回歸分析法等，還將滲透人工智能領(lǐng)域的長(zhǎng)短時(shí)記憶網(wǎng)絡(luò)（Long Short-Term Memory,LSTM）；講述回歸分析時(shí)，除了經(jīng)典的一元/多元線性回歸，還將涉及人工智能領(lǐng)域的支持向量回歸機(jī)模型、深度回歸網(wǎng)絡(luò)模型等方法。

（二）設(shè)計(jì)以Matlab為核心的案例式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

在每個(gè)實(shí)驗(yàn)專題中，由教師擬定2～3個(gè)源于業(yè)務(wù)部門實(shí)際應(yīng)用需求且呼應(yīng)理論教學(xué)的實(shí)驗(yàn)案例，教師選取1個(gè)案例在課堂演示。學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以選擇教師擬定的案例，也可以自擬題目，然后自由組隊(duì)搜集資料并用Matlab編程實(shí)現(xiàn)。教學(xué)改革后，各個(gè)案例的選題不再停留于課后習(xí)題，而是面向?qū)嶋H應(yīng)用，選題盡量開(kāi)放，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)揮主觀能動(dòng)性。以統(tǒng)計(jì)問(wèn)題為例，考慮到降水量趨勢(shì)面分析能反映河流與湖泊水位及流量變化，對(duì)政府防汛抗洪決策發(fā)揮重要作用，要求對(duì)珠江流域降水量進(jìn)行趨勢(shì)面分析及顯著性檢驗(yàn)，可采用多種軟件（如ArcGIS、ENVI等）進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，但趨勢(shì)面分析模型需由Matlab編程實(shí)現(xiàn)。該案例中，教師不再規(guī)定與提供具體的降水年份、數(shù)據(jù)來(lái)源、趨勢(shì)面分析模型、顯著性檢驗(yàn)方法等，因此，學(xué)生需自主選取降水年份（如單年或長(zhǎng)時(shí)序）、搜集數(shù)據(jù)（如地面站點(diǎn)降水量、站點(diǎn)位置、全球GPM降雨數(shù)據(jù)等）、選定回歸模型（如一次/二次/三次多項(xiàng)式模型、支持向量回歸機(jī)模型、深度回歸網(wǎng)絡(luò)等）和顯著性檢驗(yàn)方法（如t檢驗(yàn)、F檢驗(yàn)、相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)等），通過(guò)編寫Matlab代碼加深對(duì)理論知識(shí)的理解。

（三）制定“問(wèn)題—過(guò)程—結(jié)果”引導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果考核制度

為了更全面、客觀地評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，制定“問(wèn)題—過(guò)程—結(jié)果”引導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果考核制度?！案呒?jí)計(jì)量地理學(xué)”實(shí)驗(yàn)總成績(jī)由問(wèn)題（25%）、過(guò)程（25%）和結(jié)果（50%）三個(gè)環(huán)節(jié)組成。其中，“問(wèn)題”部分重點(diǎn)考查學(xué)生善于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題的能力，通過(guò)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)選題的理論研究?jī)r(jià)值與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值來(lái)體現(xiàn)；“過(guò)程”部分重點(diǎn)考查學(xué)生平時(shí)表現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)過(guò)程，通過(guò)評(píng)價(jià)課堂出勤情況與能否積極回答問(wèn)題來(lái)體現(xiàn)；“結(jié)果”部分重點(diǎn)考查實(shí)驗(yàn)案例的展示效果，通過(guò)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、結(jié)果準(zhǔn)確性、代碼正確性和報(bào)告規(guī)范性來(lái)體現(xiàn)?？傊?，通過(guò)構(gòu)建層次化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)估制度，激發(fā)學(xué)生用Matlab解決實(shí)際地學(xué)問(wèn)題的積極性與創(chuàng)新性，通過(guò)解決源于實(shí)際的問(wèn)題，將課程理論知識(shí)靈活應(yīng)用于實(shí)際。

（四）實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革效果

實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革效果主要從學(xué)生對(duì)課程的整體評(píng)價(jià)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)、平均成績(jī)、學(xué)生科研水平提升效果等方面進(jìn)行分析。其中，課程的整體評(píng)價(jià)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)體現(xiàn)學(xué)生對(duì)課程的認(rèn)可程度，而學(xué)生的平均成績(jī)由任課教師評(píng)分得到，學(xué)生的科研水平由研究生導(dǎo)師對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)來(lái)體現(xiàn)。整體評(píng)價(jià)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)和科研水平評(píng)價(jià)通過(guò)發(fā)放問(wèn)卷調(diào)查收集而來(lái)，平均成績(jī)則為2021年（改革前）和2022年（改革后）該課程連續(xù)兩年的真實(shí)成績(jī)。如表1所示，通過(guò)教改前后對(duì)比，課程整體評(píng)價(jià)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)分別提高了約3分和4分，該課程學(xué)生的平均成績(jī)提高了約2分，研究生導(dǎo)師對(duì)學(xué)生的科研水平認(rèn)可度也有了顯著提升。

表1 教學(xué)改革效果

結(jié)語(yǔ)

大數(shù)據(jù)與人工智能時(shí)代的到來(lái)給地理行業(yè)帶來(lái)了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，也使“高級(jí)計(jì)量地理學(xué)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革迎來(lái)了新契機(jī)。在新時(shí)代背景及中國(guó)教育現(xiàn)代化戰(zhàn)略需求下，針對(duì)現(xiàn)有教學(xué)存在的痛點(diǎn)問(wèn)題，提出了基于Matlab的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)踐方案，探討了如何構(gòu)建緊扣時(shí)代發(fā)展步伐的實(shí)驗(yàn)教學(xué)專題、如何利用Matlab編寫代碼加深對(duì)理論算法的理解及如何制定“問(wèn)題—過(guò)程—結(jié)果”引導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果評(píng)價(jià)體系等。從教改前后的實(shí)際教學(xué)效果來(lái)看，經(jīng)過(guò)一年的改革嘗試，提出的教改方案使課程內(nèi)容與應(yīng)用需求間的聯(lián)系更密切，學(xué)生對(duì)課程的評(píng)價(jià)、學(xué)生的課程成績(jī)及科研水平等都得到了不同程度的提高。由于科技不斷進(jìn)步，地理產(chǎn)業(yè)也在不斷發(fā)展中，未來(lái)將不斷優(yōu)化與更新教學(xué)內(nèi)容，將最新科研成果滲透至教學(xué)中，培養(yǎng)真正適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的新型地理人才。