復雜工程驅(qū)動的MATLAB課程改革

張靜亞+范瑜

摘要：以成果為導向的工程教育理念重塑了學習與教學之間的關系，改變了傳統(tǒng)的“灌輸式”教育，取而代之的是學習型、研究型教育。這種人才培養(yǎng)理念集中體現(xiàn)在專業(yè)課程體系的建立中，同時也體現(xiàn)在諸如MATLAB（Matrix Laboratory）課程的各門專業(yè)課程教學過程中。本文結(jié)合課程特點，提出通過復雜工程問題中的高級數(shù)據(jù)處理和快速原型化來推進MATLAB課程內(nèi)容教學以及驅(qū)動學生自主學習的教學設計思路，同時給出了復雜工程問題驅(qū)動的教學方式和學習成果評價方法。

關鍵詞：MATLAB；復雜工程問題；工程教育；學習成果

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）15-0140-02

基于矩陣運算的MATLAB是一種可用來分析和設計系統(tǒng)的科學計算工具，廣泛應用于音頻、視覺、無線通訊、深度學習等工程領域，可將產(chǎn)生于復雜系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，應用健壯的相關算法去理解發(fā)生過什么，預測將要發(fā)生什么，并進行決策或建議行動方向。另外，MATLAB通過擴展使得其代碼可以與其他語言集成，加快了算法和應用程序的原型化[1]。

以成果為導向的電子信息類工程人才培養(yǎng)理念強調(diào)以學生為主體，關注培養(yǎng)學生知識、能力和素質(zhì)的教學經(jīng)驗與過程[2]。這種人才培養(yǎng)理念集中體現(xiàn)在專業(yè)課程體系的建立中，它要求課程體系的建立以及課程的實施能夠支撐學生將數(shù)學、自然科學、工程基礎、專業(yè)知識和科學方法用于設計、解決、分析、研究和評價復雜工程問題，同時也體現(xiàn)在諸如MATLAB課程的各門專業(yè)課程教學過程中，并引導教師思考如何在教學過程中將成果導向的主動式教育替代傳統(tǒng)內(nèi)容導向的被動式教育[3]，圖1描述了該人才培養(yǎng)理念中各個關鍵環(huán)節(jié)的相互關系。本文基于成果導向的教育理念，結(jié)合MATLAB這一工具特點，提出通過復雜工程問題中的高級數(shù)據(jù)處理來推進課程內(nèi)容教學以及驅(qū)動學生自主學習的教學設計思路，同時給出了復雜工程問題驅(qū)動的教學方式和學習成果評價方法。

一、復雜工程驅(qū)動教學法的特點

在以成果為導向的工程教育中，教師需轉(zhuǎn)變課堂的重心，把關注點從知識轉(zhuǎn)變到面臨的復雜工程現(xiàn)象、困惑、挑戰(zhàn)中得到解決問題[4]。教師在教學過程中起到引導作用，起到對新形態(tài)、新形勢下的與課程相關資源的整合、運用、組織和進一步的挖掘，包括對傳統(tǒng)的書本、網(wǎng)絡課程、視頻、音頻的整合。在教師的引導下將課程的淺學習轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袕V度、深度和高度的知識[5]。

以工程驅(qū)動的MATLAB教學方法正是基于對以上教育理念的思考而提出的。在教學過程中，學生的能力通過團隊互動和創(chuàng)新得到訓練，學生的素養(yǎng)通過工程所在的好的文化和環(huán)境得到熏陶，學生的智慧在復雜工程問題設計、解決和分析研究中通過對前人的仿效和進一步的提升來感悟。

二、復雜工程驅(qū)動的MATLAB教學內(nèi)容新布局

傳統(tǒng)的MATLAB課程的教學內(nèi)容主要包括了MATLAB矩陣運算，其中的矩陣產(chǎn)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，進一步引出基于MATLAB的數(shù)值計算問題。除了數(shù)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，將應用數(shù)值和符號計算的命令通過函數(shù)和腳本文件的形式表現(xiàn)出來，則完成了MATLAB語言編程的基本教學要求。另外，在各個教學內(nèi)容講解和實踐中，矩陣數(shù)據(jù)的可視化是幫助學生理解和分析問題的關鍵手段，因此常常貫穿于整個教學過程中[6]。

與傳統(tǒng)教學內(nèi)容不同，在復雜工程驅(qū)動的MATLAB教學中，我們主要強調(diào)的是工程應用和實現(xiàn)，因此教師除了需要提煉傳統(tǒng)的課程知識點之外，還需要增加從MATLAB應用發(fā)布、代碼生成、硬件在環(huán)、并行計算等方面引導學生進行復雜工程問題的設計、分析、實踐和研究，把文本編輯、數(shù)學公式、代碼、圖形完美地結(jié)合，從而進行探索式編程和交互式描述。運用MATLAB上的應用程序模塊、標準用戶界面組件以及儀表、開關和指示燈，緊密結(jié)合可視化設計和代碼開發(fā)，生成面向?qū)ο蟮拇a，方便共享，最終實現(xiàn)從模型到樣機驗證直至工程化的快速迭代。新布局下MATLAB在工程中的應用框圖如圖2所示。

三、工程驅(qū)動的MATLAB教學方式和學習評價

當前，網(wǎng)絡信息豐富，網(wǎng)絡教育崛起，課堂教育模式日趨需要進行改變。為了改變傳統(tǒng)“灌輸式”被動學習的教學方式，MATLAB教學采用多種教學方式相結(jié)合，在解決工程問題的不同階段以及在不同的單元中采用不同的教學方式，具體包括講授、課程討論、問題導向?qū)W習、分組合作學習、專題討論、實踐學習、發(fā)表學習等。

學習成果的評價是課程持續(xù)改進的基礎，通常以學生課程成績來體現(xiàn)。根據(jù)MATLAB課程特點，學生學習成績的評價項目包括平時成績、期中成績和期末成績。其中平時成績占50%，期中成績和期末成績各占20%和30%。對平時成績的細項配分是本課程體現(xiàn)工程驅(qū)動特點和學生學習成果導向教育理念的重點之一，具體包括觀察為主的工程實踐過程評價，動手能力和團隊合作能力評價，答辯、匯報形式的語言表達能力評價，以工程項目的書面報告形式的文檔書寫評價，工程效果展示評價，等等。具體項目和分值如表1所示。

四、結(jié)語

工程驅(qū)動的MATLAB課程教學是以實現(xiàn)學生學習成果為出發(fā)點，通過設定課程預期目標來培養(yǎng)各個核心能力，并達成最終的學習成果。MATLAB課程內(nèi)容與教學目標對應，涵蓋與工程相關的設計、分析、實施等方面的教學內(nèi)容，目標和內(nèi)容不脫節(jié)，教學方法多樣、明確，課程學習評價方法在傳統(tǒng)的方法基礎上作了調(diào)整，在比例和手段方面都有所增加。

參考文獻：

[1]吳愛萍.基于任務驅(qū)動的Matlab與控制系統(tǒng)仿真教學方法改革[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2012，（11）.

[2]李志義.我國工程教育改革的若干思考[J].中國高等教育，2012，（20）.

[3]盧葦，蔡圓媛，邢薇薇.國際化軟件人才培養(yǎng)模式改革與創(chuàng)新[J].高等工程教育研究，2013，（01）.

[4]海鶯.基于OBE模式的地方工科院校課程改革探析[J].當代教育理論與實踐，2015，（04）.

[5]姜宇，姜松.基于工程教育認證的教師教學創(chuàng)新能力研究[J].高校教育管理，2015，（06）.

[6]張靜亞.基于項目驅(qū)動的MATLAB教學方法研究[J].科技資訊，2014，（12）.