電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)MATLAB課程教學(xué)改革探討

王玉芳　葉小嶺　陳逸菲

摘 要：MATLAB數(shù)學(xué)軟件在電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)是較重要的課程。從課程定位、教學(xué)模式、教學(xué)方法以及學(xué)習(xí)方式和能力培養(yǎng)等方面對(duì)MATLAB課程教學(xué)改革進(jìn)行了探討。通過(guò)總結(jié)與探索，推動(dòng)MATLAB課程改革建設(shè)，以提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：電氣信息；MATLAB；數(shù)學(xué)軟件；教學(xué)改革

DOIDOI：10.11907/rjdk.162087

中圖分類(lèi)號(hào)：G434

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2016）011021803

0 引言

MATLAB作為當(dāng)前科技工程界的三大軟件之一，在電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)備受關(guān)注。作為一門(mén)高級(jí)計(jì)算語(yǔ)言，MATLAB可實(shí)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算、數(shù)據(jù)分析、算法設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)可視化、建模仿真等功能，應(yīng)用十分廣泛[1]，在數(shù)字信號(hào)處理、測(cè)試和測(cè)量、圖像處理、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真、財(cái)務(wù)建模和分析以及計(jì)算生物學(xué)等眾多領(lǐng)域均有應(yīng)用。因此，電氣工程及其自動(dòng)化、電子信息工程、自動(dòng)化、電子科學(xué)與技術(shù)等電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)均開(kāi)設(shè)了MATLAB課程[25]。本文探討了MATLAB教學(xué)改革措施，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生綜合能力，提高教學(xué)質(zhì)量。

1 MATLAB簡(jiǎn)介

上世紀(jì)70年代，Moler 博士在講授線性代數(shù)課程時(shí)，為了減輕學(xué)生編程負(fù)擔(dān)，用Fortran編寫(xiě)了最早的MATLAB[1]。1984年，MathWorks公司成立，正式將MATLAB推向市場(chǎng)。MATLAB 具有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算和良好的圖示功能，易學(xué)易懂，編程效率高，為用戶(hù)提供了非常直觀和簡(jiǎn)潔的程序開(kāi)發(fā)環(huán)境。經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展與完善，MATLAB已成為科技界最流行的應(yīng)用軟件之一。在數(shù)學(xué)、工程和科學(xué)理論課程中MATLAB 都是標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算工具。MATLAB軟件由MATLAB和Simulink兩大部分組成[1]。MATLAB是Matrix Laboratory兩個(gè)詞的組合，意為矩陣實(shí)驗(yàn)室，基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，可實(shí)現(xiàn)矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶(hù)界面等功能。Simulink是MATLAB重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無(wú)需大量書(shū)寫(xiě)程序，只需通過(guò)簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰、仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、靈活效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。

2 MATLAB課程改革思路

2.1 正確認(rèn)知，合理定位

在歐美大學(xué)，諸如應(yīng)用代數(shù)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、自動(dòng)控制、數(shù)字信號(hào)處理、電力系統(tǒng)仿真等課程都把MATLAB 作為教學(xué)內(nèi)容，MATLAB 是攻讀學(xué)位必須掌握的基本工具。而國(guó)內(nèi)電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)基本上將MATLAB定位為一種輔助教學(xué)、實(shí)驗(yàn)的軟件工具，并未作為一種必須掌握的基本工具來(lái)要求學(xué)生。在教學(xué)計(jì)劃制定上，絕大多數(shù)高等院校都將MATLAB設(shè)置為選修課，且學(xué)時(shí)分配非常少。有些院校學(xué)生評(píng)獎(jiǎng)評(píng)優(yōu)過(guò)程中，選修課成績(jī)不計(jì)入加權(quán)成績(jī)計(jì)算。因此，學(xué)生對(duì)MATLAB課程不重視，甚至輕視敷衍。另外，由于MATLAB課程是在各專(zhuān)業(yè)課學(xué)習(xí)之前開(kāi)設(shè)，所以學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)課涉及的內(nèi)容不甚了解，更談不上MATLAB在后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程中的應(yīng)用了。因此，任課教師在課程之初要引導(dǎo)學(xué)生正確認(rèn)識(shí)MATLAB課程的作用和重要性。

MATLAB的基本運(yùn)算功能可以大大降低繁瑣的計(jì)算工作量，提高計(jì)算效率和準(zhǔn)確性。如求矩陣A的逆矩陣，只要將A輸入到MATLAB命令窗口，調(diào)用inv（A）命令即可輸出結(jié)果。MATLAB內(nèi)部集成了30幾種工具箱，與電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)息息相關(guān)的包括控制系統(tǒng)工具箱、系統(tǒng)辨識(shí)工具箱、圖像處理工具箱、魯棒控制工具箱、信號(hào)處理工具箱等，不同專(zhuān)業(yè)的學(xué)生通過(guò)相關(guān)領(lǐng)域工具箱的認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)，大大降低了編程難度，易于系統(tǒng)建模和求解。MATLAB具有強(qiáng)大的圖形處理功能，包括二維圖、三維圖、流線圖、流帶圖等，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化。學(xué)生掌握?qǐng)D形處理方法可為撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)分析報(bào)告、畢業(yè)設(shè)計(jì)及科技論文提供直觀專(zhuān)業(yè)的素材。

2.2 激發(fā)興趣，自主探索

MATLAB課程的學(xué)時(shí)分配比較少，一般為32學(xué)時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)占16學(xué)時(shí)，但MATLAB涵蓋內(nèi)容較多，授課任務(wù)較重。在授課過(guò)程中，如果教師一味追求多講內(nèi)容而忽略學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和消化能力，教學(xué)效果可想而知。所以，教師應(yīng)通過(guò)授課內(nèi)容激發(fā)學(xué)生興趣，促使其課下自學(xué)，引導(dǎo)自主學(xué)習(xí)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)與答疑方式更好地完成教學(xué)任務(wù)。學(xué)生在自主學(xué)習(xí)過(guò)程中難免遇到困難出現(xiàn)錯(cuò)誤，要鼓勵(lì)使用MATLAB提供的幫助系統(tǒng)，或借助網(wǎng)絡(luò)資源及線上論壇答疑解惑，鍛煉學(xué)生的自學(xué)能力。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，如果教師一步一步手把手地指導(dǎo)學(xué)生怎么做實(shí)驗(yàn)，學(xué)生就只為實(shí)驗(yàn)而機(jī)械地跟隨操作，未認(rèn)真思考實(shí)驗(yàn)方法和出現(xiàn)的問(wèn)題，以后遇到類(lèi)似問(wèn)題仍然不懂，不會(huì)舉一反三，導(dǎo)致“學(xué)”與“用”脫節(jié)[6]。因此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師應(yīng)避免過(guò)度指導(dǎo)和干預(yù)，留給學(xué)生足夠的時(shí)間和空間去嘗試總結(jié)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性。教師通過(guò)適當(dāng)?shù)奶崾編椭治鰡?wèn)題解決問(wèn)題，給學(xué)生思考的機(jī)會(huì)，讓學(xué)生真正理解求解問(wèn)題的方法。

2.3 術(shù)業(yè)專(zhuān)攻，類(lèi)比啟發(fā)

MATLAB 軟件功能非常強(qiáng)大，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣，要把MATLAB所有功能都掌握也無(wú)必要。對(duì)于不同學(xué)科專(zhuān)業(yè)學(xué)生，學(xué)習(xí)該課程的性質(zhì)有所不同，授課應(yīng)注重MATLAB在其專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用[79]。如對(duì)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)學(xué)生，講授的重點(diǎn)是控制系統(tǒng)工具箱和魯棒控制工具箱的應(yīng)用；計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生，講授的重點(diǎn)是計(jì)算機(jī)視覺(jué)處理工具箱和圖像處理工具箱等。MATLAB語(yǔ)言是基于C語(yǔ)言的，其語(yǔ)法特征與C語(yǔ)言極為相似且更簡(jiǎn)單[10]。由于在MATLAB課程開(kāi)設(shè)之前學(xué)生已系統(tǒng)學(xué)習(xí)了C語(yǔ)言，所以在講授基本輸入和M文件編程時(shí)可以用類(lèi)比C 語(yǔ)言中命令和操作的方法授課，這樣可使學(xué)生覺(jué)得在C 語(yǔ)言基礎(chǔ)上掌握這門(mén)課難度并不大，增強(qiáng)MATLAB課程的學(xué)習(xí)信心。

2.4 實(shí)例引導(dǎo)，循序漸進(jìn)

對(duì)于偏重操作的MAT LAB軟件學(xué)習(xí)，逐一介紹知識(shí)點(diǎn)會(huì)讓學(xué)生覺(jué)得枯燥乏味，講授應(yīng)輔以一些生動(dòng)的實(shí)例演示，活躍課堂氣氛。例如在介紹數(shù)據(jù)可視化章節(jié)時(shí)，可通過(guò)展示具體繪圖命令生成圖形，讓學(xué)生了解MATLAB繪制的圖形類(lèi)別。如圖1（a）為二維平面圖plot命令的輸出圖例， 圖1（b）為三維曲線圖plot3命令的結(jié)果，圖1（c）為三維網(wǎng)格圖mesh命令的輸出圖形，圖1（d）為三維平面圖surf命令的執(zhí)行結(jié)果。這些圖形繪制的命令并不復(fù)雜，如生成圖1（d）所示的三維平面圖只需如下幾條命令即可：

看起來(lái)如此復(fù)雜的圖形幾條語(yǔ)句就可繪制出來(lái)，學(xué)生頓感無(wú)需“仰視”MATLAB了！這大大增強(qiáng)了學(xué)習(xí)MATLAB課程的信心，也對(duì)相應(yīng)知識(shí)有了最直觀的認(rèn)識(shí)。在此基礎(chǔ)上，教師再由淺入深、循序漸進(jìn)地講授理論知識(shí)。

2.5 以點(diǎn)帶面，雁陣效應(yīng)

要吸收對(duì)科研有興趣的學(xué)生參與科研活動(dòng)及學(xué)科競(jìng)賽，通過(guò)項(xiàng)目分工，掌握理論和實(shí)踐知識(shí)，以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)方式提升學(xué)習(xí)興趣和能力[11]。經(jīng)過(guò)項(xiàng)目及競(jìng)賽鍛煉，提高學(xué)生就業(yè)、考研以及出國(guó)留學(xué)的競(jìng)爭(zhēng)力。優(yōu)秀學(xué)生作為標(biāo)桿，以點(diǎn)帶面，產(chǎn)生雁陣效應(yīng)。

3 結(jié)語(yǔ)

MATLAB軟件應(yīng)用貫穿于電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)過(guò)程。本文從教學(xué)模式和自主學(xué)習(xí)等層面對(duì)MATLAB課程教改進(jìn)行了探討，以期拋磚引玉，推進(jìn)MATLAB課程教學(xué)創(chuàng)新，提高教學(xué)質(zhì)量。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）