基于教學(xué)目標(biāo)的MATLAB語言課程教學(xué)方法探索

劉曉玉

文章編號(hào)：1672-5913（2015）03-0059-03

中圖分類號(hào)：G642

摘 要：針對(duì)學(xué)生將MATLAB語言作為純粹的一門計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行學(xué)習(xí)且學(xué)習(xí)難度大、應(yīng)用能力差等問題，提出將課程教學(xué)目標(biāo)定位在培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用MATLAB解決實(shí)際問題能力的觀點(diǎn)，基于此教學(xué)目標(biāo)，從提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、抓住MATLAB語言特點(diǎn)、著重培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)和使用該軟件的自主能力等方面探討MATLAB語言課程教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：MATLAB語言；教學(xué)目標(biāo)；課程教學(xué)方法

0 引 言

MATLAB是一種計(jì)算類軟件，其強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算和數(shù)據(jù)可視化能力使其在科研、工程計(jì)算等領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。目前高校的很多理工科專業(yè)均在低年級(jí)開設(shè)廠MATLAB語言課程，學(xué)生在數(shù)學(xué)建模、專業(yè)課的課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)乃至各類科技競(jìng)賽和科研項(xiàng)目中，開始真正接觸該軟什許逐漸感知該軟件功能的強(qiáng)大及應(yīng)用的廣泛，但低年級(jí)學(xué)生在該課程的學(xué)習(xí)中卻未能體會(huì)到學(xué)習(xí)MATLAB的意義，加之軟件編程基礎(chǔ)有限及課程學(xué)時(shí)不多等原因，從而對(duì)該課程的學(xué)習(xí)產(chǎn)生畏難情緒，學(xué)習(xí)方法不得要領(lǐng)，學(xué)習(xí)效果欠佳。

1 MATLAB語言課程的教學(xué)目標(biāo)

MATLAB是美國MathWorks公司開發(fā)的一種用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)計(jì)算語言和交互式環(huán)境。目前，MATLAB以其簡(jiǎn)單易用的操作方式、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力以及豐富的專業(yè)工具箱，而在包括信號(hào)和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試和測(cè)量、財(cái)務(wù)建模和分析以及計(jì)算生物學(xué)等諸多領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。鑒于此，我國高校的許多理工科專業(yè)均開設(shè)了與MATLAB相關(guān)的課程，旨在使學(xué)生掌握運(yùn)用MATLAB軟件解決所學(xué)相關(guān)專業(yè)課程、學(xué)科競(jìng)賽或科研課題中遇到的數(shù)學(xué)運(yùn)算和求解問題。以武漢科技大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)為例，該專業(yè)的學(xué)生在大二下學(xué)期要學(xué)習(xí)MATLAB語言這門課程，此后有些學(xué)生要參加數(shù)學(xué)建模大賽、電子設(shè)計(jì)大賽等，需要使用MATLAB軟件；該專業(yè)大三和大四年級(jí)的很多專業(yè)課程如電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和過程控制等，也會(huì)要求用該軟件進(jìn)行控制系統(tǒng)仿真案例教學(xué)及課程設(shè)汁，一些畢業(yè)設(shè)計(jì)課題也會(huì)用到該軟件。此此可見，MATLAB語言課程的教學(xué)目標(biāo)應(yīng)該是讓學(xué)生學(xué)會(huì)用MATLAB軟件解決今后學(xué)習(xí)和科研中的特定問題。

此教學(xué)目標(biāo)簡(jiǎn)而言之就是一個(gè)“用”字，換言之，檢驗(yàn)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的主要指標(biāo)就是“應(yīng)用能力”，這是一個(gè)高指標(biāo)，也是一個(gè)低指標(biāo)，稱其為“高指標(biāo)”是因?yàn)檫@對(duì)初次接觸該語言的學(xué)生來說，在學(xué)習(xí)時(shí)間短、軟件編程思想尚未明晰（畢竟是大學(xué)低年級(jí)學(xué)生）的客觀條件下，即要求他們用MATLAB編寫算法程序解決實(shí)際問題，確實(shí)難度很大；稱其為“低指標(biāo)”是因?yàn)橹粡?qiáng)調(diào)“用”，實(shí)則放松了對(duì)MATLAB軟件龐大功能全面掌握的要求，也無需學(xué)生了解其工作機(jī)制的內(nèi)部機(jī)理。MATLAB軟件隨著歷年的不斷更新補(bǔ)充以及新專業(yè)工具箱的加入，體積迅速膨脹，目前的最新版本R2014a已超過SG。顯然，對(duì)如此龐大軟件的功能完全掌握是不現(xiàn)實(shí)的，也完全無此必要。畢竟每個(gè)專業(yè)的學(xué)生用MATLAB解決的問題范圍實(shí)屬有限，如自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生用MATLAB基本只會(huì)涉及控制、電子類工具箱，這就極大縮小了學(xué)習(xí)范圍。再者，MATLAB軟件本身簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)也使學(xué)生的學(xué)習(xí)難度大為降低，特別是本著應(yīng)用為目的的學(xué)習(xí)，因?yàn)橹恍枰褂茫运肕ATLAB函數(shù)的實(shí)現(xiàn)機(jī)理就不必過于深究，學(xué)生只需知道函數(shù)的輸入?yún)?shù)如何填寫即可，這也從另一方面降低了MATLAB學(xué)習(xí)的難度。因此，從“用”的角度出發(fā)，MATLAB語言的學(xué)習(xí)也就變得不那么難，這也正是MATLAB語言課程教學(xué)的突破口。

2 MATLAB語方課程的教學(xué)方法

明確了課程的教學(xué)目標(biāo)，相應(yīng)的教學(xué)方法就應(yīng)圍繞該目標(biāo)制訂，其基本宗旨是抓基礎(chǔ)、重應(yīng)用。當(dāng)然，首要前提是讓學(xué)生明確學(xué)習(xí)該課程的目的，提起學(xué)習(xí)該課程的興趣，再教會(huì)其學(xué)習(xí)方法，如此才能將確定的教學(xué)目標(biāo)落實(shí)到位。

2.1 教學(xué)的首要任務(wù)是讓學(xué)生明確學(xué)習(xí)目的，喚起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

之前提到，MATLAB語言課程的教學(xué)是為了讓學(xué)生學(xué)會(huì)用MATLAB，那么為什么要用MATLAB呢？這個(gè)問題的答案有必要在課程的開篇即向?qū)W生明確。MATLAB軟件里有許多Demo和Example，這些是介紹MATLAB強(qiáng)大功能的最便捷素材；也可通過引入相關(guān)專業(yè)課程中的仿真案例，說明MATLAB在專業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用狀況。不過，鑒于大二年級(jí)的學(xué)生尚未開始學(xué)習(xí)專業(yè)課程，對(duì)自己的專業(yè)情況缺乏明確的認(rèn)識(shí)，專業(yè)仿真案例的講解不宜過細(xì)，應(yīng)點(diǎn)到為止，讓學(xué)生知道學(xué)習(xí)MATLAB對(duì)今后的課程學(xué)習(xí)有用即可。此外，網(wǎng)絡(luò)資源的力量不可小覷。目前，一些針對(duì)MATLAB學(xué)習(xí)和應(yīng)用的網(wǎng)站、論壇為MATLAB初學(xué)者、愛好者和科研工作人員提供了很好的學(xué)習(xí)和交流平臺(tái)，如在“iLoveMatlab（MATLAB中文論壇）”上就曾有一位MATLAB的資深使用者現(xiàn)身說法，用自己的親身經(jīng)歷告訴初學(xué)者自己是如何走上MATLAB學(xué)習(xí)之路，又是如何學(xué)習(xí)的，以及目前的學(xué)習(xí)和工作情況。這樣的故事作為課堂的教學(xué)素材，對(duì)于90后的互聯(lián)網(wǎng)一代大學(xué)生來說相當(dāng)親切且極富吸引力。學(xué)生通過在課堂上聽故事，知道了MATLAB與自己學(xué)習(xí)和未來發(fā)展的緊密關(guān)系；在課下，他們可以訪問該論壇查看原文并通過瀏覽論壇更進(jìn)一步了解MATLAB的方方面面，從而明確自己的學(xué)習(xí)目的，建立對(duì)MATLAB的學(xué)習(xí)興趣。

筆者則用MATLAB的GUI（圖形用戶界面）工具箱編寫了一個(gè)點(diǎn)名小程序，用于對(duì)上課的學(xué)生隨機(jī)抽簽點(diǎn)名。該程序充分利用學(xué)生對(duì)課堂點(diǎn)名的重視態(tài)度，同時(shí)也向?qū)W生展示MATLAB的數(shù)據(jù)處理和圖形功能，該環(huán)節(jié)的教學(xué)引起了學(xué)生極大的興趣，課堂教學(xué)效果甚佳。

2.2 在教學(xué)內(nèi)容上注意繁簡(jiǎn)適中，引導(dǎo)學(xué)生開展自主學(xué)習(xí)

作為一種側(cè)重科學(xué)計(jì)算的計(jì)算機(jī)語言，如何將一個(gè)具體的算法問題用MATLAB語言表述出來是應(yīng)用的關(guān)鍵，因此在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)，MATLAB的基本語法是教學(xué)關(guān)鍵點(diǎn)之一。MATLAB的基本運(yùn)算單元是矩陣，因而有關(guān)矩陣的定義和矩陣元素的表達(dá)是基礎(chǔ)，要重點(diǎn)講解；再者，MATLAB語言是以最流行的C++語言為基礎(chǔ)，因此其語法特征與C++語言極為相似，而且更加簡(jiǎn)單，更加符合科技人員書寫數(shù)學(xué)表達(dá)式的格式?？紤]到學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過C語言，教師sk 在語法的講解中采用由此及彼的引入、兩種計(jì)算機(jī)語言的異同比較等手段。這種比對(duì)學(xué)習(xí)有次于學(xué)生盡快接受MATLAB語言的語法，也免于學(xué)生將兩種計(jì)算機(jī)語言混淆。

打好了語法基礎(chǔ)，MATLAB的具體應(yīng)用就需借助其豐富的工具箱函數(shù)，此版塊內(nèi)容的教學(xué)宜采用“授人以魚不如授人以漁”的思想。畢竟MATLAB軟件是一款功能強(qiáng)大的軟件，涉及的專業(yè)領(lǐng)域非常多，而使用者大多只需了解與自己專業(yè)領(lǐng)域相關(guān)的功能即可。為此，MATLAB語言課程的教學(xué)應(yīng)考慮該特點(diǎn)，任課教師在教學(xué)中要考慮授課學(xué)生的專業(yè)背景，有選擇地講解與其專業(yè)相關(guān)的函數(shù)工具箱，且相關(guān)專業(yè)函數(shù)的講解宜點(diǎn)到為止，只需講解幾個(gè)有代表性的函數(shù)。例如，在講數(shù)據(jù)分析部分時(shí)可重點(diǎn)介紹“max（X）”求最大值函數(shù)的用法，強(qiáng)調(diào)MATLAB中的數(shù)據(jù)分析是按矩陣的列進(jìn)行的，因此該函數(shù)的返回結(jié)果是求X矩陣每列的最大值，類似的“min（）”函數(shù)、“mean（）"函數(shù)等均有此特點(diǎn)。由此觸類旁通，學(xué)可以在有限時(shí)間內(nèi)掌握MATLAB數(shù)據(jù)分析一類函數(shù)的使用方法。

此外，教師在教學(xué)中還要有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生使用MATLAB幫助系統(tǒng)的習(xí)慣。MATLAB軟件的一大特色是幫助系統(tǒng)非常強(qiáng)大，除了給出具體函數(shù)的使用語法和詳細(xì)解釋外，還給出Examples（例子），使用者通過分析給出的樣例即可更準(zhǔn)確、具體地了解相關(guān)函數(shù)的用法。再者，幫助系統(tǒng)中還給出與所搜索函數(shù)相關(guān)函數(shù)的幫助鏈接，如在查找有關(guān)“min（）”函數(shù)的幫助時(shí)，MATLAB的幫助系統(tǒng)就同時(shí)還給出max、mean、median、sort等函數(shù)的幫助鏈接，這些鏈接可方便使用者追溯、發(fā)散學(xué)習(xí)，從而使其對(duì)一類相關(guān)函數(shù)有所了解。對(duì)于MATLAB幫助系統(tǒng)的使用，教師應(yīng)做好榜樣，在課堂教學(xué)里即經(jīng)常使用MATLAB的幫助功能，引導(dǎo)學(xué)生看懂幫助信息，學(xué)會(huì)使用幫助文檔，這種做法要在課堂上反復(fù)使用，以強(qiáng)調(diào)、加深學(xué)生的印象，使之形成使用幫助的習(xí)慣。有些學(xué)生看見英文幫助信息就犯怵，但通過教師多遍的引導(dǎo)學(xué)習(xí)就能逐漸習(xí)慣幫助文檔的表達(dá)，直至基本掌握自己看幫助的能力，此種自主能力的培養(yǎng)除了會(huì)引導(dǎo)學(xué)生走上主學(xué)習(xí)MATLAB之路以外，還能增強(qiáng)學(xué)生自我解決問題的信心，間接提高其英文閱讀能力，可謂一舉多得。

2.3 用實(shí)例引導(dǎo)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力

任何語言只有在反復(fù)應(yīng)用中才能鞏固提高，作為計(jì)算機(jī)語言的MATLAB也不例外。在教學(xué)中，如果只是一味地講解語法，過于強(qiáng)調(diào)語法的各項(xiàng)規(guī)定并讓學(xué)生死記硬背，這種“填鴨式”的教學(xué)必然會(huì)打擊學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，也難以培養(yǎng)出具有獨(dú)立思考能力和靈活應(yīng)用能力的學(xué)生。相反，如果在教學(xué)中多引入實(shí)例，課堂上由教師先提出問題，引導(dǎo)學(xué)生思考，然后給出程序流程圖，再給出范例代碼，之后對(duì)代碼進(jìn)行評(píng)析，給出改進(jìn)意見，最后給學(xué)生布置課下任務(wù)，要求其思考針對(duì)該問題的其他解決方案或改進(jìn)意見。這樣逐步深入既能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)關(guān)注度和課懂上的學(xué)習(xí)效率，又能培養(yǎng)其獨(dú)立思考能力，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，使其對(duì)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的理解因不斷反復(fù)使用而得以加深。其間，教師還可有意地在范例代碼中制造一些語法錯(cuò)誤，提醒學(xué)生通過找錯(cuò)鞏固對(duì)語法的學(xué)習(xí)。經(jīng)筆者近年的教學(xué)實(shí)踐證明，此教學(xué)方法的應(yīng)用不僅使語法教學(xué)達(dá)到了預(yù)期的效果，學(xué)生的編程思想和編程能力也在此有引導(dǎo)的訓(xùn)練中逐步提高。

當(dāng)然，此處提到的“實(shí)例教學(xué)”足一種“細(xì)講”的方法，會(huì)占用相對(duì)較多的教學(xué)時(shí)間，因此會(huì)出現(xiàn)“有限的教學(xué)時(shí)間和規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容”之間的矛盾。在此需要說明的是，筆者提出的教學(xué)日的是培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力，因此教學(xué)內(nèi)容的多寡不必刻意強(qiáng)求，一旦教會(huì)學(xué)生止確的自主學(xué)習(xí)方法，許多教學(xué)內(nèi)容可放手讓學(xué)生自學(xué)，教師的主要精力則可放在如何設(shè)計(jì)合適的思考題上，將必要的教學(xué)內(nèi)容融入其中，然后引導(dǎo)學(xué)生通過自學(xué)教材并在MATLAB的幫助系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)資源中尋求幫助，通過主動(dòng)學(xué)習(xí)解答思考題。這樣一來，學(xué)生有了具體的學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)習(xí)就不再盲日；通過自主學(xué)習(xí)掌握相關(guān)教學(xué)內(nèi)容（包括教師在課堂上沒有詳細(xì)講解而又在教學(xué)大綱中有要求的教學(xué)內(nèi)容），成功解答教師布置的思考題，成就感油然而生，其學(xué)習(xí)興趣以及分析問題、解決問題的能力自然提高，所謂“教學(xué)時(shí)間和教學(xué)內(nèi)容”的矛盾也迎刃而解。

3 結(jié)語

MATLAB軟件在科研和工程計(jì)算中應(yīng)用的日漸廣泛決定著其在高校許多專業(yè)教學(xué)中的重要地位。面對(duì)MATLAB的龐大功能，MATLAB語言的教學(xué)任務(wù)重、難度大，但MATLAB的應(yīng)用特點(diǎn)為其課程的教學(xué)指明了方向，即以培養(yǎng)應(yīng)用能力為主導(dǎo)的教學(xué)目標(biāo)。以此目標(biāo)為驅(qū)動(dòng)，從學(xué)習(xí)興趣人手，結(jié)合由淺入深、由點(diǎn)到面的教學(xué)方法，采用引導(dǎo)的方式舉一反三，鼓勵(lì)并激發(fā)自主學(xué)習(xí)等均是應(yīng)用型教學(xué)的適宜手段，也能夠極大減輕課程教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的負(fù)擔(dān)，更宜于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)自覺性和自主性。此外，對(duì)于課程實(shí)踐和考核環(huán)節(jié)等，我們也可針對(duì)該教學(xué)日標(biāo)制訂，多方位提高M(jìn)ATLAB語言課程的教學(xué)質(zhì)量，提升學(xué)生的應(yīng)用和實(shí)踐能力。