工程認證背景下的《MATLAB 基礎》課程教學大綱設計

劉鑫

（河海大學 物聯網工程學院， 江蘇 常州）

一 引言

工程教育專業認證（簡稱工程認證）是面向現代化教育而對高等院校的教學內容提出了新的要求，它主要倡導了三個重要理念：（1）學生中心理念；（2）產出導向理念；（3）持續改進理念[1]。工程認證的主要意義在于讓學生取得畢業證書的同時，也獲得了進入國際就業市場的“門票”[2]。而對于高校而言，一直強調的“提升教學質量”也第一次有了一個明確的參考框架。在這樣的背景和要求下，為了提高通信工程專業的本科人才培養質量，作為通信工程專業的任課教師需要不斷完善、修正、改進本專業的教學大綱，以達到工程認證的基本要求，培養出高質量的本科生人才。MATLAB作為一門簡單、易懂、易學的編程語言，它的應用性十分廣泛[3-5]。它能夠作為一門輔助的編程語言，培養學生的編程思維、鍛煉學生的編程能力、錘煉學生解決問題的能力、激發學生的創新能力。鑒于此，本文對《MATLAB 基礎》課程的教學大綱進行了重新設計，目標在于進一步提升本門課程的教學質量、深化本門課程的教學內容、提高學生對于本門課程知識點的掌握程度。

二 課程大綱的具體設計[4-6]

《MATLAB 基礎》課程共計32 學時，是面向全體通信工程專業學生開設的一門專業選修課，采用理論教學與上機實驗相結合的授課模式，目的是為了使學生在掌握理論知識的同時，通過上機編程實踐進一步深入理解編程語言，解決實際問題。作為一門適用性十分廣泛、使用范圍十分普遍的編程語言，本文課程的主要作用是鍛煉學生的編程思維以及動手解決實際專業問題的能力，主要包括建立模型、激勵系統、數據采集、數據處理、算法實現等方面，最終培養學生在軟件編程方面的基本能力。通過本門課程的學習，進一步激發學生在軟件編程方面的興趣，熟練的運用所學知識進行科研方面的工作。

(一) 對應畢業要求指標點內容

根據《MATLAB 基礎》課程的基本目標與通信工程專業認證標準中的畢業要求以及本專業對畢業要求所分解的2 個主要的指標點如下：

指標點1：能夠應用通信工程的基礎和專業知識, 對通信工程的復雜問題進行數據分析和綜合，得到有效結論。

指標點2：針對具體通信工程的復雜問題，能夠選擇和使用合適的現代工具對問題進行模擬分析和預測或控制。

(二) 課程目標與畢業要求

本課程以MATLAB 編程語言的基本語句、語法、函數結構和設計，及其在科學分析與工程計算中的應用等問題為主要內容，結合通信專業學生所需掌握的信號分析與系統建模等基本知識點，培養學生分析問題、解決問題，及工程創新應用的能力。本課程的教學目標與畢業要求具體對應關系如下。

1.教學目標1

掌握科學計算和工程應用，特別是通信工程研究領域中一般系統的建模和調試能力；掌握信號的時域和頻域分析、隨機過程和隨機數生成、白噪聲的產生、多元方程組的方程根的求解等基本建模知識；熟練掌握MATLAB 作為計算與系統仿真軟件，解決通信研究和工程應用中的相關問題。因此，教學目標1 支撐指標點1，即能夠應用自然科學知識對通信領域的復雜工程問題進行識別、表達和分析，以獲得結論。

2.教學目標2

掌握MATLAB 編程語言的基本語法和句柄等概念；掌握分支、循環、子函數和嵌套函數等用戶自定義函數的設計模式，并能以此對具體的科學計算和工程應用問題進行分析和調試。因此，教學目標2支撐指標點1，即能夠應用自然科學知識對通信領域的復雜工程問題進行識別、表達和分析，以獲得結論。

3.教學目標3

掌握MATLAB 仿真環境的基本系統設計及其調試過程，并能根據不同工程問題背景和性能要求，優化系統結構和參數，并測試改進，以達到系統的分析需求。因此，教學目標3 支撐指標點2，即針對具體通信工程的復雜問題，能夠選擇和使用合適的現代工具對問題進行模擬分析和預測或控制。

4.教學目標4

掌握復數、字符串、高維數組、稀疏陣、元胞陣和結構陣等典型數組的基礎概念和實際應用；并能結合已有知識和相關應用例題的講解，使學生熟悉并掌握通信系統中的幾類典型信號的產生，及通信過程等基礎模型的構造和分析。因此，教學目標4支撐指標點2，即針對具體通信工程的復雜問題，能夠選擇和使用合適的現代工具對問題進行模擬分析和預測或控制。

本門課程的課程目標與本專業的畢業要求之間的對應關系如下表1 所示，其中畢業要求中的“研究”在本課程中對應指標點1，畢業要求中的“使用現代工具”在本課程中對應指標點2。

表1 課程目標與畢業要求的對應關系表

三 課程教學內容和基本要求

本課程以MATLAB 編程語言的基本語句、語法、函數結構和設計，及其在科學分析與工程計算中的應用等問題為主要內容，結合通信專業學生所需掌握的信號分析與系統建模等基本知識點，培養學生分析問題、解決問題，及工程創新應用的能力。更進一步，通過本課程的講解，進一步激發起學生的科研興趣。

《MATLAB 基礎》課程的全部教學內容一共分為11 個章節，在授課過程中，每個章節要緊抓教學內容、基本要求、知識要點、重點難點、教學方法等5 個模塊。在本課程的教學大綱設計過程中，每個章節的主要內容如下：1.MATLAB 基礎知識（包括MATLAB 的發展，數值計算、符號計算、繪圖等功能，MATLAB 的操作界面，命令格式與基本規則，搜索路徑設置，幫助信息獲取辦法等）；2.MATLAB數據對象（包括數值數據及其操作、變量及其操作、MATLAB 數組及其操作、MATLAB 中三種運算、字符數據及其操作、結構體對象和單元對象等）；3.MATLAB 程序設計（MATLAB 的腳本編輯與實時腳本，順序、選擇、循環三種程序控制結構，函數文件及調用，程序調試，程序性能分析與優化等）；4.MATLAB 圖形繪制（包括二維曲線繪制，二維圖形繪制，三維圖形繪制，圖形修飾處理，圖像處理，交互式繪圖工具等）；5.MATLAB 中線性代數數值計算（包括MATLAB 中的線性代數函數，矩陣計算、線性方程求解、計算特征值和奇異值等）；6.MATLAB 中數據分析與多項式計算（包括求最大值、最小值、和、積、平均值、中值、累加和、累乘積的方法，統計描述和排序，多項式的四則運算、求導、求值、求根、除法變換等）；7.MATLAB 中數值微分計算（包括數值差分與差商，數值微分的實現，數值積分的原理，定積分的數值求解實現，多重定積分的數值求解實現等）；8.MATLAB 中符號計算（包括符號對象的建立，符號對象的算術、關系、邏輯運算，符號極限、導數、積分，級數符號求和，符號方程求解，符號計算的可視化分析等）；9.MATLAB 中圖形對象（包括圖形對象的句柄和屬性，圖形窗口對象，坐標軸對象，曲線對象，曲面對象，文本對象，動畫對象，光源對象，材質處理等）；10.MATLAB 中App 設計（包括圖形用戶界面的對象概述，控件的常用屬性，調用GUI函數建立圖形用戶界面，使用GUIDE 設計圖形用戶界面，利用App Designer 設計圖形用戶界面等）；11.MATLAB 中Simulink 仿真與分析（包括Simulink 的工作環境，系統模型構建，模塊參數設置，仿真參數設置，仿真結果分析，子系統的創建，子系統的封裝等）。

此外，本課程的教學內容中還包含3 次課內實驗，實驗名稱、實驗要求、實驗學時、實驗性質、實驗人數等相關必要信息見下表2。在本門課程的教學過程中，課內實驗是必須項，它和理論課程之間呈現了一個相輔相成的關系。即理論課程的學習是課內實驗能夠順利開設的一個基礎，而理論課程的開設能夠進一步促進學生對知識點的掌握、理解及運用。在課內實驗進行過程中，學以致用并且進一步開發學生對于軟件編程、系統建模等領域的興趣。

表2 實驗項目名稱與目的要求等的關系

本門課程的教學具體要求包括：（1）課堂問題討論與課堂編程作業；（2）不少于六次課后作業，并且全部要求用計算機完成；（3）課外拓展編程作業；（4）3 次課內實驗；（5）期末考試。在期末考試成績評定過程中，分為課內實驗、平時成績、期末考試成績三個大項。其中，課堂問題討論與課堂編程作業、課后作業、課外編程拓展作業均屬于平時成績。

特別需要強調的是，在平時成績評定過程中，對于積極參與討論、勇于探索的學生給予一定的加分鼓勵，一定要充分鼓勵學生有自己的想法并激發起學生的創造力。以下面的Simulink 模塊教學中一道習題為例：

在本題的解答過程中，最直觀的解題思路是利用一個三輸入的累加( 減) 器，取x''(t) 為輸出，再結合兩個積分器，構造一個完整的Simulink 仿真模塊，通過仿真可以得到上述二階微分方程的解x(t) 。

解答思路1：取x''(t) 為累加( 減) 器的輸出，那么上述二階微分方程可變形為：

此時結合兩個積分器，可以構造一個Simulink仿真模塊如圖1 所示。

圖1 思路1 中的Simulink 模塊

但是為了進一步激發學生的創造力，鼓勵學生有自己的想法，本題的解題思路大可以不拘一格，還有其他的解題思路。同樣利用一個三輸入的累加( 減) 器，我們還可以直接取方程的解x(t) 為輸出，此時再結合兩個微分器構造一個完整的Simulink 仿真模塊。

解答思路2：取x(t) 為累加(減)器的輸出，此時上述二階微分方程可變形為：

此時再結合兩個微分器構造Simulink 仿真模塊如圖2 所示。

圖2 思路2 中的Simulink 模塊

最后通過仿真上述兩個Simulink 模塊，我們可以得到題目中的二階微分方程的解x(t) 如圖3 所示。

圖3 二階微分方程的解

以本題為例，對于那些善于思考且富有創造力，利用多種思路去解決問題學生應該多加以鼓勵，在平時成績打分的時候應該給予一定的加分。

四 課程思政設計[6-8]

（1）融入點1：根據MATLAB 科學計算軟件的發展歷程，通過MATLAB 能夠保持在科學計算、通信仿真、數據分析與預測中的重要地位，以及MATLAB 在最新通信技術的應用，使學生體會自我發展、緊跟最新技術發展的重要性。

（2）融入點2：根據MATLAB 中腳本程序和Simulink 模型設計兩種方式能完成相同系統的仿真，根據同一圖形或曲面采用不同的修飾方法得到不同的結果，培養學生能多角度分析和處理問題的能力。

（3）融入點3：從MATLAB 中自定義函數、Simulink 中子系統設計提高系統仿真的協作性，加強學生協作精神的培養。

（4）融入點4：現階段MATLAB 公司對我國某些高校，例如哈爾濱工業大學、哈爾濱工程大學等實施了技術封鎖，從此事實出發鼓勵學生勇于探索，積極奮斗，努力創造出屬于我們國家的編程軟件，培養學生的愛國情懷。

五 考核方式

本門課程的考核方式與教學目標、畢業要求指標點對應如下表3 所示。表中各考核方式對應教學目標的百分比供參考，可根據教學實際進行適當調整，但需要保證對畢業要求指標點為高支撐的教學目標分值比例高于中等支撐的，而中等支撐的要高于低支撐的。課程綜合成績由平時成績、課內實驗成績及期末考試成績三部分組成：平時成績包括課堂問題討論與課堂編程作業、課后作業、課外編程拓展作業，占20%；實驗成績包括出勤、實踐能力、實驗報告，占20%；考試方式為半開卷筆試，考試成績占60%。具體的比重可根據實際情況做出適當調整。

表3 考核方式與教學目標、畢業要求指標點對應表

六 結語

本文在工程教育專業認證的背景下，以《MATLAB 基礎》課程為例，對現有的教學大綱進行了重新設計與完善。目標是為了使本文所設計的教學大綱滿足工程認證的基本要求，進一步提升本門課程的教學質量，進一步深化學生對于本門課程知識點的掌握與運用。通過理論與實際相結合的培養方式，提升學生的編程水平、錘煉學生的創新能力、鍛煉學生解決實際問題的能力。