基于Matlab 的工科專業基礎課教學改革探討

王志鵬

（南陽師范學院物理與電子工程學院，河南 南陽 473061）

0 引言

工科專業基礎課程作為學生掌握和了解基本理論以及是為學生構建知識框架、描繪未來發展設置的課程,在工科專業課程體系中起到關鍵作用。 學生對基礎課程的了解和掌握程度決定了學生未來的學習成果,甚至會影響到學生未來的發展。 因此,教師在教學改革中需要結合學生的學習情況和能力,利用Matlab軟件輔助教學課程的開展,提高教學質量和效率。

1 工科專業基礎課程的特點及意義

1.1 工科專業基礎課程的特點

工科專業基礎課程是以工程領域基本技能、專業知識等為基礎進行設置的,且知識面廣,并有實用、深厚的工程背景提供支持。 工科專業基礎課程包括專業技術課程和專業理論課程,只有熟練掌握專業理論知識,才能展開深入的學習。 工科專業實踐課程是教授學生實驗技能和方法的訓練課程,其注重對學生動手能力和思維能力的培養。 工科專業基礎課程與實踐課程相互聯系、密不可分,基礎理論課程指導實踐課程,實踐課程探索和驗證理論課程,基礎理論課程與實踐課程相互促進和依托［1］。

1.2 工科專業基礎課程的意義

工科專業基礎課程設置的主要目的是為了提高學生解決、分析問題的能力,培養學生實時求是和理論聯系生活的態度,獲得理論知識和技術的基本運用方法,為科學研究和技術研發奠定基礎。 如通信工程專業開設的基礎課程包括“電路分析基礎”“數字電子技術”等,這些都是學生必須掌握的基本理論知識,只有學生掌握基本技能和知識,才能合理運用并設計出復雜的電路。 工科專業基礎課程的開展可以為學生綜合素質、創新能力、應用能力的培養提供更多幫助,為復雜課程的學習奠定基礎［2］。

2 工科專業基礎課程改革思路

在基礎課程教學過程中,通常是由教師為學生進行講解,然后通過大量的習題,幫助學生鞏固所學知識,因此教學效果不夠理想。 由于工科專業基礎課程中的大部分理論和結論都是需要通過計算推倒而出,計算方式較為抽象且復雜,學生在學習過程中無法深刻理解其中的含義。 部分數學基礎較差的同學可能在學習過程中失去興趣。 除此之外,教師通過口述或播放實驗教學視頻的方式為學生講解基礎課程中的部分實踐內容,這樣的方式嚴重影響了基礎課程的教學效果。 基礎課程理論知識與實際生活無法產生聯系,學生不具備將理論知識應用到實際生活中的能力。 由此可以看出,教師過于重視對理論知識的傳授,而忽視了對學生綜合能力的培養。

因此,在工科專業基礎課程教學的改革中,需要從課程結構開始,以學生作為教學課程的主體,教師起到主導作用,將基礎理論課程與實踐課程有機結合,體現出“做學一體”的思想。 除此之外,Matlab 教學軟件的出現為工科專業基礎課程教學改革提供了便利,可以借助Matlab 教學軟件開發出動態仿真與可視化圖形于一體的演示教學軟件,通過仿真模擬輔助教學課程的開展,如電子信息工程專業“信號與系統”基礎課程中對于信號的波形、濾波器設計、信號卷積等內容都可以接借助Matlab 教學軟件進行演示。 Matlab 教學軟件是輔助基礎理論課程開展的重要工具,可以調節枯燥、乏味的教學課堂,演示教學內容,可以讓學生形象、直觀地掌握和了解基礎理論概念、特征等,從而提高學生的學習興趣和教學效率［3］。 同時,Matlab 教學軟件可以將基礎課程中的難點、重點以及習題進行仿真和模擬,讓學生進一步地了解其中的應用方法和原理,為后續的學習奠定基礎。

3 工科專業基礎課程教學改革

3.1 創新教學模式

在工程專業教學過程中,教師需要不斷優化和完善教學模式,在教學內容的設計上需要滿足教學課時和大綱的要求,在教學中需要集中對難點和重點知識的應用和方法進行講解。 同時,教學問題的設置需要控制好時間,避免出現教學課堂枯燥和乏味的現象。

工科專業基礎課程理論性較強,信號、電路及數學推導較多,采用傳統以講為主的教學方式會使教學課堂變得枯燥,而完全借助多媒體設備開展的教學方式,也會使學生的思維無法緊跟教學進度。 因此,教師在基礎課程的設置上需要將板書與多媒體設備有機結合。 對于學生無法熟練掌握的重點知識,教師需要通過板書的方式為學生講解,放慢教學進度讓學生緊跟教師的思路,為學生預留充分思考的時間。 在對信號、電路模擬圖的講解過程中,教師可以借助多媒體設備和Matlab 軟件的動態演示功能為學生展開教學,這樣的方式不僅能夠讓學生集中注意力,而且也節省了繪制圖形的時間。 Matlab 和多媒體設備直觀和形象地展示知識的優點,可以讓學生更快地掌握重難點知識［4］。

3.2 采用任務驅動教學方式

由于工科專業基礎課程理論性較強,在教學過程中,教師過于重視重難點知識,解決主要問題和矛盾,忽視了基礎知識的次要因素,不追求知識的嚴密性。例如,“模擬電子技術”課程中,半導體器件的學習是為了讓學生掌握正確使用和合理選擇的方法,重點不在于對半導體器件的設計,教學重點應在學生對器件主要參數和特征的掌握。 在“電路分析”課程中,對于電路基礎知識的講解,完全可以與實際生活相聯系,在日常生活中,照明系統通常都是采用三相電路的方式,部分學生不理解為什么插座有三角插頭,教師在講解過程中可以聯系實際為學生詳細講解中線、火線、零線的作用。 將教學與實際生活相聯系,不僅能夠營造輕松的教學環境,而且能夠幫助學生更好地掌握基本知識,同時提高學習興趣。 在“信號與系統”課程教學過程中,教師應當著重對系統和信號進行分析,強化系統設計與信息處理之間的聯系,并在講解的過程中適當加入應用背景和分析方法等,將基礎知識與現代技術相融合［5］。

3.3 實踐教學改革

實踐課程是為了培養學生將基礎理論知識熟練應用到實際生活中,從而提高學生的動手能力。 在實踐教學開展過程中,若一味地按照教材中的實驗步驟進行教學,會使學生的創造能力無法得到發揮,也會使教學效果下降。 因此,在實踐課程的設置上,教師要設計綜合性、設計性強的實驗項目。 在實驗開展方法上,需要由驗證型、示范型向著研究型、參與型轉變,以學生為主,為學生提供實踐機會。 除此之外,在硬件設施實驗教學的基礎上,需要軟件教學實驗,學生可以借助軟件更改實驗參數,自己設計實驗流程進行模擬實驗。

目前,大部分高校都開設了Matlab 課程,將其作為高校學生必須熟練掌握的軟件。 Matlab 軟件具備符號計算、數值計算和圖形處理等功能,能夠實現編程結果和計算結果的可視化。 該軟件個性化和人性化的功能以及自然化的數字語言表達,易于學生掌握和學習。Matlab 軟件具備豐富的功能,為學生和教師提供了便利的處理信息和圖形的工具。 Matlab 軟件具備的優勢受到了廣大師生的喜愛［6］。 例如,在“信號與系統”實踐課程開展過程中,教師可以借助Matlab 軟件編寫教學大綱,同步實驗教學與理論教學,具體步驟如下:(1）運用Matlab 軟件分析系統的時域。 (2）利用Matlab 軟件分析連續系統和時間信號的頻域。 (3）利用Matlab軟件分析連續系統和時間信號的復頻域。 (4）利用Matlab 軟件分析離散時間的頻域的時域。 (5）利用Matlab 軟件分析離線系統頻域。 實踐教學課程的開展,可以幫助學生利用Matlab 軟件對系統和信號進行仿真和分析,深入研究系統與信號的基本分析方法、基本理論、應用方法。 除此之外,Matlab 軟件具備的可視化功能也能幫助學生集中注意力,讓學生從充分利用基礎理論知識解決實際問題中獲得樂趣,調動學生學習的積極性。

4 結語

綜上所述,工科專業基礎課程對學生的知識儲備和基礎能力要求過高,需要學生具備分析復雜問題和驗證問題的能力。 工科專業基礎課程在理論方面較為完整和嚴謹,各個章節之間聯系緊密,如果教師按照傳統的教學方式,很難調動學生的積極性和主動性。Matlab 軟件具備的演示和仿真功能可以加強學生對基礎知識掌握的廣度和深度。