將MATLAB語言作為理工科公選課的可行性研究

王海軍（鄂爾多斯應用技術學院，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

將MATLAB語言作為理工科公選課的可行性研究

王海軍
（鄂爾多斯應用技術學院，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

MATLAB語言作為近年來流行的一種教學軟件，在目前的理工科教學中發揮著越來越重要的作用，有鑒于此，考慮將MATLAB語言作為一門公選課進行推廣。文章首先介紹MATLAB語言適合做公選課的特點，同時對其在一些理工科課程中的應用進行分析，說明將MATLAB語言作為公選課引入到理工科專業課程教學中，不僅可以提高學生的學習效率和專業能力，同時也有助于提高理工科課程教學效果，推動教學改革。

MATLAB語言；理工科；公選課

一、概述

MATLAB軟件作為一種通用性好，分析能力強、設計功能完善的數學分析軟件，目前被廣泛應用于數值計算、數據處理、圖像分析等科學和工程研究。MATLAB軟件集數值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體，構成了一個方便友好的用戶環境，其分析工具箱基本上涵蓋了各個研究領域通用的和最新的分析方法［1］。將MATLAB語言作為一門公選課引入到教學中，不僅可以使學生掌握一門計算機語言，同時由于其與其他計算機課程和相關專業課程有緊密聯系，因此可以有效促進對其他課程的理解。廣義地講，是教學科目和學生所有的學習活動的綜合。狹義地講，即成為一門學科，是將專業課程學習和MATLAB語言有機地結合起來，將現代計算機語言融入傳統專業課程，使教與學融為一體，提高教與學的效率，改善教與學的效果，實現傳統教學模式的創新［2］。因此文章主要的主要目的是探討將MATLAB語言作為理工科專業的一門公選課開設的可行性。

二、MATLAB語言適于做公選課的特點

作為一門非計算機專業理工科公選課，該課程應該帶有較強的實用性和工具性，課程的教學還應注重培養學生應用計算機分析問題、解決問題的意識，提高學生自學能力和接受新知識能力。而MATLAB語言作為一種功能越來越強大的計算機科學語言，在科研與工程中的應用越來越廣泛，將MATLAB語言引入理工科甚至其他學科不僅可以提高學生對前期所學編程語言的理解，同時有助于其在后期的學習中掌握新知識［3］。MATLAB語言適合作為理工科計算機公選課的特點如下。

（一）擁有友好的工作平臺和編程環境

隨著MATLAB軟件版本的不斷升級，MATLAB軟件的用戶操作界面也越來越精致，人機交互性更強，操作更簡單。簡單的編程環境提供了比較完備的調試系統，程序不必經過翻譯就可以直接運行，而且能夠及時地報告出現的錯誤及進行出錯原因分析［4］。

（二）擁有簡單易用的程序語言

目前所使用的所有MATLAB語言都是基于最為流行的C語言基礎上的，因此語法特征與C語言極為相似，但是相比C語言程序書寫時的語法要求，MATLAB語言程序的書寫更為簡單。MATLAB語言不需對矩陣的類型、維數、大小進行說明，若不預先分配矩陣的大小則系統會根據矩陣元素的多少對矩陣大小進行動態配置，這種動態矩陣使程序的適應性提高，更加符合科技人員對表達式的書寫格式［5］。

（三）擁有強大的科學計算能力

MATLAB軟件擁有600多個工程中要用到的數學運算函數，可以方便地實現用戶所需的各種計算功能。MATLAB軟件的數據可視化功能強大，繪圖簡單，界面友好，繪出的圖形細膩且空間立體感強，這是傳統編程語言無法比擬的。MATLAB軟件附加的工具箱幾乎涉及科學計算的各個研究領域，因此它在科學研究和工程技術領域有廣泛的應用［6］。

作者簡介：王海軍（1982-），男，漢族，鄂爾多斯應用技術學院教師，高級工程師，工學碩士，研究方向：人工智能算法應用。

（四）擁有開放的源函數文件

在MATLAB軟件中除了以C語言函數為基礎集成的內部函數以外，MATLAB軟件所提供的所有核心文件和工具箱函數文件都是可讀可改的源文件，用戶可以根據自身需要通過對源文件的修改加入自己的代碼構成新的工具箱函數，然后通過函數文件名就可以像工具箱函數一樣在程序中調用［7］。

三、MATLAB語言理工科課程中的應用舉例

（一）MATLAB語言在數值分析課程中的應用

數值分析是一門與計算機、程序設計等密切相關的實用性很強的課程，作為交通運輸、機械工程、汽車服務、自動化、和電子信息科學與技術專業中開設的一門專業限選課，在學生后期電路、信號與系統、自動控制原理等課程學習中應用廣泛，但數值分析是主要研究求解數學模型的算法及有關理論，公式多、理論推導復雜，因此學起來很困難，如果將MATLAB語言引入到數值分析課程的學習中，利用MATLAB語言來建模就可以使過程由抽象變得具體化。例如要求計算的值，由被積函數并不一定能夠找到用初等函數的有限形式表示的原函數，所以對這種定積分我們可能就求不出解，但是引入MATLAB語言編程后，借助MATLAB語言函數包，只需要幾行代碼就可以求出相關問題的答案。例如本題在MATLAB語言命令窗口中輸入如下代碼就可求出問題答案。

回車得到

輸出的結果比較復雜，對其進行轉換輸出結果

輸入

（二）MATLAB語言在化工原理課程中的應用

化工原理是一門關于化學加工過程的技術基礎課，它為過程工業提供科學基礎，對化工及相近學科的發展起支撐作用。化工原理課程具有內容多、公式繁、知識面廣、計算量大等特點，特別是化工原理的操作型計算較復雜，經常涉及非線性方程和方程組的計算，需要迭代計算、手工計算，對初值要求高，且工作量大。用普通編程語言如C、VB等編程，需要編寫計算方法，過程繁瑣。而由于MATLAB集成了大量函數包，省去了編程的麻煩，因此采用MATLAB語言可以很快得出結果。例如換熱器的操作型計算題：在套管換熱器中用水冷卻煤油。煤油的流率為400kg/h，由90°C冷卻到36°C。水的入口溫度15°C。兩流體并流流動，操作條件下的煤油比熱熔為2190J/（kg·°C）。已知換熱器基于外表面積的總傳熱系數為860W/ （m2·°C），總換熱面積為0.72m2，求冷卻水用量及出口溫度［8］。本題如果用MATLAB語言編程求解只需如下幾行代碼就可求出結果。

編寫函數文件function f=heater（t）（文件名為heater.m）

在命令窗口寫如下代碼

即可得到結果t2=33.5°C，qm2=0.1699kg/s=612kg/h。

（三）MATLAB語言在工程力學中的應用

工程力學作為高等院校理工科學生的一門技術基礎課，是學生用高等數學知識處理物理問題的一門理論物理課。工程力學涉及眾多的力學學科分支與廣泛的工程技術領域，是一門理論性較強、與工程技術聯系極為密切的技術基礎學科，工程力學的定理、定律和結論廣泛應用于各行各業的工程技術中，是解決工程實際問題的重要基礎。在工程力學的學習中，有些力學機構的運動軌跡難以想象，求解運動軌跡參數更是要求學生具有深厚的數學功底，這就給數學功底一般的學生造成學習困難，因此將MATLAB語言引入到工程力學的學習中，可以將學生從繁瑣的解題編程中解脫出來，將更多精力投入到對工程力學理論的學習中。例如：如圖1所示三鉸拱由兩半拱和三個鉸鏈構成，已知每半拱重Q=300kN，L=4m，H= 10m，求支座A、B的約束反力［9］。此題如果采用理論求解，需要能熟練求解線性方程組，但是采用MATLAB語言編程求解，只需要列出該方程組即可求解，求解過程如下，大大簡化了人工計算過程。

圖1三鉸拱圖

Matlab程序清單

clear%清除內存中保存的變量

Q=300；L=4；H=10；%輸入已知條件

A=［1 0-1 0；0 0 0 8*L；0 8*L 0 0；H-4*L 0 0］；%平衡方程系數矩陣

B=［0；8*L*Q；8*L*Q；-3*L*Q］；%平衡方程常數項矩陣

X=AB；%求解

disp（'RAX RAY RBX RBY'）；

disp（X'）%顯示結果

程序運行結果

即支座A的約束反力為RAX=120kN，RAY=300kN，支座B的約束反力為RBX=120kN，RBY=300kN

四、結束語

MATLAB語言作為一種計算機語言，相比其他常用語言更加簡單，學習更容易，同時由于它豐富的函數工具包，可以使學生從繁瑣的編程中解脫出來，大大提高學習效率。其次，無論是理工科開設的高等數學、大學物理等基礎課程，還是數值分析、工程力學、化工原理、電子線路、信號與系統、自動控制、機械原理等專業基礎或專業課程，都可把MATLAB軟件作為計算、繪圖或數據分析的工具，因此將MATLAB語言作為一個公選課，讓所有理工科學生都學習這門課程，可以有效促進學生對其他課程的學習。再次，鑒于目前MATLAB軟件的特點和其在工程研究領域的不斷普及推廣，將MATLAB語言作為一門計算機公選課程或一種教學工具，在理工科教學中進行普及，必將對理工科教學產生積極的影響，使教學達到一個新水平。最后，應用MATLAB軟件不但使基礎課和一些專業課的學習變得簡單，在學生畢業設計中也被廣泛使用，目前自動化、電子信息科學與技術等理工科專業的很多學生都采用MATLAB軟件作為畢業設計的工具，進行實驗數據處理、系統仿真。因此如果能夠將MATLAB語言作為一門公選課在我院推廣，不僅可以使學生掌握這些知識，提高其專業能力、計算機應用能力，同時也有助于提高理工科院校課程教學效果，推動教學改革。

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［3］潘峰，薛定宇，陳大力，等.MATLAB語言課程在電氣信息類專業教學中的應用［J］.電氣電子教學學報，2009，31：57-60.

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［5］劉衛國，張升平.MATLAB及其在電路分析中的應用［J］長沙鐵道學院學報，2001，19（3）：77-81.

［6］唐春明，簡金寶，黃燕玲.信息與計算科學專業開設Matlab課程探討［J］.廣西大學學報（哲學社會科學版），2009，31（4）：22-23.

［7］王志新.《Matlab程序設計》課程建設的思考［J］.科技信息，2009，（21）：190-200.

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［9］吳金洪.MATLAB語言在工程力學教學中的應用［J］.金華職業技術學院學報，2006，6（1）：61-63.

In recent years MATLAB language，as a teaching software，is very popular and plays a more and more important role in science and engineering teaching in China.In view of this，we are thinking to take MATLAB language as a public elective course for its promotion.At first，this paper introduces the characteristics which makes MATLAB language suitable as an elective course，at the same time，studies its application in some science and engineering courses.Introducing MATLAB language into professional education of science and engineering as elective course can not only improve the students'learning efficiency and professional ability，but also help to improve the teaching effect of science and engineering courses，promoting teaching reform.

MATLAB language；science and engineering；elective course

2096-000X（2016）16-0204-03

G642

A