機制專業MATLAB軟件課程項目式教學研究

李萬兵+黃鵬飛+柳甲榮

摘 要： 基于機制專業MATLAB軟件課程的學時少、學習理論算法與實踐性較強，學生在學習過程中感覺枯燥乏味、導致授課效果差的問題，提出以項目驅動的MATLAB教學方法。首先按照學生的興趣，每一章或者兩章內容設置課程項目，將要學習的知識點融入項目；然后對項目所用的理論知識進行簡要說明，用項目帶動學生的學習興趣；最后，在項目的實施過程中注重互動和疑難解答，教學質量得到進一步提高。本文以四連桿機構曲柄搖桿機構為例進行實踐，以取得很好的教學效果。

關鍵詞： 項目式教學 教學方法 MATLAB教學項目 教學研究

1.引言

隨著數學科學和計算機技術的飛速發展，綜合利用數學知識建立數學模型，進行科學計算，研究和揭示自然科學中的變化規律，解決工程領域中的實際問題已成為科學研究的一種重要的方法。數學作為基礎學科，遍及科學研究和工程應用的各個領域。對于新時期的大學生來說，在學習數學理論知識的同時，學習探索方法，解決實際問題，將理論知識跟實際應用結合起來，培養科學研究的意識，掌握科學的方法，逐漸形成自主解決實際問題的能力，開啟創新思維，是目前非常重要和迫切的事情。

為了更好地掌握MATLAB在各行業、學科中的應用，從實際應用的角度出發，采用相關項目來驅動教學，采取精心設計項目，讓學生在完成項目的過程中快速地掌握MATLAB語言的一些基本操作和技能[1]。對MATLAB中常用的幾種數據類型，單元型變量和結構型變量不易理解，數值運算主要了解向量及其運算、矩陣運算、數組及其運算、多項式運算。通過符號計算與數值計算的對比，引入符號計算及其特點。掌握函數的應用，M文件的編寫，程序控制，人機交互指令和函數句柄，二維圖形繪制和三維圖形繪制等知識點。用Simulink實現多個行業和領域的仿真運算，采用將一些知識點融入項目，自上而下地細分各個子項目，再由各個子項目細分到各個小模塊，在教學過程中由師生進行分析、討論和應用。學生在精心設計的一些具體項目模塊完成過程中學會主動學習和思考，最終實現學習目標。

2.項目式教學的特點

所謂項目式教學就是以項目為依托，把所要學習的知識點融入項目，通過完成項目實現教學過程的一種教學方法，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]。將學習的知識點融入項目中，教師主導項目任務分解和分派，需要按照教學大綱的要求設計各個知識點的項目和模塊，然后將項目分派給學生，不再是項目執行的主宰，學生是項目實施的和完成的對象。在學生實施項目的過程中引導學生分析，不斷地探索，也可以適當地進行問題的解答。隨著項目的逐步推進和完成，學生累積課程相關知識，同時實現知識點的延伸和更新，并最終在課程的末階段完成一個綜合性項目的總體設計[3]。項目式驅動教學法主要是針對傳統“教師講學生聽，教師演示學生看”的教學模式的學生積極性不夠，參與性較差的缺點，積極發揮學生在教學中的主體作用，讓學生首先明確學習的目的和用處，并通過在課堂上或課間的自主探索和互動協作，主動完成學習任務，掌握相關的知識，并在項目設計的過程中體驗樂趣，達到真正學活學懂、觸類旁通的效果。

本文是通過對在校機械設計制造及其自動化專業2011級200多名學生使用自行設計的《民辦院校機械設計制造及其自動化專業“MATLAB軟件應用”課程調查問卷》表進行問卷調研，得到學生的對于MATLAB課程知識點的需求和興趣點。分析最終的調研結果可以得到，參加過數學建模的學生對MATLAB 的應用認識比較深刻，大部分學生認為設計一些和機制專業相關課程有聯系的項目，對調動學習的積極主動性有很大的作用。基于此，本文設計了一種基于項目式驅動的MATLAB教學方法，主要包括以下部分：教師完成的項目設計；項目模塊與知識點；相關課程的教學知識點的復習（學生課后完成）；項目模塊與知識點相結合的實踐練習；實踐結果的講解；內容的總結延伸與拓展。該教學方法的基本流程如圖1所示。

3.項目式教學案例

項目名稱：平面四桿機構運動仿真。

知識點及教學要求：學生必須課前復習平面四連桿機構類型的確定、運動參數的確定。本項目為綜合應用項目，學習和運用的知識點有數值計算，矩陣的定義和使用，邏輯運算，編程中的循環應用，函數的定義與使用，非線性方程求解指令求解以上超越方程組，MATLAB繪圖知識，電影動畫的繪制等包含所有的MATLAB基礎知識，培養學生對所學習的MATLAB知識在具體問題中的應用。學生按照不同的組，完成不同功能函數的編寫，然后一起討論形成本組一個完整的項目結果，選派代表給大家講解通過什么方式實現這樣的功能。

項目任務分解：四桿機構類型判定；構件運動參數偏角的確定；構件運動參數角速度的確定；節點位置的確定；最后組合程序完成運動仿真，繪制出四桿機構包絡線圖形，以下是一種實現的方式。

3.1平面四桿機構的基本參數

3.2四桿機構類型判定

根據平面四桿機構中，曲柄存在條件[4]，編制M文件在MATLAB中判定機構類型：創建函數Jglxsb，用它識別機構類型。

評價實踐結果及總結延伸與拓展：該項目為MATLAB所有知識點的融合化大項目，要求學生對算法能夠轉換成MATLAB語言，同時對基礎知識要相對比較熟練才能夠完成該項目，對數值計算，矩陣的定義和使用，邏輯運算，編程中的循環應用，函數的定義與使用，非線性方程求解指令求解以上超越方程組，MATLAB繪圖知識，電影動畫的繪制等包含所有的MATLAB基礎知識的考查非常到位。同時學生可以實現其他機構雙搖桿機構，雙曲柄機構等機構的仿真，最終的結果有該組學生自己討論進行程序編寫與分析。采用四連桿機構曲柄搖桿機構為例進行MATLAB基礎知識綜合實踐，取得很好的教學效果。

4.結語

在項目驅動教學中，項目的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。本文以整本書的MATLAB基礎知識的一個實例介紹了本文的項目式教學方法，該項目完成需要組內同學討論，在確定機構類型的前提下，按照項目分解進行逐步分析設計。實現平面四連桿機構仿真的過程。另外，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。為了進一步改進方法，提高教學質量，在項目式教學法實施過程中教師要不斷嘗試和創新，并對項目內容進行外延和總結，互動和疑難解答。可將此方法推廣應用到機制專業其他課程的學習中，對于提高學習的積極主動性有很大的作用。

參考文獻：

[1]張志涌.MATLAB教程R2012a[M].北京航空航天大學出版社，2012.

[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]張靜亞.基于項目驅動的MATLAB教學方法研究[J].科技教育，2014（36）：147.

[4]王俊峰，田麗萍.Matlab運動仿真在機械原理課程設計中的應用.機電產品開發與創新，2009，22（4）：187-188.

[5]沈孝通.基于MATLAB的平面連桿機構運動分析[J].制造業信息化，2011（7）：76-79.

基金項目：陜西省教育廳科學研究計劃項目（15JK2170）；西京學院教學改革研究項目（JGYB1505 ）；西京學院基金項目（XJ150110 ）。