MATLAB課程教學(xué)模式改革探索

范羚

摘 要 Matlab是本科教學(xué)和學(xué)習(xí)中較為重要的仿真軟件之一，也是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的學(xué)科。為提高教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，更好的與實(shí)際應(yīng)用接軌，提出將Matlab編程與相關(guān)課程結(jié)合，進(jìn)行Matlab模塊化教學(xué)模式和分級實(shí)驗(yàn)的改革和探討。實(shí)踐證明，這種綜合性教學(xué)模式有效的提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，收到了較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 Matlab 模塊化教學(xué) 分級實(shí)驗(yàn) 教學(xué)方法

中圖分類號：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1存在問題

Matlab是目前國際上應(yīng)用較廣泛的科學(xué)與工程類計算軟件，也是本科教學(xué)中理工科學(xué)生較為重要的一門基礎(chǔ)工具課?，F(xiàn)在，在我國各大高校中，Matlab已經(jīng)成為大學(xué)生必須掌握的基本技能之一，人工智能，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)更是離不開Matlab的仿真和驗(yàn)證。如何讓Matlab技能課程的特點(diǎn)得到充分發(fā)揮，并區(qū)別于我系其他電子信息類專業(yè)課程，成為我系本科教學(xué)改革的主要內(nèi)容之一。所謂技能課程，應(yīng)該將實(shí)際應(yīng)用放在首位，以提高學(xué)生的實(shí)際編程應(yīng)用能力為主，而相關(guān)課程的理論學(xué)習(xí)可以為輔，或安排在高年段進(jìn)行系統(tǒng)的理論學(xué)習(xí)。如大學(xué)生計算機(jī)基礎(chǔ)，C語言等課程在我國多數(shù)高校中，已均在大一或大二完成教學(xué)，為學(xué)生后續(xù)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)打下計算機(jī)及編程基礎(chǔ)。因此，本次改革旨在提高M(jìn)atlab課程的實(shí)用性，更好發(fā)揮其技能課的優(yōu)勢，輔助學(xué)生其他課程的學(xué)習(xí)。

目前，我系Matlab課程的教學(xué)安排較后，主要作為高年段學(xué)生的選修課程開設(shè)，而大部分與之關(guān)聯(lián)的課程，如“信號與系統(tǒng)”，“數(shù)字信號處理”，“圖像處理”，“語音信號處理”等均在大二或大三進(jìn)行教學(xué)，這些課程理論性相對較強(qiáng)，學(xué)生缺少實(shí)際應(yīng)用，對課程掌握深度不夠。如何利用Matlab強(qiáng)大的矩陣處理與科學(xué)計算功能，幫助學(xué)生更深入掌握這些課程的理論知識，且利用Matlab中相關(guān)函數(shù)進(jìn)行實(shí)際演示，便成為此次Matlab教學(xué)探討的主要內(nèi)容。本次教學(xué)改革將Matlab課程提前至第3學(xué)期開課，超前于數(shù)字信號處理，語音信號處理等課程，在學(xué)生學(xué)習(xí)完高等數(shù)學(xué)，線性代數(shù)的基礎(chǔ)上，便進(jìn)行Matlab軟件的編程學(xué)習(xí)，讓學(xué)生先學(xué)會用工具解決問題，再慢慢領(lǐng)會各種函數(shù)的編程原理，以突出Matlab技能課程的特點(diǎn)。

2課程改革的主要內(nèi)容

針對Matlab課程的這些特點(diǎn)，本次教學(xué)改革的內(nèi)容主要包括以下幾個方面：

2.1適當(dāng)提前Matlab課程教學(xué)學(xué)期

將Matlab課程開課學(xué)期提前至第3學(xué)期進(jìn)行，更好的與“信號與系統(tǒng)”，“數(shù)字信號處理”及“語音信號處理”等課程相結(jié)合。第3學(xué)期的“信號與系統(tǒng)”課程中，涉及的傅里葉變換，拉普拉斯變換和z變換等理論，均可利用Matlab強(qiáng)大的編程能力進(jìn)行編程和仿真。若將Matlab課程提前，可更好地將Matlab編程和相關(guān)的信號與系統(tǒng)理論相結(jié)合，讓學(xué)生更深入理解傅里葉變換，拉普拉斯變換和z變換的原理，并將枯燥的理論公式，用形象具體的二維圖像進(jìn)行顯示和處理，同時也可提高學(xué)生Matlab編程的能力。

2.2以模塊化和分級實(shí)驗(yàn)為主進(jìn)行教學(xué)方法改革

該課程在我系的教學(xué)計劃中，理論學(xué)時為16學(xué)時，分別講述Matlab的常用窗口和文件管理，數(shù)值計算，符號計算，可視化和圖形用戶界面（GUI）設(shè)計，及Matlab綜合程序設(shè)計五大內(nèi)容，并配以16學(xué)時的實(shí)驗(yàn)課。在實(shí)驗(yàn)課中以教材的這5個獨(dú)立章節(jié)為基礎(chǔ)，分別設(shè)計完成5個獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)，以教師指定實(shí)驗(yàn)題目為主，且大部分屬于編程驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，5個實(shí)驗(yàn)間并沒有明顯的相關(guān)性，也缺少和電子信息類其他課程的關(guān)聯(lián)，絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容用獨(dú)立的語句即可編程實(shí)現(xiàn)，學(xué)生自主發(fā)揮的余地較少。這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計雖然可以讓學(xué)生掌握Matlab的基本編程原理，但與其他課程的關(guān)聯(lián)性較小，獨(dú)立的綜合型實(shí)驗(yàn)較少，學(xué)生缺少主動創(chuàng)新性設(shè)計，較難區(qū)分學(xué)生思維及編程能力的高低。

因此提出以模塊化為主的教學(xué)方法改革，旨在增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和獨(dú)立創(chuàng)新的能力，給不同學(xué)習(xí)程度的學(xué)生不同的發(fā)揮空間，盡可能做到因材施教。在理論課時中，除按教材給定的章節(jié)進(jìn)行講解外，注重與電子信息類相關(guān)課程進(jìn)行適當(dāng)結(jié)合，讓學(xué)生體會到課程的連貫性和相互結(jié)合性，再配以相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行輔助學(xué)習(xí)，以提高學(xué)生對課程的理解和運(yùn)用能力。

在Matlab符號計算和數(shù)值計算兩章中，將“Matlab”與“線性代數(shù)”結(jié)合，完成第一模塊“Matlab在線性代數(shù)中的應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)，具體可設(shè)計線性代數(shù)方程的求解，方程特征值和特征向量的求解，多項式的擬合和插值等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，屬于基礎(chǔ)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，旨在讓學(xué)生熟悉Matlab的基本編程思路和編程模式，學(xué)習(xí)獨(dú)立調(diào)試程序的方法。

在Matlab計算可視化和GUI設(shè)計章節(jié)中，將“Matlab”與“信號與系統(tǒng)”結(jié)合，完成第二模塊“Matlab在信號處理中的應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)。該模塊將結(jié)合信號與系統(tǒng)中的三大重要變換：傅里葉變換，拉普拉斯變換和z變換，分別選取時間域，頻率域，S域和Z域?yàn)橹饕芯繉ο?，對相關(guān)函數(shù)fft（），ifft（），laplace（），ilaplace（），ztrans（），iztrans（）等進(jìn)行詳細(xì)分析，并結(jié)合Matlab的可視化工具，利用GUI進(jìn)行用戶圖形界面編程，設(shè)計完成一個可以和信號與系統(tǒng)課程相結(jié)合的輔助學(xué)習(xí)平臺，加深學(xué)生對三大主要變換的理解，并在完成的用戶圖形界面中，分別對時域信號，頻域信號，s域和z域信號進(jìn)行展示。學(xué)生不僅可以掌握Matlab的可視化編程方法，更將信號與系統(tǒng)的課程進(jìn)行了滲透，增強(qiáng)了課程間的相互關(guān)聯(lián)性，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

在Matlab程序設(shè)計章節(jié)中，根據(jù)教材內(nèi)容，主要講解Matlab程序設(shè)計中的流程控制，M函數(shù)文件和腳本文件的編程，函數(shù)調(diào)用和參數(shù)傳遞等高級編程方法。在此基礎(chǔ)上，完成第三模塊“Matlab在圖像處理中的應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)。此前第二模塊實(shí)驗(yàn)以處理一維信號為主，因此在第三模塊實(shí)驗(yàn)中，以處理二維圖像信號為主，將實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步提升。該模塊實(shí)驗(yàn)以M函數(shù)文件和腳本文件編程為主，通過圖像的打開，讀取，變換，顯示和保存等步驟，進(jìn)一步強(qiáng)化Matlab的編程思路，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的編程習(xí)慣和編程風(fēng)格。該模塊實(shí)驗(yàn)分級進(jìn)行，基礎(chǔ)模塊中主要實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像處理的一些基本操作，如利用直方圖完成圖像的統(tǒng)計特性分析，利用點(diǎn)運(yùn)算和代數(shù)運(yùn)算完成圖像的偽色彩處理和圖像融合，根據(jù)圖像時頻變換的特點(diǎn)，完成二維圖像的傅里葉變換和離散余弦變換等，并結(jié)合第二模塊中的GUI設(shè)計完成基于數(shù)字圖像處理的圖形用戶界面設(shè)計；提高模塊中，設(shè)計一些較復(fù)雜的圖像處理課題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如在學(xué)習(xí)圖像處理的相關(guān)基礎(chǔ)理論后，進(jìn)行圖像分割，圖像邊緣檢測等綜合型開放型實(shí)驗(yàn)，充分發(fā)揮學(xué)生的主動性，進(jìn)行自主的多元化編程探索。實(shí)驗(yàn)過程中，教師將對編程過程中用到的理論知識進(jìn)行講解和指導(dǎo)，具體的實(shí)現(xiàn)步驟和處理過程則交由學(xué)生自主設(shè)計，以此來調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和自主創(chuàng)新的能力。

3總結(jié)

本次Matlab課程教學(xué)改革提出以模塊化為基本教學(xué)手段的改革思路。在我系之前的教學(xué)安排中，Matlab課程理論課部分全部按教材的章節(jié)順序進(jìn)行授課，實(shí)驗(yàn)課程安排在理論課程全部結(jié)束之后，以各章節(jié)內(nèi)容為依托，設(shè)計相關(guān)5個實(shí)驗(yàn)，但各實(shí)驗(yàn)間并無明顯的相互聯(lián)系和提高。此次教學(xué)模式探索，將在理論部分適當(dāng)引入相關(guān)課程，如信號與系統(tǒng)，語音信號處理，圖像處理等的基礎(chǔ)知識，并結(jié)合高等數(shù)學(xué)，信號與系統(tǒng)，圖像處理三大模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將原來獨(dú)立的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)提升為設(shè)計型，綜合型實(shí)驗(yàn)，同時也增加了各模塊間的相互關(guān)聯(lián)性。第一模塊以Matlab在線性代數(shù)中的應(yīng)用為主，進(jìn)行一些多項式的變換，線性方程的求解等，旨在讓學(xué)生熟悉Matlab的編程思路和編程方法；第二模塊將Matlab和信號與系統(tǒng)課程結(jié)合，以一維信號變換為主，并進(jìn)行相關(guān)GUI設(shè)計；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行第三模塊設(shè)計，對二維圖像進(jìn)行變換編程，進(jìn)一步提高學(xué)生的動手能力。在第三模塊中，我們還將進(jìn)行學(xué)生分級實(shí)驗(yàn)的改革，基礎(chǔ)模塊中進(jìn)行圖像處理的初級操作，提升模塊中，完成較復(fù)雜的圖像處理，如圖像分割，邊緣檢測算法的實(shí)現(xiàn)等，并為后期的畢業(yè)設(shè)計課題做準(zhǔn)備，以此做到因材施教。但此部分實(shí)驗(yàn)設(shè)計較難，需根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)水平進(jìn)行實(shí)時調(diào)整和指導(dǎo)，課題需具備一定難度，但又必須在學(xué)生可以完成的范圍內(nèi)，不能超出。因此，需要教師對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行綜合了解，全面掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。

總之，如何根據(jù)Matlab語言的特點(diǎn)，進(jìn)行有針對性的教學(xué)，是培養(yǎng)電子信息類應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才的一個重要任務(wù)。實(shí)踐證明，根據(jù)Matlab課程特點(diǎn)提出的模塊化教學(xué)改革，及分級型實(shí)驗(yàn)較好的結(jié)合了我系學(xué)生的具體實(shí)際，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和Matlab課程教學(xué)的實(shí)際效果。

基金項目：本文系“廈門工學(xué)院教學(xué)改革項目”（項目編號：JG2018017）的研究成果。

參考文獻(xiàn)

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