基于項目驅動的MATLAB教學方法研究

張靜亞

摘 要：針對MATLAB課程實踐性強、學時少的特點，該文提出以項目驅動的MATLAB教學方法，首先將教學內容進行提煉并構成合理的課程體系，然后選擇適當的項目，并結合教學內容進行項目的模塊化分解。在項目模塊的實現中引導學生正確的應用教學理論，并學習新的知識點。這種教學方法強調了學生在教學過程中的主體地位，激發了學生的創造性和積極性，取得較好的教學效果。在實施項目驅動教學法的過程中，教師還需不斷嘗試和創新，并對項目內容進行外延和總結，同時注重互動和疑難解答，從而進一步得到改進，提高教學質量。

關鍵詞：MATLAB 項目驅動教學法 教學改革 教學方法 項目驅動 MATLAB教學 教學研究

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（c）-0147-03

MATLAB（MATrix LABorotory，矩陣實驗室）語言是一種廣泛應用于工程計算及數值分析領域的新型高級語言，現已成為大學生必須掌握的基本技能。相比其他高級語言，MATLAB具有強大的矩陣運算功能、可靠的容錯功能、廣泛的符號運算功能。其計算結果的可視化功能、靈活的兼容與接口功能和豐富的可供調用函數使它成為一種簡單易學的工程設計工具。

在MATLAB教學過程中，如何指引學生快速地從未知的狀態到熟練應用于項目設計，這是教學研究所必須考慮的問題[1]。該文提出采用科研項目驅動課程內容教學以及驅動學生自主學習的教學設計思路。將科研項目從上而下細分到各個子項目，由各個子項目細分到各個小模塊，適合師生在教學過程中進行分析、討論和應用。學生在若干具體項目模塊的驅動下學會主動學習和思考，明確了學習的目標。

1 項目驅動教學法的特點

項目驅動教學法是一種用若干項目把整個教學內容貫穿起來的教學方法，是一種能激發學生學習能動性和培養學生創新能力的有效手段[2]。它以學生為主要項目完成對象，以教師為項目分解和分配主導，教師根據各個教學要點有效地設計項目中各個子項目或者項目模塊。教師分配項目任務后，不再主宰項目執行，而是引導學生去分析、去探索，教師可作適當的問題解答或引導[3]。學生在推進項目模塊完成的同時進行課程相關知識的累積，同時允許知識點的延伸和更新，并最終在課程的末階段完成一個項目的總體設計。

項目驅動教學法改變了傳統“教師講學生聽，教師演示學生看”的教學模式，強調了學生作為學習主體的地位，讓學生在學習之初就知道學習的目的和用處，通過應用教學內容、自主探索和互動協作，主動完成學習任務，并能在整個學習階段體驗項目設計的樂趣，達到觸類旁通的效果[4]。

基于項目驅動的MATLAB教學方法一般包括以下部分：從上而下的項目分解；教學知識點的講解；項目模塊與知識點相結合的實踐練習；實踐結果的講解；內容的延伸與拓展。該教學方法的基本流程如圖1所示。

2 MATLAB教學內容的提煉

對課程知識點的提煉一方面是布置項目模塊實踐的基礎，另一方面也是掌握課程內容的必要環節[5]。這就要求教師在課前認真分析教材，認真梳理MATLAB課程體系，分析MATLAB課程的教學內容。

MATLAB語言編程的教學內容主要包括了MATLAB矩陣運算，其中的矩陣產生，賦值，引用和存儲方式是學習的重點；在建立了矩陣的基本運算方法之后，基于MATLAB的數值計算問題便順理成章的被引出。除了數值計算之外，MATLAB符號運算也是作為一種特殊的高級語言具有的特點。將同一個問題采用數值計算法和符號計算法進行比較是教學內容的一個組成部分。將應用數值和符號計算的命令通過函數和腳本文件的形式表現出來，則完成了MATLAB語言編程的基本教學要求。然而，以上的各個教學內容講解和實踐中，將矩陣數據的可視化是幫助學生理解和分析問題的關鍵手段。因此，數據的可視化可貫穿于整個教學過程中。

3 從上而下方式的項目分解

項目驅動的MATLAB教學法中，項目的選擇和分解是該教學法的核心，項目分解的質量直接影響到教學效果。

通常，項目的實現有兩種思路：一種是自下而上的設計思路，一種是由上而下的設計思路。自下而上的設計是一種傳統的設計思路，這種設計方法一般是設計者首先設計各種基本單元，然后在設計時調用這些基本單元，逐漸向上組合，直到設計出自己需要的系統為止。自下而上的設計方法實現周期長、靈活性差、耗時耗力、效率低。自上而下的設計方法中，設計者將項目分成幾個不同的層次，按照自上而下的順序，在不同的層次對系統進行設計、描述與仿真。這種設計思想更符合人們邏輯思維的習慣，也容易使設計者對復雜的系統進行合理的劃分與不斷的優化。

因此，教師需在完全把握項目要求的基礎上，把項目進行合理的從上而下的分解，得到各個應用于教學內容的項目模塊，并按照教學進程和教學內容，選擇項目中需要完成的項目模塊進行實踐分配和設計積累。在子項目的完成中，教師應鼓勵采用多種實現方式和多種解法，讓學生有充分發揮想象力和創造力的機會。這些模塊任務對于編程基礎好的學生不成問題，在課堂上能完成，對于編程能力稍差的學生通過參考書目、互動問答和MATLAB幫助文檔也能完成項目，只是需要更多時間，但經過自己努力能完成項目，學生感到收獲很大，自信心增加。

4 教學實例及思考

在項目驅動教學法中，項目選擇應該符合學生的專業方向，由簡單到復雜，并有利于培養創新能力。由于MATLAB矩陣運算教學內容與二維存儲形式的圖像處理存在較大的關聯性，并且對于圖像感知具有獨一無二的直觀性，因此該文以數字圖像匹配為項目實例，結合MATLAB教學重點，說明項目驅動模式的整體教學過程。

圖2給出了圖像匹配項目和MATLAB知識點的關系圖。將項目分解為圖像的預處理、特征提取、特征匹配和結果輸出保存四個模塊。其中預處理模塊包括了圖像尺寸處理、圖像灰度的轉換以及圖像的預濾波。特征提取部分采用自定義函數法和復合型數據類型方式提取和保存特征點坐標和特征向量。特征匹配部分以特征點坐標和特征向量為對象，以最小歐氏距離為準則，并采用MATLAB高效的矩陣運算方法進行圖像匹配。最后將匹配結果用圖形方式和文件讀寫方式進行保存和顯示。以下是本項目主要設計模塊以及執行結果。endprint

（1）預處理。通過矩陣賦值方式對圖像裁剪和由高斯平滑實現圖像的預濾波。圖3和圖4分別給出了裁剪前后的圖像。圖5是采用高斯平滑后得到的圖像。

fix=imread（'fix.jpg'）；mov=imread（'mov.jpg'）；%讀圖

fix_2=fix（40：220，50：200，：）；%通過矩陣抽取法裁剪

mov_2=mov（40：220，50：200，：）；%通過矩陣抽取法裁剪

sigma=2；MaskSize=100；endthresh=1e-3；%濾波參數

gr=linspace（-MaskSize，MaskSize，2*MaskSize+1）；

%MATLAB向量生成法

gr=1.0/（sqrt（2*pi）*sigma）*exp（-gr.^2/（2*sigma^2））；

lim=find（abs（gr）>abs（endthresh））；

gr=gr（lim）；%平滑模板的生成

gr=gr/sum（gr）；%平滑模板的歸一化

fix_smooth=conv2（gr，gr，fix_2，'same'）；%卷積濾波

mov_smooth=conv2（gr，gr，mov_2，'same'）；

（2）特征提取。自定義函數SIFT，通過調用函數得到復合類型的特征Ipts1和Ipts2。

Ipts1=SIFT（fix_smooth，Options）；

Ipts2=SIFT（mov_smooth，Options）；

（3）圖像匹配。用循環控制編程方式得到匹配點坐標及其匹配點距離，結果如圖6，圖7所示。

D1=reshape（[Ipts1.descriptor]，64，[]）； %特征向量排列

D2=reshape（[Ipts2.descriptor]，64，[]）；

for i=1：length（Ipts1）%循環結構控制匹配過程

distance=sum（（D2-repmat（D1（：，i），[1 length（Ipts2）]））.^2，1）；%矩陣運算得到特征距離

[err（i），cor2（i）]=min（distance）；%最小歐氏距離法則

End

5 結語

該文在MATLAB教學中引入項目驅動教學法，強調了學生學習的目標性，體現了學生在教學過程中的主體地位。通過項目的分解和逐步實現，提高了學生從實際出發，結合課程內容進行合理的分析問題、解決問題的能力。在實施項目驅動教學法的過程中，教師還需不斷嘗試和創新，并對項目內容進行外延和總結，同時注重互動和疑難解答，從而進一步得到改進，提高教學質量。

參考文獻

[1] 吳菊華，莫贊，陶雷，等.基于創新應用型人才培養的實驗教學改革研究與實踐[J].科技創新導報，2013（17）：128-130.

[2] 伍秀娟，項榮健.以協作項目為驅動的教學實踐與應用[J].中國電化教育，2011（5）：92-96.

[3] 吳愛萍.基于任務驅動的Matlab與控制系統仿真教學方法改革[J].中國現代教育裝備，2012（11）：57-59.

[4] 項榮健，李建軍，伍秀娟，等.基于任務的引領式協作學習環境的構建與實踐[J].中國電化教育，2013（4）：60-64.

[5] 張佩云.項目驅動的軟件工程課程案例式分段情景教學研究[J].計算機教育，2013（3）：77-79.endprint