MATLAB GUI工具箱在數(shù)理統(tǒng)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用

李亞軍

摘要：通過(guò)針對(duì)MATLAB可視化功能的設(shè)計(jì)出數(shù)理統(tǒng)計(jì)工具箱，使得目前數(shù)理統(tǒng)計(jì)課程中繁瑣的MATLAB演示得以替代。該設(shè)工具箱界面友好，可交互信息充足，可以將數(shù)理統(tǒng)計(jì)中常用方法的計(jì)算結(jié)果直觀簡(jiǎn)單地顯示出來(lái)，便于課堂演示與應(yīng)用。同時(shí)，通過(guò)實(shí)際教學(xué)例子展示了數(shù)理統(tǒng)計(jì)工具箱的具體運(yùn)用過(guò)程，顯示其簡(jiǎn)單易用的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：MATLAB GUI;數(shù)理統(tǒng)計(jì);可視化;信息交互;教學(xué)

數(shù)理統(tǒng)計(jì)是具有廣泛應(yīng)用的一個(gè)數(shù)學(xué)分支，它以概率論為理論基礎(chǔ)，根據(jù)試驗(yàn)或觀察得到的數(shù)據(jù)來(lái)研究隨機(jī)現(xiàn)象，從而對(duì)研究對(duì)象的客觀規(guī)律做出種種合理的估計(jì)和判斷。作為研究隨機(jī)變量及其相互之間依賴關(guān)系內(nèi)在規(guī)律的一門(mén)科學(xué)，它在自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)、人文科學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的運(yùn)用，并取得了許多卓有成效的應(yīng)用成果。數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析已經(jīng)成為進(jìn)行科學(xué)研究、數(shù)據(jù)分析必不可少的重要方法與工具。在數(shù)理統(tǒng)計(jì)的教學(xué)中既要注重學(xué)生的理論基礎(chǔ)和解題方法的掌握，更應(yīng)提高學(xué)生運(yùn)用matlab等數(shù)學(xué)軟件解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

如今隨著數(shù)學(xué)軟件Matlab越來(lái)越成熟，學(xué)好數(shù)理統(tǒng)計(jì)就不僅僅是熟練的掌握其解題方法，更重要的是能夠運(yùn)用現(xiàn)有的軟件進(jìn)行龐大數(shù)據(jù)的處理。通常要解決一個(gè)問(wèn)題要處理的數(shù)據(jù)是非常多的，靠手工計(jì)算根本不可能完成，更多的是借助現(xiàn)有的數(shù)學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。所以，在數(shù)理統(tǒng)計(jì)的教學(xué)中不應(yīng)該只是注重學(xué)生的理論基礎(chǔ)和解題方法的掌握，更應(yīng)提高學(xué)生運(yùn)用軟件來(lái)解決數(shù)學(xué)問(wèn)題的意識(shí)?；贛atlab的數(shù)理統(tǒng)計(jì)教學(xué)演示課件的研發(fā)，正是著手于彌補(bǔ)課堂教學(xué)中單一的使用PPT向?qū)W生講授繁重的手工解題方法，而無(wú)法領(lǐng)會(huì)運(yùn)用數(shù)學(xué)軟件直接解題的方便之處這一缺憾。

在現(xiàn)在的教學(xué)中，直接使用Matlab進(jìn)行教學(xué)演示比較繁瑣，如果我們能夠研發(fā)出一種基于Matlab的數(shù)理統(tǒng)計(jì)教學(xué)課件，它是一種界面簡(jiǎn)潔，結(jié)果顯示良好的用戶自定義界面，能夠很方便的調(diào)用像處理非參數(shù)估計(jì)、假設(shè)檢驗(yàn)、方差分析、回歸分析等問(wèn)題的應(yīng)用程序，并且能夠在短時(shí)間內(nèi)得出結(jié)果。本課題正是在著手解決上課直接運(yùn)用Matlab主界面進(jìn)行教學(xué)演示太過(guò)于繁瑣這一缺憾，擬研發(fā)一種基于Matlab的數(shù)理統(tǒng)計(jì)教學(xué)課件，利用Matlab的圖像處理和可視化功能，設(shè)計(jì)一種界面簡(jiǎn)潔，結(jié)果顯示良好的用戶自定義界面，使教學(xué)活動(dòng)中能夠方便而且快捷的處理與演示數(shù)理統(tǒng)計(jì)中各類問(wèn)題，并且比較直觀的顯示結(jié)果，這對(duì)于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)效率的提高都有一定的意義。

1圖形界面

MATLAB圖形用戶界面是一個(gè)由對(duì)象（Object）組成的用戶界面，例如窗口，光標(biāo)，按鈕，菜單和文本描述。用戶通過(guò)某種方法（例如鼠標(biāo)或鍵盤(pán)）選擇并激活這些圖形對(duì)象，從而使計(jì)算機(jī)產(chǎn)生某些動(dòng)作或更改，例如計(jì)算，繪圖等。圖形用戶界面具有以下三個(gè)基本元素。

1.1組件

MATLAB GUI中的每個(gè)項(xiàng)目（例如按鈕，標(biāo)簽，編輯框等）都是圖形組件。組件可分為3類：圖形控件（例如按鈕，編輯框，列表，滾動(dòng)條等），靜態(tài)元素（例如窗口和文本字符串），菜單和坐標(biāo)系。圖形控件和靜態(tài)元素具有uicontrol功能。菜單由功能uimenu和uicontextmenu創(chuàng)建。坐標(biāo)系通常用于顯示圖形數(shù)據(jù)，并由函數(shù)axes創(chuàng)建創(chuàng)建。

1.2圖形窗口

GUI的每個(gè)組件必須布置在圖像窗口中。繪制數(shù)據(jù)圖像時(shí)，通常會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建圖像窗口。但是，也可以使用圖形創(chuàng)建空的圖像窗口，這些窗口通常用于防止和控制各種類型的組件。1.3回應(yīng)

如果用戶單擊鼠標(biāo)或使用鍵盤(pán)輸入一些信息，則該程序必須相應(yīng)地執(zhí)行操作。鼠標(biāo)單擊或輸入信息是一個(gè)事件。如果MATLAB程序運(yùn)行相應(yīng)的函數(shù)，則MATLAB函數(shù)肯定會(huì)響應(yīng)。如果用戶單擊按鈕，則此事件將不可避免地導(dǎo)致執(zhí)行相應(yīng)的MATLAB語(yǔ)句。這些相應(yīng)的句子稱為響應(yīng)。只要執(zhí)行了GUI的單個(gè)圖形組件，就必須有響應(yīng)。GUIDE開(kāi)發(fā)環(huán)境是MATLAB提供的圖形界面集成設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)環(huán)境，供GUI編程用戶設(shè)計(jì)程序界面和編寫(xiě)程序功能核心。在MATLAB主界面中，選擇File菜單的New子菜單下的GUI項(xiàng)目，以打開(kāi)GUIDE啟動(dòng)對(duì)話框，如圖1所示。用戶可以創(chuàng)建新的GUI程序或打開(kāi)現(xiàn)有的GUI程序。從圖1可以看出，在創(chuàng)建新的GUI程序時(shí)可以使用四個(gè)不同的GUIDE模板。選擇空白的GUI將打開(kāi)空白的GUIDE設(shè)計(jì)界面。在GUIDE設(shè)計(jì)界面下，用戶可以通過(guò)單擊并拖動(dòng)鼠標(biāo)來(lái)創(chuàng)建自己的GUI程序界面。

2交互型數(shù)理統(tǒng)計(jì)工具箱的程序組成

針對(duì)課堂教學(xué)和軟件實(shí)踐的實(shí)際需求，使用MATLAB軟件的圖形用戶界面（GUI）開(kāi)發(fā)了一組交互式數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)工具箱。工具箱的程序集包含23個(gè)程序文件，包括參數(shù)估計(jì)，假設(shè)檢驗(yàn)，方差分析和回歸分析。工具箱的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，假設(shè)檢驗(yàn)工具箱的界面的屏幕截圖如圖3所示。

3應(yīng)用實(shí)例分析

基于Matlab的數(shù)理統(tǒng)計(jì)工具箱，可以解決課堂教學(xué)中單一的使用PPT向?qū)W生講授手工解題方法的繁瑣過(guò)程，運(yùn)用數(shù)學(xué)軟件直接解題的便捷可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)與運(yùn)用數(shù)學(xué)軟件的熱情，提高課堂教學(xué)的效果。下面通過(guò)實(shí)例3種不同的求解方式展示數(shù)理統(tǒng)計(jì)工具箱在教學(xué)中的應(yīng)用情況，

例1（矩估計(jì)）設(shè)某原料的凈重服從 ，現(xiàn)隨機(jī)抽取12袋，測(cè)得數(shù)據(jù)如下：

232.5，232.48，232.15，232.53，232.45，232.30，232.48，232.05，232.45，232.60，232.47，232.30（單位克），試用矩估計(jì)法估計(jì)測(cè)量值的均值

4結(jié)語(yǔ)

采用matlab GUI界面進(jìn)行設(shè)計(jì)編程，將數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的參數(shù)估計(jì)、假設(shè)檢驗(yàn)、方差分析、回歸分析進(jìn)行整合，建立友好的輸入輸出界面，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了具有可視化、交互性能的數(shù)理統(tǒng)計(jì)軟件包，該軟件使用簡(jiǎn)單，操作方便，顯示友善，交互能力更強(qiáng)。通過(guò)對(duì)3種不同類型問(wèn)題的求解方法進(jìn)行比較表明，在教學(xué)中借助MATLAB軟件開(kāi)發(fā)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)工具箱，不僅使學(xué)生對(duì)數(shù)理統(tǒng)計(jì)課程中的相關(guān)概念和方法加深了印象，而且利用MATLAB GUI改變了傳統(tǒng)教學(xué)中的枯燥、繁瑣的局面，提高了課堂效率，激發(fā)了同學(xué)們的興趣，是彌補(bǔ)概率統(tǒng)計(jì)理論知識(shí)教學(xué)不足的有效途徑，可進(jìn)一步提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

參考文獻(xiàn)：

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