薛耀紅，權 巍，曲福恒

(長春理工大學計算機科學技術學院，長春 130022)

一、Matlab/Simulink簡介

Matlab是由美國的Mathworks公司推出的數(shù)學軟件。該軟件集成數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化，以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能于一個易于使用的視窗環(huán)境中，并提供了大量的內置函數(shù)，被廣泛應用于科學研究、工程設計，以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領域。Matlab極大地擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。Matlab的強大功能主要包括:

(1)數(shù)值計算、符號計算功能強大，語言簡單且運算效率高，使用戶擺脫繁雜的計算過程。

(2)專業(yè)應用工具箱和函數(shù)庫的功能豐富，且用戶可編寫自己的函數(shù)，對工具箱進行擴展。

(3)圖形處理功能完備，高效地實現(xiàn)計算與仿真結果的可視化。

(4)用戶界面友好，編程語言自然，編程簡單直觀。

Simulink是基于Matlab的框圖設計環(huán)境，可以用來對各種動態(tài)系統(tǒng)進行建模、分析和仿真［1］。它的建模范圍廣泛，可以針對任何能用數(shù)學來描述的系統(tǒng)進行建模，例如航空航天動力學系統(tǒng)、衛(wèi)星控制制導系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等，其中包括了連續(xù)、離散，條件執(zhí)行，事件驅動，單速率、多速率和混雜系統(tǒng)等，利用Simulink幾乎可以做到不書寫一行代碼即完成整個動態(tài)系統(tǒng)的建模工作。此外，Simulink與Matlab緊密集成，可以直接訪問Matlab用大量的工具來進行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制，以及信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。毋庸置疑，Simulink已成為在動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真方面應用的最為廣泛的軟件包之一。

二、Matlab/Simulink課程實驗教學現(xiàn)狀及趨勢

鑒于Matlab強大的科學計算功能，國內很多大專院校的電子、通信、計算機、軟件的本科專業(yè)都開設這門課程作為選修課。特別是近十幾年來，科學技術尤其是計算機技術迅速發(fā)展帶動了自動化領域的知識結構和技術手段不斷進步，促使新的教學方法和輔助教學的手段不斷涌現(xiàn)。特別是在自動控制、系統(tǒng)仿真等領域，Matlab/Simulink語言已經成為國外許多高校在教學與科研中首選的計算工具。此外，國內外的許多控制、仿真類教材中，在包含傳統(tǒng)的實驗內容的基礎上，都紛紛增加了Matlab仿真的內容。由此可見，將Matlab引入本科生、研究生的相關專業(yè)的實驗教學已成為當前國際上發(fā)展的一種大趨勢。

以往的Matlab/Simulink選修課，多采取課堂講授這種單一的教學模式，不安排實驗課或實驗課以輔助形式出現(xiàn)。這種教學模式缺乏可視化的直觀表現(xiàn)，抑制了學生的學習積極性，嚴重影響了課程的教學效果。有些教學大綱即使安排了實驗課，也只是在授課期間穿插三到四次，且內容多為驗證性實驗。受實驗內容的影響，加之實驗場所和試驗設備等因素的限制，學生做完實驗后，仍對實驗的內容比較模糊。多數(shù)學生對知識原理內容的理解仍然是停留在課本上，對一些概念和結論仍然感覺比較抽象，缺少感性認識，這樣的實驗課形式非常不利于培養(yǎng)學生的學習熱情和創(chuàng)新能力。所以，如何增強學生對課堂知識的理解和掌握，培養(yǎng)學生綜合應用Matlab/Simulink解決實際計算機仿真問題的能力，最終達到提高學生學習的興趣和積極性目的，成為實驗教學亟待解決的關鍵問題。

三、Matlab/Simulink課程實驗教學改革策略

傳統(tǒng)實驗教學的局限性促使許多高校教師不斷地對硬件實驗的教學改革進行探討和研究［2－8］。筆者根據(jù)自身的專業(yè)理論與實驗教學的經驗，結合Matlab/Simulink課程的特點及目前國內實驗教學現(xiàn)狀，提出以下三點改革方案。

(一)課程設置及教學方法的改革

Matlab課程可作為基礎平臺課程，安排在專業(yè)課之前開設，以便于后續(xù)專業(yè)課學習時的應用。最好的Matlab課程設置方案是將其與專業(yè)課同一學期開設，從而達到Matlab實驗課程和專業(yè)課穿插進行、相輔相成的目的。

首先，對于教師來說，兩門課程穿插進行，為便于學生進行實驗，就要求教師盡量選擇含有Matlab仿真實驗內容的教材，而不是一味鉆研生澀難懂的理論知識，這樣能提高學生對理論知識的理解貫通能力以及動手能力，形成一種有效的“理論+實訓”的教學模式;另一方面，這樣的課程設置方案也有利于Matlab實驗課的內容與專業(yè)課的內容相配合，要求實驗教師嚴格根據(jù)專業(yè)課教材中的主要內容、重點內容確定實驗目的，設計實驗內容，編寫出既包含傳統(tǒng)Matlab實驗又包含對應專業(yè)課仿真內容的實驗教程，在每一堂實驗課都能做到有的放矢。教師在規(guī)定學生完成一定的實驗計劃和要求的前提下，可以鼓勵學生不拘泥于教程中的做法，引導學生進行一些創(chuàng)新改進，或讓學生自己提出實驗研究課題，重新設計不同的實驗方案，獨立或與同學合作進行實驗。

其次，從學生的角度來說，由于Matlab界面直觀、程序語言結構簡單，便于理解掌握，并且具有強大的數(shù)據(jù)可視化能力的特點，這樣便于學生自己編寫程序實現(xiàn)對所學理論知識的驗證，能充分地調動學生的獨立思考能力，并有效地提高學生的創(chuàng)新能力;同時，由于Matlab具有強大的數(shù)值運算能力，實驗過程的運算誤差可以得到有效地控制，能有效確保仿真結果與理論分析的一致性，這樣可以增強學生學習專業(yè)課的自信心，激發(fā)學生的動手興趣。

此外，Matlab實驗課程應該做到單獨開課，單獨考核，以得到學生的足夠重視。在實驗課的教學方法問題上，教師在教學過程中應著重激發(fā)學生的積極主動性，以學生為主體，以教師為主導，注重師生之間的教學互動。在實驗課講授過程中應該有適當?shù)奶釂?，與學生就實驗項目、實驗過程、可能的實驗結果等各方面展開討論，讓學生不僅知道怎么做更要明確為什么這么做，引導學生獨立完成實驗并分析實驗結果，最終得出科學的實驗結論。

(二)實驗內容及實驗環(huán)境的改革

從實驗的教學功能來看，實驗一般可分為驗證性實驗、綜合性實驗及設計性實驗。驗證性試驗其結果已經給出，其預期一般就是題目所給的結果;綜合性實驗是指實驗內容涉及本課程的綜合知識或與本課程相關課程知識的實驗，要求學生綜合解決較復雜的問題，培養(yǎng)學生綜合已學到的理論解決新問題的能力;設計性實驗是指給定實驗目的要求和實驗條件，由學生自行設計實驗方案并加以實現(xiàn)的實驗，設計性實驗旨在考察并培養(yǎng)學生的科研創(chuàng)新能力。在實驗內容的性質設置方面，教師應遵循厚基礎、重能力培養(yǎng)、加強創(chuàng)新的原則建設實驗教學體系，構建四個層次實驗和實踐教學體系結構。在確?；镜尿炞C性實驗質量的同時，加大綜合性、設計性實驗的比例，徹底改變目前實驗教學中綜合性、設計性實驗所占比例較少的現(xiàn)狀，達到加強學生科研創(chuàng)新能力的培養(yǎng)的目的。

此外，教師在安排實驗順序時，應本著由淺入深、循序漸進的教學原則，先安排簡單的驗證性實驗，繼而逐漸過渡到略為復雜的設計性實驗，最終設計復雜程度較高的綜合性實驗，潛移默化中加強學生解決實際問題的能力，并使學生一直保持較濃的學習興趣。具體對于Matlab/Simulink這門課程的實驗教學來說，實驗課內容和開設順序必須緊跟專業(yè)理論課的教學內容由淺入深、逐步推進。學生首先通過專業(yè)理論課的學習對仿真系統(tǒng)和系統(tǒng)各個參數(shù)的含義有了初步印象;緊接著在隨后開展的驗證性實驗課中通過實驗對專業(yè)課理論中的各個參數(shù)得到了深入了解，對參數(shù)具有了比較直觀的感受;繼而再通過設計性實驗中，通過搭建仿真模型，并在Simulink仿真環(huán)境中變換這些參數(shù)，進一步了解各種參數(shù)校正方式的優(yōu)缺點。這樣不僅鞏固了學生對于仿真系統(tǒng)的理論知識，而且還能加深對知識的理解和應用，拓展學生的思維。

最后，通過綜合性實驗課的開展，引導學生進入復雜度更高的系統(tǒng)仿真和分析，有利于提高學生理論設計、計算機仿真及相應的實物制作與系統(tǒng)調試的綜合能力。在實驗環(huán)境的改革方面，實驗室必須配備充足的學生電腦，保證人手一機，每個同學都有足夠的上機時間;實驗室還應該配備多媒體教學設備，方便教師及時給班級演示仿真程序，和學生分析討論仿真結果。

(三)考核方法的改革

根據(jù)實驗教學要求，實驗課應與理論課教學一樣，實行實驗單獨考核，制定嚴格的考核制度。認真抓好實驗課程考核，對于提高實驗課的教學質量，樹立良好的學風，推動素質教育有著重要意義。

為了客觀地評價學生的實驗效果，成績評定內容上應包括三個組成部分:實驗上機成績、實驗報告成績與期末考核成績。每次實驗的上機成績應占總分的50%左右，這樣促使學生必須在思想上把實驗課上機操作重視起來，認真對待每次上機機會;而實驗報告通過讓學生用書面的形式描述實驗過程、記錄實驗數(shù)據(jù)、分析總結實驗結果，能更好地讓學生體會科學探究的過程，有利于培養(yǎng)學生對實驗的興趣，從而提高實驗技能。實驗報告成績應占總成績的20%左右;其余30%就是期末的上機操作考核成績，有利于督促學生在期末的時候對該學期學到的理論知識和實驗技能進行概括總結、復習鞏固并融會貫通。此外，要提高實驗成績在學生總成績中的權重，引起學生對實驗課的足夠重視，實驗成績在總成績中的權重應盡量達到40% ～50%左右。在考題的設置上，教師應該多出一些理論和實踐相結合的試題。例如，教師可以出一個考察校正控制系統(tǒng)的試題，在試題中提供一些系統(tǒng)參數(shù)的初始值，要求學生進行理論推導與計算，并結合計算結果建立仿真模型并進行分析。教師可在試題中設置一定的仿真目標，要求學生根據(jù)實際的仿真結果對出現(xiàn)的問題進行分析，并通過調節(jié)初始參數(shù)對系統(tǒng)進行反復校正，直到系統(tǒng)的響應曲線與試題設定的目標吻合。整個考試過程涉及的所有的數(shù)學運算都通過Matlab軟件完成，這樣可減少復雜的運算對學生考試的影響，使得考試的重點放在學生理論和實踐綜合應用能力的考察上，既減輕了學生考試的負擔，又提高了考察效果。實踐證明學生普遍更歡迎這種實驗課的成績考核方法，認為考試成績更能體現(xiàn)出自己的實際能力。

四、結束語

傳統(tǒng)的實驗室和實驗教學方法及內容已無法滿足高等院校培養(yǎng)學生的目標需求，故需深化高校實驗教學改革。Matlab/Simulink實驗教學改革，可大大提高控制系統(tǒng)、系統(tǒng)仿真等專業(yè)理論課程的教學質量，改善實驗效果，既調動了學生學習理論知識積極性和創(chuàng)造性，又培養(yǎng)了學生的分析、設計和調試控制系統(tǒng)的能力;同時，還解決了現(xiàn)階段各高校學生人數(shù)多、儀器少之間的矛盾，進一步降低了教學成本。

［1］黃忠霖.控制系統(tǒng)MATLAB計算及仿真［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2001:2－10.

［2］高飛，富爽，劉羽楠.基于MATLAB的自動化專業(yè)實驗教學改革研究［J］.中國電力教育，2009(1):121－122.

［3］王秋艷.基于MATLAB教學平臺的自動控制理論教學改革與實踐［J］.遼寧工學院學報，2006(2):122－124.

［4］蔡啟仲.控制系統(tǒng)計算機輔助設計［M］.重慶:重慶大學出版社，2003:50－58.

［5］張小娟.信號與系統(tǒng)實驗課程教學改革的研究與探索［J］.價值工程，2011(30):204.

［6］孔軍，蔣敏.Simulink在信號與系統(tǒng)實驗教學中的新探索［J］.中國科技信息，2007(24):271－273.

［7］梁麗娟.MATLAB虛擬平臺對信號與系統(tǒng)實驗進行仿真分析的探討［J］.邢臺學院學報，2011，26(2):176－177.

［8］嚴曉蘭.基于Simulink的信號與系統(tǒng)仿真實驗研究［J］.實驗科學與技術，2008(6):3－5，8.