MATLAB語言及其應用課程思政建設

李愛濱 錢明芳 張學習 賈政剛 耿林

摘要：MATLAB是應用最為廣泛的科學與工程計算軟件，它集科學計算、數據分析、編程、可視化繪圖和動態系統建模仿真功能于一體，是本科生解決公共基礎課和專業課問題的“計算神器”。在本科生“MATLAB語言及其應用”課程中，通過科教融合方式開展課程教學，不斷增強課堂教學的實效性；同時引入思政元素，開展課程思政教學，在幫助學生們掌握科學計算語言的同時，培養其創新思維，塑造其科學文化素養，取得了良好教學效果。本課程采用的科教融合與課程思政相結合的教學模式有助于我國拔尖創新人才的培養。

關鍵詞：課程思政；科教融合；MATLAB；科學計算語言

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.01.050

中圖分類號：G 641，TP 31? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? 文章編碼：1672-7274（2024）01-0-04

The Curriculum Ideological and Political Construction of MATLAB Language and Its Application

LI Aibin， QIAN Mingfang， ZHANG Xuexi， JIA Zhenggang， GENG Lin

（School of Materials Science and Engineering， Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， China）

Abstract： MATLAB is one of the most widely used scientific and engineering calculation software， which integrates scientific calculation， data analysis， programming， visual drawing， and dynamic system modeling and simulation functions. It is a "computing tool" for undergraduate students to solve problems in public basic and professional courses. In the undergraduate course of 'MATLAB Language and Its Applications'， the integration of science and education is used to carry out course teaching and continuously enhance the effectiveness of classroom teaching; At the same time， introducing ideological and political elements and carrying out ideological and political teaching in courses， while helping students master the language of scientific computing， cultivate their innovative thinking， shape their scientific and cultural literacy， and achieve good teaching results. The promotion of the teaching model that combines science and education integration with ideological and political education in this course will help cultivate top-notch innovative talents in China.

Key words： curriculum ideological and political education; integration of science and education; MATLAB; scientific computing language

哈爾濱工業大學“MATLAB語言及其應用”課程是面向全校本科生的一門文化素質選修課，課程主要介紹MATLAB科學計算、編程、數據分析、可視化繪圖、App應用軟件設計和動態系統建模仿真，具體包括MATLAB的軟件開發環境，數據類型、矩陣運算、數組運算、程序設計、可視化繪圖、數值計算、符號計算、概率統計、數值擬合和插值、App應用程序設計和Simulink建模仿真等知識。課程采用案例教學法，通過科教融合的方式，設計各種解決科研和工程實際問題的教學案例，持續豐富和完善MATLAB案例庫，并通過這些案例來講授解決高等數學、線性代數、概率統計、曲線擬合和插值等數學問題的各種MATLAB函數命令，提升學生們獨立編程和開發算法的能力，啟發他們主動將MATLAB引入到公共基礎課和專業課中，提高其利用MATLAB解決實際問題的科學計算能力。此外，通過不斷挖掘思政元素，并將其有機地融入到案例教學中，激發學生們的愛國之情、強國之志、報國之行，實現為黨育人、為國育才的目標。

1? ?“MATLAB語言及其應用”課程教學設計

（1）課程教學目標及其在本科生知識體系中的作用。MATLAB是理工科的“計算神器”，是科學家和工程師的語言，廣泛應用于數學、物理、化工、金融、生物醫藥、航空航天以及社會科學等各個領域，掌握和運用MATLAB軟件已成為工程師和科研人員的必備技能。課程教學目標如下：一是了解和掌握MATLAB編程基礎，包括軟件環境及基本操作、變量和常用數據類型、矩陣運算方法、語法結構、常用的函數命令使用、編程技巧，使學生能夠輕松自如地編寫解決實際問題的MATLAB程序。二是了解和掌握MATLAB強大的計算功能，包括數值運算、符號運算和概率統計，使學生學會用MATLAB進行數學建模，培養學生用MATLAB計算功能解決相關課程中復雜數學計算問題的能力。三是掌握MATLAB繪圖功能，了解圖形用戶界面設計以及Simulink仿真基礎，使學生學會對實驗數據進行可視化繪圖處理，為學生在其他專業課中的動態系統仿真和各種實用程序的開發打下良好的基礎。

課程面向全校本科生開放，為了學好本門課程，要求先修課程為“高等數學”“線性代數”“概率論與數理統計”等，可以作為電氣工程及其自動化、信息與通信工程、計算機科學與技術等專業的基礎課程之一，課程在本科生教學體系作用如圖1所示。

（2）加強課程教學案例庫建設，提升教育教學實效性。為增強課程內容的實效性，課程主要采用案例教學法，因此，需要不斷精心設計各種工程和科研方面的教學案例。本課程案例建立在工程實踐和科學研究的基礎上，主要取材于科研成果、學術刊物、大學物理實驗、畢業設計、數學建模比賽等不同方面。例如，運用“MATLAB離散數據數值積分計算泡沫鋁吸能特性”案例^[1]來自于作者的科研成果，“基于Simulink的汽車行駛速度PID控制系統仿真”案例^[2]和“黃河小浪底調水調沙試驗數學建模”案例^[3]來自于期刊雜志，“傳染病微分方程的數值求解”案例來自于網絡，“Cr-Mo鋼爐管剩余壽命預測”案例來自于畢業論文，“人體血液酒精含量的非線性擬合預測”案例來自于數學建模大賽，“PN結正向壓降與溫度的線性關系研究”案例來自于“大學物理實驗”課程，“應用MATLAB模擬電偶極子電場分布”案例來自于“電磁學”等。其中，選用電偶極子電場分布作為切入點，講述二維數值梯度向量圖的繪制過程，通過對比分析streamslice命令和quiver命令，形象生動地向學生展示不同的命令繪制的梯度場即向量場的區別，可提升課堂教學效果，結果如圖2所示。

（3）將科教融合貫穿教育教學全過程，充分挖掘學生成長為拔尖創新人才的潛質。本科教育是培養拔尖創新人才的根本，也是“雙一流”建設的重要環節和關鍵領域。為了發揮“雙一流”高校的學科優勢，將科研成果轉化為教學資源，一個重要的途徑就是將高水平科研成果設計成教學案例。這不僅可以激發學生的學習興趣，還可以開啟學生的學術啟蒙意識，有助于拔尖人才的培養。

例如，“運用MATLAB離散數據數值積分計算泡沫鋁吸能特性”的教學案例就取材于作者于2015年發表在Materials Letters刊物上的學術文章——Enhancement of the mechanical strength of aluminum foams by SiC nanoparticles^[4]。案例融合了教學、科研和本科生畢業設計指導工作，將基于科學試驗獲得的泡沫鋁材料的應力-應變數據，運用數值積分和可視化的方法轉化為MATLAB教學案例^[1]。

眾所周知，在材料科學中，一般認為氣孔是一種內部缺陷，是裂紋萌生的起點。然而，當物體內部存在大量氣孔時，材料又會產生很多優異的功能特性，如阻尼、減震、吸聲、吸能、散熱和電磁屏蔽等。這類結構功能材料就是泡沫材料，已被廣泛應用于航空航天、建筑、交通等重要領域^[5]。通過基于泡沫鋁壓縮試驗的應力（σ）-應變（ε）曲線（見圖3），利用離散數值積分的方法，計算其包圍的面積，可表征材料的吸能特性。其計算式如下：

圖4顯示了運用MATLAB內置積分函數cumtrapz求解的泡沫鋁的吸能曲線。此外，還可讓學生根據復合梯形法則，獨自編寫多子區間梯形面積的積分算法，計算吸能性能。

此案例設計既有先進性又有啟發性，既適合教師講授又適合學生學習，充分踐行了科教融合的育人理念，進一步提升了教師的教學質量和學生的學習效果，目的是讓本科生在掌握MATLAB基本功能和提高編程算法能力的同時，深刻體會MATLAB助力學術科研的重要性。通過案例分析，潛移默化地啟迪學生的科研意識，鍛煉學生分析問題和解決問題的能力，培養他們的創新能力，提升其科學文化素質。

此外，在后續工作中，分別將孔隙率為55.7%、60.1%和64.9%的納米顆粒增強泡沫鋁復合材料吸能性能設計成教學案例，分析納米顆粒加入泡沫鋁基體對材料吸能性能的影響，并利用App Designer專門設計生動、直觀、高效的泡沫材料吸能性能仿真平臺，借此輸入任何多孔材料的壓縮數據，都能獲得該材料的吸能特性。值得一提的是，本課程與過去和目前進行的大量科研工作聯系緊密，為設計適合創新型人才培養要求的課程教學內容奠定了基礎。

2? ?“MATLAB語言及其應用”課程思政教學體系建設

2020年6月，哈爾濱工業大學被禁止使用MATLAB正版軟件。“MATLAB語言及其應用”作為文化素質教育選修課程，深受“卡脖子”之痛。在這一背景下，加強本課程的思政教育，讓當代大學生能與祖國同呼吸、共命運、心連心，以此激發他們的愛國之情、強國之志、報國之行就顯得尤為重要。在不影響主體教學內容的前提下，本課程將思政元素有機融入到MATLAB教學中，如圖5所示，形成了“教學內容——思政元素——教學案例”三位一體、相互促進的教育教學體系，以此達到培養學生和激勵學生的目的。具體建設思想闡述如下。

（1）致力于改變我國工業軟件受制于人的局面，激勵學生學好MATLAB軟件的強大功能和先進技術，不斷提升學生的獨立編程能力。MATLAB是世界三大數學軟件之一，代表著當今國際科學計算軟件的先進水平，其計算精度和速度優于傳統的高級程序設計語言。以美國禁止哈爾濱工業大學等國內部分高校使用MATLAB軟件作為課程的引子，引發學生重新審視學習和生活中常用的軟件，如操作系統、辦公軟件、計算機輔助設計與繪圖軟件等。通過對這些耳熟能詳的軟件介紹，引出王懷民院士所言：“我國軟件的核心技術依然受制于人，主要表現為國產基礎軟件、工業軟件被‘卡脖子，應用軟件占比過高，超過了75%”^[6]。以此讓學生反思：“國產工業軟件路在何方？”

中國有全世界數量最多的大學生群體，日后也將擁有世界上最大的工程師群體。不言而喻，國產工業軟件的出路就掌握在當代青年的手中。在課程教學中，教導學生不僅只是學習MATLAB語言編程技巧和MATLAB函數命令使用方法，而是要向數學軟件領域的一流專家學習編程，了解算法原理，并且能夠獨立完成算法編寫，以此提升學生的軟件開發能力，并借此激發學生對于工業軟件的興趣，自覺承擔起歷史賦予的使命，為扭轉工業軟件落后挨打的困境貢獻綿薄之力。

（2）致力于提升學生對于國家發展的信念和信心，將國家發展的關鍵數據融入課程教學，激發學生的愛國之情、強國之志、報國之行。無論過去、現在還是未來，中國青年始終是實現中華民族偉大復興的先鋒力量^[7]。作為“雙一流”高校的學生，更應將自身發展同國家和民族的前途命運緊密聯系在一起，承擔起歷史賦予的偉大使命。

為了更好地向學生展示我國突飛猛進的發展業績，課程將國家發展成果有機地融入到教學案例中。如在講解繪制雙坐標軸條形圖時，設計展示了從1987年到2016年30年間全國GDP和人均支配收入的變化（如圖6所示）。讓這些千禧年之后出生的大學生知道，他們趕上了好時代，出生在我國經濟迅猛濟發展的時期，感受到生活水平不斷提高，使他們的獲得感和幸福感也與日俱增。從2016年起，時光已飛逝7年，中國也已實現了第一個百年奮斗目標，中國經濟和人民生活水平再上一個臺階，讓學生們上網搜索近7年全國GDP和人均支配收入變化的數據，讓他們親自繪制我國經濟和人民生活水平的條形圖，讓他們感受一下驚人的“中國速度”，以此激發學生的愛國情懷，矢志為祖國建設添磚加瓦。

（3）致力于宣傳中國航天第一校“尖兵”重任，激勵學生努力學好專業基礎知識，不斷提升崗位建功立業的能力和水平。我國航天事業的發展與哈爾濱工業大學師生的發展息息相關。自20世紀50年代起，“立足航天、服務國防”逐漸成為哈爾濱工業大學鮮明辦學特色和宗旨。在講解餅圖繪制這一知識點時，設計和展示了2015年和2019年我國在全球發射火箭中的地位（如圖7所示）。顯而易見，中國從2015年的世界第三躍居到2019年的世界第一。而要了解近幾年火箭發射現狀，擬在課后安排學生自行檢索全球發射火箭的比例，并繪制餅圖。

在Simulink仿真這一章節，向學生介紹本校用Simulink可視化建模技術建立了小型固體火箭飛行仿真數值模型，以及用Simulink數字仿真了載人航天空間環境地面實驗艙KM6環控系統的案例背景。同時，在課程教學過程中，演示了嫦娥、月球與地球相對運動的MATLAB仿真運動軌跡（如圖8所示），并引以為豪地告訴學生：助“嫦娥”挖土“一臂之力”的機械臂（如圖9所示）是由材料學院耿林課題組張學習教授科研團隊完成的，以此鼓勵學生學好專業知識，提升崗位建功的能力和水平。

3? ?“MATLAB語言及其應用”課程思政建設成效

（1）學生的使命感顯著增強。從學生的精神狀態上看，不少學生認為“課程內容很有意思”“老師十分負責，悉心指導，課堂氣氛非常好”，通過課程的學習“十分有助于我們培養自己搞科研的基本能力，對我們處理數據有很大幫助”，增強了學生投身科研工作的信心，認為課程“為以后的科研工作打下基礎”。

（2）學生的獲得感顯著增強。從評教結果上看，近3年，6次課程評教成績均在85分（B級）以上，其中獲評A級（綜合排名位列全校前20%）的比例為33.33%。學生普遍認為“課程非常實用”，教師“課程設計得很好”“制作的教學視頻邏輯清晰”“收獲非常多”等。

（3）學生成就感顯著增強。從學生的反饋上看，通過課程的學習認識到了科學計算語言的重要性，能夠運用其去解決其他課程中的很多問題；課程中介紹的MATLAB仿真實際案例與專業學習的結合緊密，“加深了我對本專業的認識”；同時通過“實例實操，生動講解，能讓學生明白具體的過程”“基本掌握MATLAB的知識點”。

參考文獻

[1] 李愛濱，錢明芳，張學習，等．MATLAB離散數據數值積分教學案例——泡沫鋁材料吸能特性計算[J]．實驗技術與管理，2023， 40（01）： 169-174.

[2] 趙斌，董浩，張建．基于Simulink的汽車行駛速度PID控制系統仿真[J]．汽車實用技術，2018（02）： 127-129.

[3] 郝振莉，董曉娜．黃河小浪底調水調沙試驗數學建模[J]．黃河水利職業技術學院學報，2014， 26（01）： 16-20.

[4]? DU Y， LI A B， ZHANG X X， et al. Enhancement of the mechanical strength of aluminum foams by SiC nanoparticles[J]. Materials Letters， 2015（148）： 79–81.

[5] 張樂，鄭順奇，鄭陽升，等．我國泡沫鋁材料關鍵技術進展與展望[J]．中國材料進展，2022， 41（7）： 547–553.

[6] 王曉濤．開源亦有風險 中國軟件須掌握主導權[N]．中國經濟導報，2021-12-24（002）.

[7] 李立紅．認真學習宣傳貫徹習近平總書記在紀念五四運動100周年大會上重要講話精神[N]．中國青年報，2019-05-08（001）.

基金項目：哈爾濱工業大學第十批課程思政教育教學改革項目“科學計算語言及其應用”（23020A）。