新工科背景下《MATLAB的工程應(yīng)用》的教學(xué)探索與研究

鄒瑋　陳雪勤　胡丹峰

摘? 要：“新工科”是在新經(jīng)濟(jì)、新產(chǎn)業(yè)和新型工業(yè)化發(fā)展背景下興起的工科專業(yè)。闡述了《MATLAB的工程應(yīng)用》在課程教學(xué)、課程考核以及持續(xù)改進(jìn)等方面的方法和技巧，以能力培養(yǎng)為目標(biāo)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，全面提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，充分提高課程的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：工科;教學(xué)探索;目標(biāo)驅(qū)動(dòng)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2019）15-0086-03

Abstract： New engineering course is generated under the background of new economy， new industry and new industrialization development. The methods and techniques of teaching， examining and permanent improvement of this course are illustrated. The aim is the capacity training. The learning interests of students are stimulated to fully improve the capacity of solving the complex engineering problems. The quality of course is also improved.

Keywords： engineering course; teaching research; objective drive

一、新工科背景

高等工程教育是國家創(chuàng)新體系建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。培養(yǎng)造就一大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才，為我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國際競爭提供智力和人才支撐，既是當(dāng)務(wù)之急，也是長遠(yuǎn)之策。

當(dāng)今社會(huì)已進(jìn)入智能信息化時(shí)代，高性能處理器和高速通信平臺(tái)結(jié)合信號(hào)處理、模式識(shí)別、人工智能等技術(shù)形成了前所未有的具有大數(shù)據(jù)分析處理能力的智能化信息處理系統(tǒng)，并在越來越多的行業(yè)得以有效應(yīng)用。例如人臉識(shí)別系統(tǒng)、車牌識(shí)別系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、醫(yī)療輔助診斷系統(tǒng)、無人機(jī)信息采集系統(tǒng)等等。信息技術(shù)和人工智能極大地推動(dòng)了智慧城市、智能交通、遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)等社會(huì)形態(tài)的發(fā)展，社會(huì)對(duì)寬口徑、復(fù)合型信息工程專業(yè)技術(shù)人才呈現(xiàn)出不斷增長的需求。“新工科”是在新經(jīng)濟(jì)、新產(chǎn)業(yè)和新型工業(yè)化發(fā)展背景下興起的工科專業(yè)。新工科建設(shè)就是要根據(jù)實(shí)現(xiàn)國家重大戰(zhàn)略的需要，主動(dòng)布局、設(shè)置、建設(shè)和發(fā)展相關(guān)新工科專業(yè)，培養(yǎng)各種層次和類型的卓越工程科技人才。新形勢對(duì)于工科人才培養(yǎng)提出了新的要求。當(dāng)前，面對(duì)新工科教育思想，沿襲多年的工科人才培養(yǎng)模式存在著諸多的亟需改進(jìn)與改革的方面。各大高校在新工科教育背景的新形勢下，紛紛探索如何形成新工科建設(shè)模式以應(yīng)對(duì)變化、塑造未來[1-4]。

二、教學(xué)探索與研究

（一）課程教學(xué)

作為一門專業(yè)課程，《MATLAB的工程應(yīng)用》在工科中具有非常重要的地位和作用[5]，在專業(yè)課的學(xué)習(xí)實(shí)踐、課程設(shè)計(jì)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，都有可能會(huì)使用到相關(guān)的知識(shí)。

在理論教學(xué)方面，針對(duì)書上的知識(shí)點(diǎn)給出相應(yīng)的實(shí)例，并結(jié)合MATLAB軟件進(jìn)行現(xiàn)場演示。通過演示，使學(xué)生產(chǎn)生直觀的認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。例如，在闡述zeros這個(gè)函數(shù)時(shí)，首先通過這個(gè)函數(shù)在MATLAB軟件上產(chǎn)生相應(yīng)的矩陣，由學(xué)生觀察運(yùn)行結(jié)果，然后得知該函數(shù)是用于產(chǎn)生元素全為0的矩陣。在教學(xué)過程中，適當(dāng)?shù)嘏囵B(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維也是很有必要的。例如，分號(hào)在MATLAB語言中就有很大的用處，分號(hào)可用于實(shí)現(xiàn)矩陣的換行;同時(shí)，將分號(hào)置于命令行的結(jié)尾，則不顯示運(yùn)行的結(jié)果。此外，冒號(hào)在子矩陣的獲取時(shí)表示向量的所有元素，在構(gòu)造等差數(shù)組時(shí)可用于連接各個(gè)參數(shù)。因此，在MATLAB中，很多符號(hào)具有多重含義和作用。

在課程的一開始，通過一些形象的例子給學(xué)生感性而直觀的認(rèn)識(shí)。例如以MALTAB語言編程設(shè)計(jì)的三維圖像和動(dòng)畫為切入點(diǎn)，導(dǎo)入該課程，從而抓住學(xué)生注意力，使學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)的興趣。在教學(xué)過程中，以學(xué)生為主體，引導(dǎo)學(xué)生拓展知識(shí)面。同時(shí)，在教學(xué)中適當(dāng)?shù)厝谌肟蒲械乃季S方式，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和鉆研精神。在學(xué)生提問時(shí)，通過啟發(fā)來引導(dǎo)學(xué)生思考問題、尋找解決問題的方法，逐步獲得問題的答案，并通過運(yùn)行MATLAB軟件展示最終的結(jié)果，進(jìn)行驗(yàn)證。通過增強(qiáng)教學(xué)的互動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的思考能力，從而進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生探索知識(shí)的欲望。

在課程的規(guī)范方面，將工程認(rèn)證的核心理念融入其中，即：以學(xué)生為中心、以成果為導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)。以工程教育認(rèn)證為目標(biāo)，引入畢業(yè)要求達(dá)成度評(píng)價(jià)方法，將畢業(yè)要求每個(gè)指標(biāo)點(diǎn)的達(dá)成度目標(biāo)值設(shè)為1，根據(jù)教學(xué)計(jì)劃，制定該課程與畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系。如表1所示：

在此基礎(chǔ)上，開展面向工程的課堂教學(xué)改革，改變實(shí)驗(yàn)教學(xué)依附于理論課教學(xué)、重理論輕實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，加大綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的比例，使學(xué)生的實(shí)踐能力得到明顯提升[6]。本課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)采用“分散與集中結(jié)合、實(shí)操與作品考核與匯報(bào)交流結(jié)合”的教學(xué)模式。以解決工程問題為出發(fā)點(diǎn)，采用目標(biāo)導(dǎo)向、綜合考量、翻轉(zhuǎn)課堂[7]、案例式教學(xué)法、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等教學(xué)手段，提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。目標(biāo)導(dǎo)向是指學(xué)生應(yīng)明確教學(xué)目標(biāo)以及為該教學(xué)目標(biāo)達(dá)成而實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)。綜合考量的內(nèi)容包含兩個(gè)方面：一方面，學(xué)生對(duì)目標(biāo)的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考量速度、效率、簡潔等諸多因素;另一方面，對(duì)學(xué)生的考核是基本設(shè)計(jì)能力、仿真軟件應(yīng)用能力、及系統(tǒng)調(diào)試能力等綜合能力的考察。翻轉(zhuǎn)課堂的含義是將課上傳授與課下鞏固知識(shí)的過程翻轉(zhuǎn)過來，通過教學(xué)視頻在課下傳授而在上課時(shí)教師幫助學(xué)生鞏固知識(shí)。為此，教師需要錄制微課，并將資源提前共享給學(xué)生，使學(xué)生利用空余時(shí)間進(jìn)行預(yù)習(xí)。這樣學(xué)生往往會(huì)帶著問題來上課，充分發(fā)揮學(xué)生的主體地位，提高聽課效率。結(jié)合案例式教學(xué)法對(duì)科研中的問題和知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，形成適合于本科教學(xué)的案例，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中能理論聯(lián)系實(shí)際，學(xué)得明白，學(xué)得深入。針對(duì)團(tuán)隊(duì)協(xié)作，學(xué)生以團(tuán)隊(duì)的方式完成設(shè)計(jì)任務(wù)，以3-4人為一組自行組團(tuán)。項(xiàng)目組首先進(jìn)行資料查詢和文獻(xiàn)研究，在需求分析的基礎(chǔ)上通過集中討論形成設(shè)計(jì)方案，在方案設(shè)計(jì)階段，需綜合考慮系統(tǒng)性能與復(fù)雜度之間的因素。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)階段包括算法設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、軟件調(diào)試、性能測試、系統(tǒng)改進(jìn)等諸多環(huán)節(jié)，要求學(xué)生能夠根據(jù)實(shí)施過程中出現(xiàn)的問題，進(jìn)行具體分析，通過不斷地討論和嘗試，解決系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中所遇到的各類問題，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。課程結(jié)束時(shí)各團(tuán)隊(duì)進(jìn)行系統(tǒng)的展示和匯報(bào)，并提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告。在教學(xué)過程中教師將設(shè)置各考核檢查環(huán)節(jié)，以“雙導(dǎo)”（及時(shí)引導(dǎo)、定時(shí)指導(dǎo)）的指導(dǎo)模式，確保教學(xué)任務(wù)的完成。學(xué)生經(jīng)過復(fù)雜工程問題的教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，經(jīng)過“調(diào)研-分析-設(shè)計(jì)-實(shí)施-調(diào)試-測試-改進(jìn)-運(yùn)行”等模擬解決工程問題的環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)。

（二）課程考核

傳統(tǒng)的課程考核是以期中和期末書面考試為主要考核手段，以考察學(xué)生掌握書本知識(shí)為重點(diǎn)。學(xué)生中普遍存在著平時(shí)松散、突擊應(yīng)付的現(xiàn)象。為此，我們采用過程化考核機(jī)制。過程化考核的實(shí)質(zhì)是以能力培養(yǎng)為目標(biāo)，以目標(biāo)驅(qū)動(dòng)型教學(xué)模式為支撐，以分類型考核為手段，實(shí)施教學(xué)全過程的考核，督促學(xué)生花更多的時(shí)間在學(xué)習(xí)上，提升各種能力。通過過程化考核，改變學(xué)生學(xué)習(xí)目的性，改變學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣，提升學(xué)生的分析問題解決問題能力、組織協(xié)調(diào)能力和表達(dá)能力。作為一門軟件應(yīng)用類課程，圍繞編程能力和軟件的應(yīng)用能力的提升為目標(biāo)，以能編程、會(huì)編程以及會(huì)應(yīng)用軟件為考核落腳點(diǎn)。

過程化考核形式為上機(jī)，內(nèi)容包括基本運(yùn)算，繪圖功能以及程序設(shè)計(jì)，期末考試形式為筆試，內(nèi)容是綜合應(yīng)用。通過這樣的考核方案，考察學(xué)生對(duì)這門課程的掌握程度以及靈活運(yùn)用的能力。對(duì)過程化考核的實(shí)施方式，主要基于以下兩個(gè)方面的考慮。一方面，采用上機(jī)考試作為過程化考核的形式，這樣可以考察學(xué)生的動(dòng)手操作能力;另一方面，讓學(xué)生把試題的結(jié)果寫在試卷上，同時(shí)由監(jiān)考老師現(xiàn)場檢查電腦上的結(jié)果，這樣可以全面客觀公正地考察學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握水平和靈活應(yīng)用能力。此外，每學(xué)期期中階段都召開學(xué)生座談會(huì)，通過與學(xué)生的交流，了解教學(xué)中存在的問題。每次考試結(jié)束，計(jì)算課程試卷畢業(yè)要求達(dá)成度，結(jié)合課程的定量評(píng)價(jià)結(jié)果及課程反饋信息的分析，對(duì)課程教學(xué)存在的問題進(jìn)行分析，同時(shí)給出持續(xù)改進(jìn)建議與措施，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的教學(xué)過程。

通過理論課，實(shí)驗(yàn)課和過程化考核的穿插進(jìn)行，很多學(xué)生對(duì)這門課程產(chǎn)生了濃厚的興趣。學(xué)生在課上或課后積極地提問，說明學(xué)生想學(xué)好這門課，并且?guī)е蓡柡退伎荚趯W(xué)習(xí)，這對(duì)于知識(shí)的掌握是很有幫助的。另外，通過過程化考核，也避免了“一考定終生”的模式。有些學(xué)生在某一次過程化考核中成績不太理想，我鼓勵(lì)其好好努力，因?yàn)楹竺孢€有機(jī)會(huì)。這樣，學(xué)生往往會(huì)加倍努力地去學(xué)習(xí)。有些學(xué)生在某次過程化考核中成績較好，我也激勵(lì)其不要松懈，將良好的學(xué)習(xí)狀態(tài)保持下去。最終目的就是讓學(xué)生能夠更好地掌握這門課程，更好地應(yīng)用這門課程。

（三）課程教學(xué)持續(xù)改進(jìn)

教學(xué)可體現(xiàn)在畢業(yè)要求的達(dá)成。教學(xué)過程通常包含教學(xué)內(nèi)容、方法等相關(guān)環(huán)節(jié)。教學(xué)持續(xù)改進(jìn)的過程，如圖1所示。結(jié)合畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)，確定課程的教學(xué)大綱及計(jì)劃。結(jié)合指標(biāo)點(diǎn)的達(dá)成對(duì)教學(xué)做持續(xù)改進(jìn)。教學(xué)過程包含以下幾個(gè)方面：教學(xué)初期、教學(xué)過程以及教學(xué)完成。教學(xué)初期，進(jìn)行預(yù)測診斷，主要涉及對(duì)前修課程相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，結(jié)合診斷結(jié)果來適當(dāng)?shù)卣{(diào)整教學(xué)計(jì)劃。教學(xué)過程環(huán)節(jié)，根據(jù)作業(yè)以及過程化考核等環(huán)節(jié)產(chǎn)生評(píng)估，結(jié)合評(píng)估結(jié)果進(jìn)行教學(xué)過程的持續(xù)改進(jìn)。教學(xué)完成環(huán)節(jié)，根據(jù)課程的反饋結(jié)果，產(chǎn)生相應(yīng)的總結(jié)性評(píng)價(jià)，以評(píng)價(jià)結(jié)果為參考，對(duì)教學(xué)作持續(xù)改進(jìn)。

三、結(jié)束語

實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的標(biāo)準(zhǔn)。通過在實(shí)踐中尋找更優(yōu)的教育方式，一方面促進(jìn)自身勤于思考當(dāng)前教育形態(tài)的發(fā)展方向，有利于在不斷變化的環(huán)境下健康成長;同時(shí)也是專業(yè)建設(shè)的需要，適時(shí)的更新優(yōu)化有利于專業(yè)的良性發(fā)展。

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