MATLAB課程教學改革與實踐

朱高峰 張艷蕾 梁平元

摘 要 將任務驅動式教學方法靈活運用在MATLAB課程教學中，對MATALB課程教學內容進行歸納和優化，舉例說明具體任務的教學過程。實踐證明，任務驅動式教學方法能顯著提高學生學習積極性和學習能力。

關鍵詞 任務驅動式教學方法；MATLAB；教學改革；建模仿真；Simulink

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）06-0083-03

Teaching Reform and Practice in Course of MATLAB//ZHU Gao-

feng， ZHANG Yanlei， LIANG Pingyuan

Abstract The task-driven teaching method is flexibly used in MAT-

LAB course， the content of MATALB curriculum teaching is su-mmarized and optimized， for example， and the specific teaching task

is illustrated by examples. Practice shows that the task-driven teaching

method can improve students' enthusiasm and learning ability.

Key words task-driven teaching method； MATLAB； teaching reform；

modeling and simulation； Simulink

1 前言

MATLAB是美國The MathWorks推出的優秀數學軟件，現已發展為一種多學科、多工作平臺的大型工具，應用非常廣泛，很多高校將其設置為專業必修課程。但多數高校教學課時分配較多、教學考核不嚴謹、學生學習效果很不理想。由此提出任務驅動式教學方法，指導思想是“自學為主、教授為輔，實踐為主、理論為輔”，課堂上將實例和小項目進行合理配置，由學生主動上機操作，教師旁觀輔助，共同完成教學任務。

2 任務規劃

MATLAB課堂教學的目的和任務主要是使學生理解MATLAB

的數據類型、矩陣輸入、語法結構及基本操作方法，使學生掌握基本的數值計算、符合運算方法和二維、三維繪圖方法，能利用Simulink軟件進行較簡單的系統建模仿真處理，并會使用相關工具箱，為后續課程的學習、工程設計和科學研究打下基礎。輔導教師既要考慮教學目的、教學內容和教學課時，又要注重學生的興趣愛好和可操作性。因此，對MATLAB的課堂教學內容和知識結構進行總結和優化，項目任務可以合理配置如表1所示，每周一講（四學時），共計32學時；未完成的教學內容作為課后作業，要求學生自學實踐，并作為期末考核的主要內容之一。

3 具體實例

針對項目任務中的教學內容，可以有針對性地列舉實際工程進行分析和應用，充分發揮學生的主動意識，引導學生進行項目資料查詢，使項目任務意識貫穿整個教學過

程。現以“TDLAS（Tunable Diode Laser Absorption Spec-

troscopy，可調諧半導體激光吸收光譜）系統檢測氧氣濃度”的教學內容為例，闡述MATLAB在實際工程中的數據處理、圖形描繪、系統建模和仿真、工具箱的調用等應用。

教學說明 在第一講布置課后資料查閱，讓學生了解TDLAS系統的基本原理及氣體濃度檢測的數學模型，總結出二次諧波線型表達式為[1]：

其中，M=1-x2+m2，，，v0為氧氣吸收峰的中心頻率，vm為高頻正弦波調制信號幅度，Δvc代表吸收譜線的半最大值全寬，I0′（t）表示由低頻電流引起的輸出光強的平均變化，N為吸收氣體的體積濃度，L為吸收光程長，P為氣體的靜態總壓強，S（T）為吸收線線強。其物理意義為：在氣體溫度、壓強、吸收光程及硬件相關參數一定的情況下，二次諧波的幅值I2f與氣體濃度N成正比。

任務驅動 根據公式（1）所述，可運用第一講中的矩形相關運算，進行數學表達式編寫，用linspace函數或冒號表達式產生行向量v的數據，從而析取到標準的二次諧波信號數據；通過第三講中的高層畫圖內容，描繪出標準的二次諧波信號波形。為了便于后續數據濾波處理，利用awgn函數，人為加入高斯白噪聲，對應6000個點的數據，對應白噪聲的信噪比為30 db（如圖1所示）。

在第三講布置課后資料查閱，了解常見的數據濾波算法，如多周期信號平均處理、維納濾波算法、卡爾曼濾波算法、小波變換濾波、多項式移動加權平均濾波（Savitsky-Golay濾波）算法（S-G算法）等[2]。在第六講中簡潔總結以上方法，重點以S-G算法為例開展教學。S-G濾波算法是對遞推平均濾波法的改進，處理速度非常快，是工業在線應用非常廣泛的數字信號處理技術；但不能有效克服因偶然因素引起的尖峰脈沖干擾，即如果數據存在較大的異常點，用最小二乘擬合所得到的模型就會有崩潰的危險。所以可稍作算法改進，將采集到的含有噪聲的二次諧波信號，對每次進入窗口的數據進行預估值處理，即數值判定：設當前第i項的測量值為xi，上一次的測量值為xi-1，允許的偏差值為v，若xi-xi-1大于v，則將此xi用xi-1+v/2代替；若xi-xi-1小于v，則將此xi用xi-1-v/2代替；否則當前測量值xi直接進入窗口，再將不含奇異值的數據進行多項式加權平均濾波。

加噪的二次諧波信號分別由普通S-G濾波、小波變換濾波（工具箱的調用講解）和改正的S-G濾波進行處理，得出濾波效果分別如圖2所示。其中S-G濾波的窗口寬度設置為19，用三階多項式來進行最小二乘擬合。小波變換濾波中，選擇的小波函數為sym，確定分解層次為5進行計算，對各分解尺度下選擇高頻系數閾值為6。改正的S-G濾波方法中，允許相鄰數據的偏差值v設置為0.15，窗口寬度同樣設置為19，用三階多項式來進行最小二乘擬合，請學生對比數據濾波效果。

通過前面任務的驅動，學生對MATLAB的計算功能和繪圖功能已經非常理解，學習興趣及主動性越來越強。最后進行第八講，以TDLAS數學模型為例，講述Simulink建模仿真的操作方法，同時來驗證前述模型的準確性及模型與各主要參數的關系。具體分為光源模塊、氣室模塊和數據檢測模塊，如圖3所示。

其中的數據檢測模塊的輸入參數有入射光強I0、穿透光強It、入射光頻率v、氣體吸收中心頻率v0、譜線強度S（T）、譜線線型函數g（v）、光程L、氣壓P、分子濃度N。輸出參數有穿透光強的二次諧波I2f、氣室吸收曲線。

成果評價 為增強學生的成就感和主觀聯動性，顧及“知識與技能”“過程與方法”“情感態度和價值觀”三個方面[3]，期末考核采用學生自評（30%）、互評（30%）和教師總評（40%）相結合的方式，打破傳統的卷面考試。主要考慮平時資料收集是否完成、總結方案是否可行、程序調試是否成功、實現方法是否單一、項目完成是否及時、回答問題是否正確等。

4 結論

實踐證明，將任務驅動式教學方法應用在電子信息科學與技術專業的MATLAB課程教學中，最終能顯著提高學生應用知識的能力和綜合素質，滿足學生繼續求學深造或社會需求。但同時對教師也提出更高的要求，要求教師精通MATLAB應用，有實際工程項目設計經驗，且能有機聯系理論知識點，不斷總結教學課堂經驗教訓，才能達到更好的教學效果。

參考文獻

[1]李晗，劉建國，何亞柏，等.可調諧二極管激光吸收光譜二次諧波信號的模擬與分析[J].光譜學與光譜分析，2013，

33（4）：881-885.

[2]Meng Y， Liu T， Liu K， et al. A Modified Empirical Mode Decomposition Algorithm in TDLAS for Gas Detection[J].IEEE Photonics Journal，2014，6（6）：1-7.

[3]朱高峰，張艷蕾.項目教學法在單片機課程中的規劃與實施：以湖南人文科技學院為例[J].湖南人文科技學院學報，2013（2）：117-119.