基于ＭＡＴＬＡＢ的“微積分”ＣＡＩ實驗演示課件的設計與制作

【摘要】根據計算機輔助教學(CAI， Computer Aided Instruction)的基本思路，介紹利用數學工具MATLAB的GUI（Graphic User Interface，圖形用戶界面）功能開發的“微積分”CAI實驗演示課件，給出了其相應的設計思想和設計方法。該課件主要包含同濟大學編的《微積分》教材中的八個典型實驗，在每個實驗界面上用戶可以查看源代碼、可視化的計算結果。

【關鍵詞】微積分，CAI，MATLAB，GUI

【中圖分類號】G642.0【文獻標識碼】B 【論文編號】1009—8097（2007）03—0084—02

一、引言

計算機輔助教學（Computer Aided Instruction）是計算機技術的一個非常重要的應用領域。由于近十年來微機技術、網絡技術、多媒體技術以及相應課件技術的發展，使得各類CAI課件有了迅猛的發展。目前CAI作為一種新興的教育技術已顯示出異常強大的生命力，它已成為深化教學改革的一種極有效的手段。

在高校公共課程“高等數學”的新教材《微積分》中，給出了大量的實例，要求學生在掌握理論知識的同時，通過具體實例應用所學的理論知識，充分體現了理論與實際相結合[1]。鑒于CAI在教學環節中的重要作用，我們采用MATLAB的圖形用戶界面GUI功能制作了包含數列極限與生長模型等8個大型實驗的CAI實驗演示課件，該CAI課件功能完善、內容豐富、交互性能便捷、有良好的可擴充性和在線聯機幫助系統。本課件基本包括了《微積分》教材上冊的主要內容，學生可以利用此課件進行系統分析，研究每個實驗所涉及的理論知識以及每個實驗的設計原則和相關方法，加深對各類理論知識的理解，從而提高該課程的教學效果。

二、課件主要結構及功能

本課件采用MATLAB語言編程，用戶界面是通過MATLAB的GUI功能設計的。在設計過程中，首先按照軟件工程的思想和方法設計出該CAI課件的總體結構，然后再設計每一個子模塊，每一個子模塊對應一個實驗，每個實驗都是一個單獨的m文件（即MATLAB的函數文件）[2]。課件主界面是shiyan.m文件。

每個子模塊（即每個實驗）界面中包含了若干文本輸入框和題目、畫圖、源代碼、網格、保存圖像、刷新、返回等功能按鈕，如圖1所示。其中，文本輸入框用來輸入與實驗相關的參數，功能按鈕用來實現各種不同的功能。表1給出了這些功能按鈕的主要功能說明。

表1所示的7個功能按鈕是所有的實驗共有的。根據實驗的不同，我們還設計了一些特殊的控件，提供了特殊的功能，如在“泰勒公式與函數逼近”實驗中，提供了多種計算方法，為此在界面上增加了一個供選擇計算方法的下拉列表框；在“導彈追蹤問題”實驗中，除了能夠繪出導彈軌跡圖形外，還可以對導彈軌跡進行動畫模擬。

圖1 “一元函數圖形的繪制”實驗的演示界面

三、CAI實驗演示課件的實現

該課件是基于強大的數學工具MATLAB下開發出來的。該實驗教學課件具有界面友好、操作方便、參數修改容易、實驗結果直觀等特點。該課件采用了MATLAB的GUI功能。GUI是由多種圖形對象（如菜單、文本框、按鈕等）構成的用戶界面。MATLAB中，設計GUI界面有兩種方法：一是用戶自己編寫函數文件，然后調用函數而生成界面；另一種是直接使用MATLAB提供的可視化的GUI設計工具[3]。開發者可以根據自己的習慣選擇不同的設計方法。在該課件的制作中我們采用了第一種方法。

在本課件中，主界面的實現是最為重要的，因為它直接影響著總體的布局、思維的邏輯性以及功能界面的實現。因篇幅有限，這里只介紹主界面的實現，如圖2所示。

主界面是shiyan.m文件，是包含一個函數的MATLAB m文件，其主要代碼如下：

function shiyan %設立主窗口

Hf_MainWindow = figure('Name'，'<<微積分>>實驗演示課件'， 'tag'，'mw'，...

'Resize'，'off'，'NumberTitle'，'off'，'MenuBar'，'none'); %產生主窗口標題

imshow 'Backgrd1.jpg' %顯示背景文字與圖片

text(170， 50 ，'歡迎使用'，'FontWeight'，'Bold'， 'FontName'，'宋體'，

'FontSize'，23，'Color'，[1 0 .502]); %產生主窗口中的文字

text(49 ， 125 ，'<<微積分>>實驗演示系統'， 'FontWeight'，'Bold'，'FontName'，'黑體'，...

'FontSize'，28，'Color'，[0.502 0 1]);

Hm_shiyanDemo = uimenu(Hf_MainWindow ，'Label'，'實驗演示');%建立主菜單欄

Hm_shangce=uimenu(Hm_shiyanDemo，'Label'，'數列極限與生長模型'，'callback'，'close;jixian');

%建立“實驗演示”的子菜單項“數列極限與生長模型”

……

圖2 課件主界面

四、CAI實驗演示課件的特點

本課件應用到教學中，可以大大地激發學生的學習積極性和學習興趣，提高學生的學習效率以及教學效率。本課件有以下幾個特點：

（1）創新性：本課件充分利用WINDOWS的窗口技術，將教學內容有機的結合起來，提供了一個十分便捷的“高等數學”實驗演示環境。

（2）使用方便：本課件界面設計簡潔，提供了豐富的提示信息。

（3）可擴展性：本課件具有很好的可擴展性能，因為課件中的每個實驗是一個單獨的m文件，若想增加實驗，則編寫一個m文件直接掛在主窗口即可。

（4）開放性：每個實驗界面中提供了“源代碼”功能按鈕，即該課件的關鍵程序代碼是向用戶開放的，用戶可以獲取程序代碼并進行修改。

參考文獻

[1] 同濟大學應用數學系．微積分（上冊）[M]．北京：高等教育出版社，1999

[2] D.Hanselman，B.Littlefield．精通MATLAB6[M]．張航等譯．北京：清華大學出版社，2002

[3] 郝紅偉．MATLAB6實例教程[M]．北京：中國電力出版社，2001

Design and Development of CAI Courseware for “Calculus” Based on MATLAB

Nasirjan TursunYu LianFeiHuang QiongXiang

College of Mathematics and System Sciences of Xinjiang University， Urumqi， Xinjiang， 830046

Abstract: According to the mean idea of Computer Aided Instruction， introduce the CAI courseware for “Calculus”， which developed by using MATLAB GUI (Graphic User Interface) technologies， and give the design ideas and methods of it. This courseware includes 8 typical experiments collected from the compiled by Tong Ji University， in each experiment interface user could see the source code and the visualization of results.