面向應(yīng)用能力培養(yǎng)的仿真技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)研究

唐貴進(jìn) 劉小花

摘? 要： 本文以“Matlab編程技術(shù)實(shí)驗(yàn)”仿真課程為例，探討了如何培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力。首先分析該課程改革的必要性。該課程存在兩個(gè)問題：偏重仿真語(yǔ)言語(yǔ)法的講解，以及課本理論或者定律的驗(yàn)證，無(wú)法體現(xiàn)其面向應(yīng)用的特性。然后提出了具體的改革措施，包括修訂課程大綱增加應(yīng)用功能模塊、采用從學(xué)生出發(fā)的教學(xué)設(shè)計(jì)、改變成績(jī)?cè)u(píng)定方式等。最后展示了改革的效果。

關(guān)鍵詞： 應(yīng)用能力;仿真技術(shù);教學(xué)改革

中圖分類號(hào)： G642? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.10.073

本文著錄格式：唐貴進(jìn)，劉小花. 面向應(yīng)用能力培養(yǎng)的仿真技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)研究[J]. 軟件，2020，41（10）：282285

【Abstract】： The paper takes the simulation course of Matlab programming techniques as an example to discuss how to cultivate the students application ability. Firstly， the necessity of course reform is analysed. Two problems exist in this course which are the emphasis of the grammar introduction of simulation language and the verification of theories and rules in textbooks. So the course cannot embody the application-oriented feature. Secondly， some concrete reform measures are put forward， including adding application modules in the course syllabus， designing the teaching activities from the student perspective， and altering the score assessment. Finally， the reform effect is presented.

【Key words】： Application ability; Simulation technique; Teaching reform

0? 引言

近年來，許多本科高等院校調(diào)整了自身的辦學(xué)定位，從教學(xué)科研并重型、甚至科研型轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)用型教育，著眼于服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)。2016年《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》和2019年《國(guó)家職業(yè)教育改革實(shí)施方案》中，均有明確的應(yīng)用型本科院校轉(zhuǎn)型的總體規(guī)劃。在2019年2月，教育部新聞發(fā)布會(huì)透露支持各省份推薦的100所應(yīng)用型高校建設(shè)。這些政策意味著，將有一大批院校的辦學(xué)需要以企業(yè)的需要為導(dǎo)向，淡化學(xué)科、強(qiáng)化專業(yè)。本科教學(xué)階段，學(xué)生涉及到的仿真技術(shù)有多種。本文以南京郵電大學(xué)通達(dá)學(xué)院的《Matlab編程技術(shù)實(shí)驗(yàn)》課程為例，探討仿真技術(shù)教學(xué)，在面向應(yīng)用的過程中，實(shí)施的措施以及取得的成效。

1? 課程教學(xué)改革的必要性

通達(dá)學(xué)院是南京郵電大學(xué)的獨(dú)立學(xué)院。和目前社會(huì)上其他很多獨(dú)立學(xué)院類似，很大程度上采用的是依托母體辦學(xué)的教學(xué)模式，師資力量、課程體系都源自母體高校，從而導(dǎo)致獨(dú)立學(xué)院對(duì)學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)的錯(cuò)亂，偏離培養(yǎng)有競(jìng)爭(zhēng)力、符合社會(huì)發(fā)展需要的應(yīng)用型人才的定位。獨(dú)立學(xué)院作為一所培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才的高校，需深入社會(huì)，走進(jìn)企業(yè)，了解他們的需求，以實(shí)踐能力培養(yǎng)為目標(biāo)，持續(xù)優(yōu)化課程內(nèi)容，使得其培養(yǎng)的畢業(yè)生能夠?qū)悠髽I(yè)的需求[1-2]。

實(shí)踐教學(xué)和理論教學(xué)相輔相成，能更快地促進(jìn)學(xué)生向應(yīng)用型人才的轉(zhuǎn)化，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)踐教學(xué)的重要組成部分。在目前的獨(dú)立學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，存在閉門造車的弊端，或者簡(jiǎn)單跟從的現(xiàn)象-“因?yàn)樾值茉盒＿@么設(shè)置，我也這么設(shè)置”，忽視各個(gè)院校或者專業(yè)定位不同的事實(shí)，需要根據(jù)社會(huì)實(shí)際需要和工程中需要解決的問題，提出面向應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，開展實(shí)用型實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐。又因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)教學(xué)中，有時(shí)會(huì)因?yàn)槟承┰颍ㄈ绨踩珕栴}、成本問題、硬件損壞），無(wú)法進(jìn)行實(shí)際的硬件操作，此時(shí)可以采用Matlab仿真工具，來代替硬件工作，改善教學(xué)效果。因此將Matlab仿真研究引入課堂，并貫穿始終，避免了單純枯燥的說教，呈現(xiàn)了一目了然的視覺效果，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)抽象的理論原理和概念的理解，培養(yǎng)應(yīng)用相關(guān)工程技術(shù)的能力。

目前，獨(dú)立學(xué)院的實(shí)驗(yàn)多以公共課實(shí)驗(yàn)為主，聚焦的是多數(shù)專業(yè)共性中的基礎(chǔ)部分，即便是專業(yè)課的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，更多強(qiáng)調(diào)的是進(jìn)行理論知識(shí)的驗(yàn)證。以《Matlab編程技術(shù)實(shí)驗(yàn)》課程為例，花費(fèi)了不少課時(shí)在編程語(yǔ)法的講授上，設(shè)置的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容側(cè)重于理論課中經(jīng)典理論或定律的復(fù)現(xiàn)，缺乏與實(shí)踐結(jié)合，比如缺乏如Matlab在圖像處理中的應(yīng)用、Matlab在語(yǔ)音信號(hào)處理中的應(yīng)用等，不能充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，忽略了對(duì)應(yīng)用技術(shù)的掌握。教學(xué)方法上，實(shí)驗(yàn)課教師還是采用老舊的講授和平鋪直敘的教學(xué)模式，存在以PPT來代替實(shí)際的演示問題，實(shí)驗(yàn)成績(jī)的評(píng)定過分依賴最后的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，忽視了中間的過程，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和獨(dú)立自主性受挫，掌握實(shí)際應(yīng)用技術(shù)的水平下降[3-4]。

因此，需要我們采取一些措施，來完善課程內(nèi)容，擺脫課程的枯燥，吸引學(xué)生注意，使之產(chǎn)生興趣，能夠靜下心來做實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)自身的本領(lǐng)來更好地服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)[5-6]。

2? 課程教學(xué)改革的具體對(duì)策

（1）修訂課程大綱增加應(yīng)用功能模塊

為了適應(yīng)面向應(yīng)用的需求，重新修訂該課程大綱，將該課程從當(dāng)初的24學(xué)時(shí)擴(kuò)展到32學(xué)時(shí)，增加的學(xué)時(shí)主要為：Simulink仿真、函數(shù)極值問題的求解、數(shù)據(jù)可視化等功能模塊上。對(duì)于Simulink仿真，要求熟悉Simulink的模塊庫(kù)，掌握子系統(tǒng)及封裝技術(shù)，并能夠進(jìn)行仿真運(yùn)行與分析。對(duì)于函數(shù)極值模塊，要求學(xué)生在掌握一元極值求解函數(shù)和多元極值求解函數(shù)的基礎(chǔ)上，將其應(yīng)用在實(shí)際應(yīng)用中。比如圖像去噪、修補(bǔ)、超分辨率的很多問題，常建模為：

對(duì)此模型可以利用ADMM（Alternating Direction Method of Multipliers，交替方向乘子法）來優(yōu)化求解，即把上述約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)為增廣拉格朗日函數(shù)：

然后分別固定另外兩個(gè)變量，更新其中一個(gè)變量

對(duì)于求解，這時(shí)無(wú)約束，可以方便借助Matlab的fminbnd等函數(shù)來求解。學(xué)生掌握這一通用的求解模型，將極大方便以后工程中碰到的實(shí)際問題的解決。

（2）從學(xué)生出發(fā)的教學(xué)設(shè)計(jì)

以前備課時(shí)，常常從老師角度出發(fā)，考慮怎么方便老師講授，而不是優(yōu)先考慮怎么方便學(xué)生學(xué)，忽視了學(xué)生已有的知識(shí)背景，使得教學(xué)活動(dòng)分裂為老師自導(dǎo)、學(xué)生盲從。實(shí)際上，課堂教學(xué)是需要老師和學(xué)生雙方都積極參與、積極互動(dòng)過程，脫離任何一方都將導(dǎo)致教學(xué)效果的下降。如果無(wú)視學(xué)生，課堂的教學(xué)活動(dòng)將變成老師的自言自語(yǔ)、自說自話的獨(dú)角戲。Matlab仿真作為一門面向應(yīng)用的課程，教學(xué)可以從學(xué)生的生活感受入手，承接學(xué)生的知識(shí)體系，以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的應(yīng)用能力為目標(biāo)。為此，老師需要預(yù)先了解學(xué)生的培養(yǎng)計(jì)劃，對(duì)他們感興趣的話題和所關(guān)心的就業(yè)去向進(jìn)行調(diào)研，使課堂教學(xué)更貼近社會(huì)和企業(yè)的需求。在實(shí)際教學(xué)過程中，可以告訴學(xué)生某個(gè)函數(shù)以后將會(huì)用在哪些實(shí)際場(chǎng)景中[7]，避免學(xué)生對(duì)函數(shù)參數(shù)的死記硬背，比如采用imshow來顯示圖像、用imnoise來仿真不同類型的噪聲（高斯噪聲、椒鹽噪聲）的效果如下圖1所示，一目了然，非常直觀。

（3）采用了分級(jí)教學(xué)方法

很多實(shí)驗(yàn)課程要求在同樣的時(shí)間內(nèi)，完成相同的內(nèi)容，沒有做到因地制宜、因人而異。因此，本項(xiàng)目提出分級(jí)教學(xué)的方法。從學(xué)生現(xiàn)有的基礎(chǔ)出發(fā)，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置為基礎(chǔ)部分和提高部分，學(xué)生根據(jù)自身能力選擇不同部分，對(duì)基礎(chǔ)較好的學(xué)生，鼓勵(lì)他們完成提高部分，激發(fā)求知欲望，提升實(shí)踐能力。

比如在做圖像仿真實(shí)驗(yàn)部分，除了常規(guī)的讀取圖像和顯示圖像外，動(dòng)手能力強(qiáng)、善于思考的學(xué)生還要求展示不同模板大小濾波的效果，并分析原因，如下圖所示。

（4）引入課堂討論環(huán)節(jié)

在教學(xué)過程，預(yù)先留出部分時(shí)間，根據(jù)當(dāng)前課程講授的內(nèi)容，把學(xué)生分成多個(gè)小組，讓學(xué)生思考和討論，所學(xué)的內(nèi)容可以應(yīng)用于求解哪些問題。然后，由每個(gè)分組推選代表進(jìn)行發(fā)言，教師對(duì)此發(fā)言點(diǎn)評(píng)。教師在點(diǎn)評(píng)時(shí)，對(duì)學(xué)生的回答要給予指導(dǎo)和補(bǔ)充，可以借助語(yǔ)言、動(dòng)作和表情等，對(duì)學(xué)生施以激勵(lì)。對(duì)表現(xiàn)突出的學(xué)生不吝嗇表?yè)P(yáng)，對(duì)害羞缺乏信心的同學(xué)給予鼓勵(lì)，讓他們有勇氣參與到討論中來。課堂討論打破了教學(xué)活動(dòng)中的沉悶，活躍了氣氛，拉近了老師和學(xué)生之間的距離，加強(qiáng)了學(xué)生之間的團(tuán)結(jié)合作意識(shí)，激發(fā)了他們學(xué)習(xí)的主人翁精神，使得學(xué)生從被動(dòng)聽課，變成知識(shí)的主動(dòng)探索。同時(shí)，小組內(nèi)的討論以及小組間的辯論，可以讓學(xué)生從多個(gè)角度來看待同一個(gè)問題，提升了他們的思辨能力。

（5）將科研成果引入教學(xué)

教學(xué)和科研是大學(xué)教育的重要支撐點(diǎn)，它們相互促進(jìn)和補(bǔ)充。教師作為知識(shí)的先行者、學(xué)生的引路人，在相對(duì)熟悉的領(lǐng)域，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的摸爬滾打，往往已經(jīng)取得了一定的科研成果。如果將這些已有的科研成果引入課程教學(xué)，將能有效地促進(jìn)課程質(zhì)量的提高，實(shí)現(xiàn)了科研向教學(xué)的反哺。教師及時(shí)將最新科研成果向?qū)W生講授，這些成果中將包含新理論、新方法，開拓了學(xué)生的視野;同時(shí)，將新的應(yīng)用向?qū)W生介紹，以企業(yè)為主體、以市場(chǎng)為導(dǎo)向，有利于提升學(xué)生興趣，強(qiáng)化知識(shí)的記憶理解，豐富了課程內(nèi)容。通過將科研成果引入課堂教學(xué)，能培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)興趣和科學(xué)的工程素養(yǎng)，拓展了Matlab仿真的深度與廣度，提高了課堂教學(xué)質(zhì)量。

（6）改革了課程考核方法

課程學(xué)習(xí)結(jié)束后，需要對(duì)學(xué)生的成績(jī)進(jìn)行評(píng)定。作為一門仿真課程，少不了動(dòng)手操作的環(huán)節(jié)，否則容易陷入紙上談兵的窘境。每位實(shí)驗(yàn)都是由單人進(jìn)行操作，避免了多人一組時(shí)有些學(xué)生的偷懶;實(shí)驗(yàn)必須預(yù)習(xí)，需要能夠提供已經(jīng)預(yù)先的材料，有記錄;實(shí)驗(yàn)過程中，教師會(huì)提問，譬如為什么這么做、某些參數(shù)代表什么含義等，并根據(jù)學(xué)生回答的流暢度和準(zhǔn)確度進(jìn)行評(píng)分。

由于考核是單人操作且有教師提問，使得學(xué)生在平時(shí)學(xué)習(xí)中能夠積極主動(dòng)，不再盲目的照搬其他學(xué)生的程序或者結(jié)果。

考慮到學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、課堂參與度、歸納總結(jié)水平、知識(shí)綜合運(yùn)用能力等因素，將課程的成績(jī)劃分為預(yù)習(xí)報(bào)告、課堂表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和期末考試四個(gè)環(huán)節(jié)，各個(gè)環(huán)節(jié)的占比如表1所示。

3? 實(shí)踐效果

這里從以下方面來評(píng)價(jià)該項(xiàng)目引起的實(shí)際效果，分別為：

（1）提升了課程本身質(zhì)量。在教學(xué)過程中，剔除了部分陳舊知識(shí)，引入了新的工程技術(shù)，所以使得課程內(nèi)容更加緊湊，能夠跟上應(yīng)用發(fā)展的趨勢(shì)和要求。同時(shí)，由于融匯了上述多種教學(xué)方法或者手段，避免了老師在課堂中似乎面對(duì)空氣式的尷尬，激發(fā)了老師的熱情。

（2）提高了學(xué)生學(xué)習(xí)效果。通過改革，引入更多的實(shí)踐化例子，擺脫了枯燥機(jī)械的重復(fù)，極大提升了學(xué)生對(duì)該課程的興趣，學(xué)生愿意投入更多時(shí)間在該課程中。最近2年來，該課程的及格率為100%，具體分布如下圖。

（3）增強(qiáng)了學(xué)生實(shí)踐能力。學(xué)生學(xué)完該課程后，在大四階段的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題階段，有近40%的學(xué)生借助Matlab仿真工具來完成自己的課題設(shè)計(jì)，這些課題的內(nèi)容都是圍繞實(shí)際應(yīng)用中的圖像處理、語(yǔ)音處理等問題。

4? 結(jié)論

當(dāng)前是應(yīng)用型高校發(fā)展的重要階段。本文以《Matlab編程技術(shù)實(shí)驗(yàn)》為例，分析了實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，探討了在信息處理大背景下，如何采取一系列措施來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力，并給出了改革取得的成效。

下一步我們將繼續(xù)接觸企業(yè)，持續(xù)改進(jìn)課程，培養(yǎng)更多滿足社會(huì)和企業(yè)需求的應(yīng)用型人才，為地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

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