MATLAB與科學(xué)計算教學(xué)改革的實踐與探索

吳松松 姚永芳 梁志偉（南京郵電大學(xué)自動化學(xué)院210023）

MATLAB與科學(xué)計算教學(xué)改革的實踐與探索

吳松松 姚永芳 梁志偉（南京郵電大學(xué)自動化學(xué)院210023）

MATLAB與科學(xué)計算作為理工科高等院校開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生運用現(xiàn)代數(shù)學(xué)建模手段分析解決科學(xué)和工程問題的能力。科學(xué)計算的抽象性和MATLAB軟件的實用背景強調(diào)理論分析和實踐應(yīng)用并重，這對課程教學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)。作者在面向理工強化班開設(shè)的MATLAB與科學(xué)計算課程中，以學(xué)生素質(zhì)培養(yǎng)為目標(biāo)，分析了課程改革的重點難點問題，從授課、實訓(xùn)等方面進行了教學(xué)改革，探索了新的教學(xué)模式。通過課程教學(xué)改革實踐，學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)、科學(xué)素養(yǎng)和實踐能力均得到了有效提高。

MATLAB與科學(xué)計算教學(xué)改革素質(zhì)培養(yǎng)工程實踐

一、引言

MATLAB作為當(dāng)前世界上最為強大的商用科學(xué)和工程計算平臺之一，廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)科學(xué)研究、信息科學(xué)工程、機械制造、醫(yī)學(xué)醫(yī)療以及經(jīng)濟金融等領(lǐng)域[1]。數(shù)值計算探討如何運用計算機解決科學(xué)和工程問題中的計算問題，其觀點和理論貫穿MATLAB軟件的使用過程。如果按照常規(guī)工科技術(shù)類課程的教學(xué)方法，學(xué)生將迷失于抽象的計算理論和紛繁的MATLAB指令系統(tǒng)中，不僅無法形成運用數(shù)學(xué)建模思想和MATLAB解決實際問題的能力，也很容易喪失學(xué)習(xí)興趣，對課程內(nèi)容產(chǎn)生畏難情緒。

我們在面向南京郵電大學(xué)理工強化班學(xué)生開設(shè)的“MATLAB與科學(xué)計算”課程中進行了課程教學(xué)改革的實踐與探索。我們提出在教學(xué)全過程面向科學(xué)研究和工程應(yīng)用，將傳統(tǒng)的知識傳授式教學(xué)轉(zhuǎn)變成問題導(dǎo)向的研究型教學(xué)。通過將研究型教學(xué)理論與課程教學(xué)實踐相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中由被動接受者向發(fā)現(xiàn)者和探索者的身份轉(zhuǎn)變，將獨立學(xué)習(xí)與終身學(xué)習(xí)的理念植入學(xué)生的學(xué)習(xí)意識中，為其后期進一步的能力培養(yǎng)打下基礎(chǔ)。

二、課程教學(xué)改革中的重點和難點問題

1.科學(xué)計算包含線性代數(shù)、微積分、概率論與數(shù)理統(tǒng)計等基礎(chǔ)理論并涉及通信、電子和控制等應(yīng)用科學(xué)[2]；MATLAB作為一種計算機語言和仿真實驗工具有其紛繁復(fù)雜的指令和大量的編程技巧，學(xué)生容易因面對大量的學(xué)習(xí)內(nèi)容導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果差甚至學(xué)習(xí)興趣低迷[3]。因此，如何通過創(chuàng)新性的內(nèi)容設(shè)計和授課方式引導(dǎo)學(xué)生在熟練掌握MATLAB平臺的語言特性和編程技術(shù)上理解計算理論的基本概念和關(guān)鍵算法，同時改善學(xué)習(xí)效果和增強學(xué)習(xí)興趣是課程教學(xué)改革需要解決的首要問題。

2.目前的教學(xué)實踐是基于原理介紹和簡單示例開展的，這會導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)效果僅停留在知曉了理論上的結(jié)論，但無法轉(zhuǎn)化為能運用的知識。如何幫助學(xué)生打通理論和實踐之間的壁壘，通過解決實際問題理解并掌握本課程中的重點知識，培養(yǎng)其自主學(xué)習(xí)能力和知識轉(zhuǎn)化能力是本課程教改項目需要解決的另一個問題。

三、課程授課方式改革

（一）實例式學(xué)習(xí)

MATLAB不僅具有龐大的基礎(chǔ)指令庫，同時面向科研和工程各行業(yè)還推出了龐雜的工具箱，這給初次接觸該軟件的學(xué)生會造成較大的學(xué)習(xí)心理壓力[4]。通過實例式學(xué)習(xí)，首先由學(xué)生已經(jīng)熟悉的高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、大學(xué)物理在MATLAB中的應(yīng)用實例入手，讓學(xué)生獲得運用MATLAB解決問題的成就感，從而方便地建立起對MATLAB的初步認(rèn)識。在此基礎(chǔ)上，將教學(xué)大綱要求的知識點全部落實到可實際操作的實例上，讓學(xué)生更易于明晰學(xué)習(xí)目的。同時，學(xué)生也更傾向于帶著疑問進行聽課，加深對課程重點與難點的理解。

（二）對象式培養(yǎng)

本課程面向理工強化班學(xué)生，通常這類學(xué)生具有扎實的基礎(chǔ)，明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)，自學(xué)能力也較強。因此，將授課內(nèi)容分為兩個層面：基礎(chǔ)層面和拓展層面?；A(chǔ)層面是根據(jù)培養(yǎng)計劃和教學(xué)大綱將課程的基礎(chǔ)概念、基本原理和關(guān)鍵技術(shù)提取出來，在授課時面向全體學(xué)生進行講解。拓展層面則是從MATLAB的工具箱集合中選擇出符號運算工具箱、通訊工具箱、自動控制工具箱、信號處理工具箱、圖像處理工具箱等工具箱供學(xué)生選擇，學(xué)生根據(jù)專業(yè)相關(guān)性以三人一組為單位對所選擇的工具箱進行深入學(xué)習(xí)。我們針對不同組的學(xué)生布置對應(yīng)內(nèi)容的作業(yè)，激發(fā)學(xué)生對于本專業(yè)相關(guān)內(nèi)容和問題積極思考，并培養(yǎng)查閱資料解決問題的能力，使得學(xué)生學(xué)習(xí)收益最大化。

（三）互動式教學(xué)

在課堂上結(jié)合講授內(nèi)容對學(xué)生進行有針對性的提問與解答，以關(guān)鍵知識點和難度恰當(dāng)?shù)臄U展內(nèi)容為出發(fā)點，營造學(xué)術(shù)和技術(shù)討論的氛圍，引導(dǎo)學(xué)生主動思考并鍛煉發(fā)散性思維。教學(xué)實踐過程中注意觀測學(xué)生的反應(yīng)并及時做出調(diào)整。另外，采取在班干部的輔助下對積極分子給予獎勵平時成績等措施以提高學(xué)生的參與積極性。

四、實踐訓(xùn)練方式改革

實驗課是學(xué)生設(shè)計、編程利用MATLAB解決相關(guān)科學(xué)計算和工程問題的過程，是課程教學(xué)的重要組成部分，能滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)成就感[5]。我們考慮了學(xué)生在基礎(chǔ)知識、科學(xué)素養(yǎng)和動手能力方面的差異，在設(shè)計實驗內(nèi)容時采用了較為廣泛的應(yīng)用問題并設(shè)置不同的難點供學(xué)生選擇。實驗內(nèi)容由基礎(chǔ)實驗、綜合實驗與研究探索實驗三部分組成，強調(diào)通過基本技能訓(xùn)練、綜合能力培養(yǎng)、開放研究實驗鍛煉，促進學(xué)生由知識技能獲取到能力素質(zhì)提高的轉(zhuǎn)變。

五、進一步實施方案和完善措施

1.隨著相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，“MATLAB與科學(xué)計算”課程涉及的內(nèi)容更新速度較快，如何保證學(xué)生掌握課程核心知識點的同時，了解和掌握關(guān)鍵的進展，同時引導(dǎo)學(xué)生主動關(guān)注相關(guān)前沿動態(tài)是下一步方案需要考慮的問題。

2.根據(jù)學(xué)生個體在專業(yè)基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)效果和效率、主觀能動性等方面的差異進一步完善交互式教學(xué)和課程考核的方案，從而實現(xiàn)每個學(xué)生在達(dá)到本課程教學(xué)目標(biāo)的基礎(chǔ)上能獲得符合自身實際和目標(biāo)的能力發(fā)展。

[1]張志涌,楊祖櫻.MATLAB教程R2012a[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2010.

[2]（美）夏普若著,唐玲艷,田尊華譯.工程與科學(xué)數(shù)值方法的MATLAB實現(xiàn)（第二版）[M].清華大學(xué)出版社,2009.

[3]周本海.探析Matlab教學(xué)中科學(xué)素養(yǎng)的培育[J].考試周刊.2015（7）:154-155.

[4]張石清.基于MATLAB的語音信號處理教學(xué)改革[J].吉林省教育學(xué)院學(xué)報,2015(31): 79-80.

[5]劉曉玉.基于教學(xué)目標(biāo)的MATLAB語言課程教學(xué)方法探索[J].計算機教育,2015(3): 59-61.

江蘇省2015年度研究生教改課題（JGLX15_055）。

（責(zé)編 張 宇）