新工科背景下《MATLAB的工程應用》的教學探索與研究

鄒瑋　陳雪勤　胡丹峰

摘? 要：“新工科”是在新經濟、新產業和新型工業化發展背景下興起的工科專業。闡述了《MATLAB的工程應用》在課程教學、課程考核以及持續改進等方面的方法和技巧，以能力培養為目標，激發學生的學習興趣，全面提升學生解決復雜工程問題的能力，充分提高課程的教學質量。

關鍵詞：工科;教學探索;目標驅動

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）15-0086-03

Abstract： New engineering course is generated under the background of new economy， new industry and new industrialization development. The methods and techniques of teaching， examining and permanent improvement of this course are illustrated. The aim is the capacity training. The learning interests of students are stimulated to fully improve the capacity of solving the complex engineering problems. The quality of course is also improved.

Keywords： engineering course; teaching research; objective drive

一、新工科背景

高等工程教育是國家創新體系建設的重要環節。培養造就一大批多樣化、創新型卓越工程科技人才，為我國產業發展和國際競爭提供智力和人才支撐，既是當務之急，也是長遠之策。

當今社會已進入智能信息化時代，高性能處理器和高速通信平臺結合信號處理、模式識別、人工智能等技術形成了前所未有的具有大數據分析處理能力的智能化信息處理系統，并在越來越多的行業得以有效應用。例如人臉識別系統、車牌識別系統、自動駕駛系統、醫療輔助診斷系統、無人機信息采集系統等等。信息技術和人工智能極大地推動了智慧城市、智能交通、遠程醫療服務等社會形態的發展，社會對寬口徑、復合型信息工程專業技術人才呈現出不斷增長的需求。“新工科”是在新經濟、新產業和新型工業化發展背景下興起的工科專業。新工科建設就是要根據實現國家重大戰略的需要，主動布局、設置、建設和發展相關新工科專業，培養各種層次和類型的卓越工程科技人才。新形勢對于工科人才培養提出了新的要求。當前，面對新工科教育思想，沿襲多年的工科人才培養模式存在著諸多的亟需改進與改革的方面。各大高校在新工科教育背景的新形勢下，紛紛探索如何形成新工科建設模式以應對變化、塑造未來[1-4]。

二、教學探索與研究

（一）課程教學

作為一門專業課程，《MATLAB的工程應用》在工科中具有非常重要的地位和作用[5]，在專業課的學習實踐、課程設計以及畢業設計等環節，都有可能會使用到相關的知識。

在理論教學方面，針對書上的知識點給出相應的實例，并結合MATLAB軟件進行現場演示。通過演示，使學生產生直觀的認識，進一步激發學習興趣。例如，在闡述zeros這個函數時，首先通過這個函數在MATLAB軟件上產生相應的矩陣，由學生觀察運行結果，然后得知該函數是用于產生元素全為0的矩陣。在教學過程中，適當地培養學生的發散性思維也是很有必要的。例如，分號在MATLAB語言中就有很大的用處，分號可用于實現矩陣的換行;同時，將分號置于命令行的結尾，則不顯示運行的結果。此外，冒號在子矩陣的獲取時表示向量的所有元素，在構造等差數組時可用于連接各個參數。因此，在MATLAB中，很多符號具有多重含義和作用。

在課程的一開始，通過一些形象的例子給學生感性而直觀的認識。例如以MALTAB語言編程設計的三維圖像和動畫為切入點，導入該課程，從而抓住學生注意力，使學生產生學習的興趣。在教學過程中，以學生為主體，引導學生拓展知識面。同時，在教學中適當地融入科研的思維方式，培養學生的創新能力和鉆研精神。在學生提問時，通過啟發來引導學生思考問題、尋找解決問題的方法，逐步獲得問題的答案，并通過運行MATLAB軟件展示最終的結果，進行驗證。通過增強教學的互動性，培養學生的思考能力，從而進一步激發學生探索知識的欲望。

在課程的規范方面，將工程認證的核心理念融入其中，即：以學生為中心、以成果為導向、持續改進。以工程教育認證為目標，引入畢業要求達成度評價方法，將畢業要求每個指標點的達成度目標值設為1，根據教學計劃，制定該課程與畢業要求指標點對應關系。如表1所示：

在此基礎上，開展面向工程的課堂教學改革，改變實驗教學依附于理論課教學、重理論輕實驗的現象，加大綜合性實驗和設計性實驗的比例，使學生的實踐能力得到明顯提升[6]。本課程實驗環節采用“分散與集中結合、實操與作品考核與匯報交流結合”的教學模式。以解決工程問題為出發點，采用目標導向、綜合考量、翻轉課堂[7]、案例式教學法、團隊協作等教學手段，提升學生解決復雜工程問題的能力。目標導向是指學生應明確教學目標以及為該教學目標達成而實現的系統。綜合考量的內容包含兩個方面：一方面，學生對目標的設計應綜合考量速度、效率、簡潔等諸多因素;另一方面，對學生的考核是基本設計能力、仿真軟件應用能力、及系統調試能力等綜合能力的考察。翻轉課堂的含義是將課上傳授與課下鞏固知識的過程翻轉過來，通過教學視頻在課下傳授而在上課時教師幫助學生鞏固知識。為此，教師需要錄制微課，并將資源提前共享給學生，使學生利用空余時間進行預習。這樣學生往往會帶著問題來上課，充分發揮學生的主體地位，提高聽課效率。結合案例式教學法對科研中的問題和知識點進行總結，形成適合于本科教學的案例，讓學生在學習中能理論聯系實際，學得明白，學得深入。針對團隊協作，學生以團隊的方式完成設計任務，以3-4人為一組自行組團。項目組首先進行資料查詢和文獻研究，在需求分析的基礎上通過集中討論形成設計方案，在方案設計階段，需綜合考慮系統性能與復雜度之間的因素。系統的實現階段包括算法設計、軟件設計、軟件調試、性能測試、系統改進等諸多環節，要求學生能夠根據實施過程中出現的問題，進行具體分析，通過不斷地討論和嘗試，解決系統實現中所遇到的各類問題，最終實現系統的正常運行。課程結束時各團隊進行系統的展示和匯報，并提交課程設計報告。在教學過程中教師將設置各考核檢查環節，以“雙導”（及時引導、定時指導）的指導模式，確保教學任務的完成。學生經過復雜工程問題的教學實踐環節，經過“調研-分析-設計-實施-調試-測試-改進-運行”等模擬解決工程問題的環節，實現解決復雜工程問題能力的培養。

（二）課程考核

傳統的課程考核是以期中和期末書面考試為主要考核手段，以考察學生掌握書本知識為重點。學生中普遍存在著平時松散、突擊應付的現象。為此，我們采用過程化考核機制。過程化考核的實質是以能力培養為目標，以目標驅動型教學模式為支撐，以分類型考核為手段，實施教學全過程的考核，督促學生花更多的時間在學習上，提升各種能力。通過過程化考核，改變學生學習目的性，改變學生的學習習慣，提升學生的分析問題解決問題能力、組織協調能力和表達能力。作為一門軟件應用類課程，圍繞編程能力和軟件的應用能力的提升為目標，以能編程、會編程以及會應用軟件為考核落腳點。

過程化考核形式為上機，內容包括基本運算，繪圖功能以及程序設計，期末考試形式為筆試，內容是綜合應用。通過這樣的考核方案，考察學生對這門課程的掌握程度以及靈活運用的能力。對過程化考核的實施方式，主要基于以下兩個方面的考慮。一方面，采用上機考試作為過程化考核的形式，這樣可以考察學生的動手操作能力;另一方面，讓學生把試題的結果寫在試卷上，同時由監考老師現場檢查電腦上的結果，這樣可以全面客觀公正地考察學生對知識的掌握水平和靈活應用能力。此外，每學期期中階段都召開學生座談會，通過與學生的交流，了解教學中存在的問題。每次考試結束，計算課程試卷畢業要求達成度，結合課程的定量評價結果及課程反饋信息的分析，對課程教學存在的問題進行分析，同時給出持續改進建議與措施，實現閉環的教學過程。

通過理論課，實驗課和過程化考核的穿插進行，很多學生對這門課程產生了濃厚的興趣。學生在課上或課后積極地提問，說明學生想學好這門課，并且帶著疑問和思考在學習，這對于知識的掌握是很有幫助的。另外，通過過程化考核，也避免了“一考定終生”的模式。有些學生在某一次過程化考核中成績不太理想，我鼓勵其好好努力，因為后面還有機會。這樣，學生往往會加倍努力地去學習。有些學生在某次過程化考核中成績較好，我也激勵其不要松懈，將良好的學習狀態保持下去。最終目的就是讓學生能夠更好地掌握這門課程，更好地應用這門課程。

（三）課程教學持續改進

教學可體現在畢業要求的達成。教學過程通常包含教學內容、方法等相關環節。教學持續改進的過程，如圖1所示。結合畢業要求指標點，確定課程的教學大綱及計劃。結合指標點的達成對教學做持續改進。教學過程包含以下幾個方面：教學初期、教學過程以及教學完成。教學初期，進行預測診斷，主要涉及對前修課程相關知識點的掌握程度，結合診斷結果來適當地調整教學計劃。教學過程環節，根據作業以及過程化考核等環節產生評估，結合評估結果進行教學過程的持續改進。教學完成環節，根據課程的反饋結果，產生相應的總結性評價，以評價結果為參考，對教學作持續改進。

三、結束語

實踐是檢驗真理的標準。通過在實踐中尋找更優的教育方式，一方面促進自身勤于思考當前教育形態的發展方向，有利于在不斷變化的環境下健康成長;同時也是專業建設的需要，適時的更新優化有利于專業的良性發展。

參考文獻：

[1]“新工科”建設行動路線（“天大行動”）[J].高等工程教育研究，2017（2）：24-25.

[2]陳慧，陳敏.關于綜合性大學培養新工科人才的思考與探索[J].高等工程教育研究，2017（2）：19-23.

[3]鐘登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[4]林健.新工科建設：強勢打造“卓越計劃”升級版[J].高等工程教育研究，2017（3）：7-14.

[5]曹弋.MATLAB教程及實訓[M].北京：機械工業出版社，2012.

[6]馬艷娥，張甜.電子信息工程專業的建設與改革[M].高教學刊，2017（7）：148-149.

[7]黃鶴，段書凱，曹洪龍.電氣信息類專業數學系列課程的教學改革探索[J].西南師范大學學報（自然科學版），2017（7）：180-185.