淺談物理學師范專業(yè)的《Matlab應用》課程教學改革

文 林，羅淞文，唐建軍

（1.重慶師范大學物理與電子工程學院，重慶 401331；2.重慶市璧山中學校，重慶 402760；3.重慶市第十五中學，重慶 400330）

一、引言

為貫徹落實黨的十九大精神，國家開始開展普通高等學校師范類專業(yè)的認證工作。此次師范類認證的主體是專業(yè)，因此各專業(yè)及專業(yè)所在學院都高度重視。為了加強師范專業(yè)建設，優(yōu)化師范專業(yè)質量保障體系，提高教師育人質量和就業(yè)核心競爭力，師范專業(yè)的人才培養(yǎng)計劃需要做一些調整，與之相應的專業(yè)課程設計也要做相應的改革。在這一大背景下，結合我校物理學師范專業(yè)的課程開設及培養(yǎng)目標，本文將探討我校物理學師范專業(yè)《Matlab應用》課程的教學改革。

二、課程開設時間改革

《Matlab應用》雖然是一門獨立的計算機軟件課程，但它與其他課程也有著千絲萬縷的聯系。《Matlab應用》課程開設的前提條件是，要求學生具備高等數學、線性代數及計算機基礎等知識，因此許多理工科院校都將《Matlab應用》課程開設在大二或大三。結合我校物理學師范專業(yè)人才培養(yǎng)目標和課程開設方案，《Matlab應用》課程開設時間為大一下學期。這種調整不僅能更好地為后續(xù)專業(yè)課程服務，而且也能為學生參加數學建模競賽、物理競賽和從事科學研究等科學計算和數據處理提供新手段。

三、教學內容的改革

Matlab軟件功能十分強大，既為用戶提供諸如數值和符號計算、科學數據處理等基礎功能，也為用戶提供了控制和通信系統(tǒng)的設計與仿真、數字信號及圖像處理、財務與金融工程等功能。可以說，《Matlab應用》是一門十分實用的課程。但不同專業(yè)對Matlab軟件的使用有不同的需求，尤其是結合我校物理學師范專業(yè)的課程開設與畢業(yè)生就業(yè)情況，對該課程的教學內容提出了新的要求。

一方面，我校物理學師范專業(yè)開設的專業(yè)主干課程主要包括《量子力學》《數學物理方法》《熱力學統(tǒng)計物理》《概率論與數理統(tǒng)計》《電磁學》《光學》《力學》《原子物理學》《電動力學》《固體物理學》等，這些課程都涉及煩瑣的微積分、非線性代數方程及方程組求解、矩陣運算、微分方程及方程組求解等數學計算，學生往往因數學基礎不扎實而拖累了這些課程的學習，導致部分學生在后續(xù)專業(yè)課學習中遇到較大的困難，喪失了學好物理學知識的信心。由于Matlab軟件在數值計算和符號計算等方面具有高效和便捷的處理能力，為用戶提供了許多函數工具庫，因此物理學師范專業(yè)的《Matlab應用》課程教學內容應著重講解數值計算和符號計算方面的內容，為學生在學習專業(yè)課過程中解決數學問題提供新手段。

另一方面，Matlab軟件也為用戶提供了功能強大的GUI工具，即圖形用戶界面。通過Matlab的GUI工具，可開發(fā)許多虛擬實驗平臺。如果學生掌握了GUI工具的使用，可用其模擬十分抽象的物理概念和復雜的物理過程。例如，在量子力學的學習中，學生可利用Matlab軟件搭建電子雙縫衍射、量子隧穿效應、氫原子電子云和斯塔克效應等虛擬演示平臺，幫助其理解相應的物理概念和物理過程。又如，學生可利用Matlab軟件搭建一些簡單的中學物理模擬實驗，為今后的中學物理教學提供形象生動的手段。因此，針對我校物理學師范專業(yè)本科生，《Matlab應用》課程也應加強對GUI工具內容的教學，而將通信和控制系統(tǒng)設計與仿真等內容留作學生課后自學，學生可按照自己的興趣和愛好，選擇自主學習這部分內容，培養(yǎng)學生的自主學習能力。

四、教學設計的改革

教學設計主要包括以教師教為主體的教學設計和以學生學為主體的教學設計。在《Matlab應用》課程教學中，教學設計應將二者有機結合起來，不僅要發(fā)揮教師主導教學的作用，而且也要充分體現學生學習的教學體系，從而達到教學并重的教學設計理念。針對物理學專業(yè)的《Matlab應用》課程教學設計，教師不能只以教會學生怎么用Matlab軟件為目的。例如在講解Matlab的一些函數功能時，不能僅告訴學生如何調用該函數，而且還要對這些函數的基本算法原理、使用條件和優(yōu)缺點等做出詳細的解釋。同時，學生在選擇參考書時，也應盡量選擇偏重于物理應用方面的Matlab參考書，如北京師范大學彭芳麟教授主編的《數學物理方程的Matlab解法與可視化》和鈔曦旭等教師主編的《Matlab及其在大學物理課程中的應用》。總之，在物理學專業(yè)的《Matlab應用》課程教學中，教學設計應更偏重于應用Matlab軟件解決常見物理問題，從而達到教學并重的目的。

五、教學手段的改革

在傳統(tǒng)的《Matlab應用》教學中，教學過程大多以教師教、學生被動學習為主，結果導致學生缺乏學習積極性。教師在講解該課程內容時，除了給學生講解Matlab基礎知識外，應注重提升學生的編程能力。因此，除了開設《Matlab應用》的理論課程外，還應開設上機實踐課程，學生通過上機實踐課程能很好地理解和掌握所學知識，有助于提升學生的實際動手編程能力。除此以外，在《Matlab應用》的理論課上，教師應該多進行編程實例演示，并允許學生將筆記本電腦帶到課堂，一邊學習理論基礎知識，一邊進行編程實踐，進而提升學生的學習效率，增強學生學習的主動性。

六、學生成績考核的改革

受條件的限制，以前《Matlab應用》課程的考核大多以期末筆試為主，側重于理論基礎知識考核，對學生的實際編程能力不做任何要求。在這種考核模式下，學生在平時學習的過程中，大多通過死記硬背的方式來應付課程考試，不利于提升學生的實際動手編程能力，造成學生不能靈活運用Matlab軟件。因此，除了利用期末筆試對學生的基礎知識進行考核外，必須增加上機編程考試，加強考核學生的編程能力和解決實際問題的能力，避免期末試卷決定一切的局面。除期末考核以外，還應加強對學生平時成績的考核，學期總評成績應采取平時成績與期末成績相結合的方式。平時成績主要考核學生的出勤、課堂紀律和課后習題完成情況。課后習題應以上機編程為主，除了參考教材的編程習題外，教師應自擬一些與物理學相關的習題，提升學生編程能力的同時，也能幫助學生理解相關的物理知識，尤其是與教師科研課題相關的習題，還能激發(fā)學生的探索精神，培養(yǎng)學生的科研興趣，提升學生應用所學知識解決實際問題的實踐能力和創(chuàng)新能力。

七、教學師資的改革

《Matlab應用》是一門交叉性和實踐性較強的課程，涉及計算機技術、數學理論知識以及諸多工程理論知識，因此《Matlab應用》課程的教學，不僅要求教師能熟練地利用Matlab軟件編程，具備扎實的高等數學和線性代數基礎，還應要求教師具有使用Matlab編程的豐富經驗，這些都關系到課程目標的實現和教學質量的提高。針對物理學專業(yè)的《Matlab應用》課程，應選擇具有理論物理研究背景、長期使用Matlab軟件進行物理計算的物理系教師來授課。這些教師由于長期從事理論物理研究工作，其研究課題涉及大量的數值和符號計算，再加上長期使用Matlab軟件作為編程計算平臺，具有豐富的Matlab編程經驗，有利于將其良好的編程習慣傳授給學生，同時還能理論聯系實際，具體教授學生如何利用Matlab軟件解決實際物理問題，讓物理學專業(yè)學生在學習Matlab軟件時更加接地氣，也為學生后續(xù)物理課程學習奠定了一定的基礎。