張靜亞

摘 要：針對MATLAB課程實踐性強、學時少的特點，該文提出以項目驅動的MATLAB教學方法，首先將教學內(nèi)容進行提煉并構成合理的課程體系，然后選擇適當?shù)捻椖?，并結合教學內(nèi)容進行項目的模塊化分解。在項目模塊的實現(xiàn)中引導學生正確的應用教學理論，并學習新的知識點。這種教學方法強調(diào)了學生在教學過程中的主體地位，激發(fā)了學生的創(chuàng)造性和積極性，取得較好的教學效果。在實施項目驅動教學法的過程中，教師還需不斷嘗試和創(chuàng)新，并對項目內(nèi)容進行外延和總結，同時注重互動和疑難解答，從而進一步得到改進，提高教學質量。

關鍵詞：MATLAB 項目驅動教學法 教學改革 教學方法 項目驅動 MATLAB教學 教學研究

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（c）-0147-03

MATLAB（MATrix LABorotory，矩陣實驗室）語言是一種廣泛應用于工程計算及數(shù)值分析領域的新型高級語言，現(xiàn)已成為大學生必須掌握的基本技能。相比其他高級語言，MATLAB具有強大的矩陣運算功能、可靠的容錯功能、廣泛的符號運算功能。其計算結果的可視化功能、靈活的兼容與接口功能和豐富的可供調(diào)用函數(shù)使它成為一種簡單易學的工程設計工具。

在MATLAB教學過程中，如何指引學生快速地從未知的狀態(tài)到熟練應用于項目設計，這是教學研究所必須考慮的問題[1]。該文提出采用科研項目驅動課程內(nèi)容教學以及驅動學生自主學習的教學設計思路。將科研項目從上而下細分到各個子項目，由各個子項目細分到各個小模塊，適合師生在教學過程中進行分析、討論和應用。學生在若干具體項目模塊的驅動下學會主動學習和思考，明確了學習的目標。

1 項目驅動教學法的特點

項目驅動教學法是一種用若干項目把整個教學內(nèi)容貫穿起來的教學方法，是一種能激發(fā)學生學習能動性和培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的有效手段[2]。它以學生為主要項目完成對象，以教師為項目分解和分配主導，教師根據(jù)各個教學要點有效地設計項目中各個子項目或者項目模塊。教師分配項目任務后，不再主宰項目執(zhí)行，而是引導學生去分析、去探索，教師可作適當?shù)膯栴}解答或引導[3]。學生在推進項目模塊完成的同時進行課程相關知識的累積，同時允許知識點的延伸和更新，并最終在課程的末階段完成一個項目的總體設計。

項目驅動教學法改變了傳統(tǒng)“教師講學生聽，教師演示學生看”的教學模式，強調(diào)了學生作為學習主體的地位，讓學生在學習之初就知道學習的目的和用處，通過應用教學內(nèi)容、自主探索和互動協(xié)作，主動完成學習任務，并能在整個學習階段體驗項目設計的樂趣，達到觸類旁通的效果[4]。

基于項目驅動的MATLAB教學方法一般包括以下部分：從上而下的項目分解；教學知識點的講解；項目模塊與知識點相結合的實踐練習；實踐結果的講解；內(nèi)容的延伸與拓展。該教學方法的基本流程如圖1所示。

2 MATLAB教學內(nèi)容的提煉

對課程知識點的提煉一方面是布置項目模塊實踐的基礎，另一方面也是掌握課程內(nèi)容的必要環(huán)節(jié)[5]。這就要求教師在課前認真分析教材，認真梳理MATLAB課程體系，分析MATLAB課程的教學內(nèi)容。

MATLAB語言編程的教學內(nèi)容主要包括了MATLAB矩陣運算，其中的矩陣產(chǎn)生，賦值，引用和存儲方式是學習的重點；在建立了矩陣的基本運算方法之后，基于MATLAB的數(shù)值計算問題便順理成章的被引出。除了數(shù)值計算之外，MATLAB符號運算也是作為一種特殊的高級語言具有的特點。將同一個問題采用數(shù)值計算法和符號計算法進行比較是教學內(nèi)容的一個組成部分。將應用數(shù)值和符號計算的命令通過函數(shù)和腳本文件的形式表現(xiàn)出來，則完成了MATLAB語言編程的基本教學要求。然而，以上的各個教學內(nèi)容講解和實踐中，將矩陣數(shù)據(jù)的可視化是幫助學生理解和分析問題的關鍵手段。因此，數(shù)據(jù)的可視化可貫穿于整個教學過程中。

3 從上而下方式的項目分解

項目驅動的MATLAB教學法中，項目的選擇和分解是該教學法的核心，項目分解的質量直接影響到教學效果。

通常，項目的實現(xiàn)有兩種思路：一種是自下而上的設計思路，一種是由上而下的設計思路。自下而上的設計是一種傳統(tǒng)的設計思路，這種設計方法一般是設計者首先設計各種基本單元，然后在設計時調(diào)用這些基本單元，逐漸向上組合，直到設計出自己需要的系統(tǒng)為止。自下而上的設計方法實現(xiàn)周期長、靈活性差、耗時耗力、效率低。自上而下的設計方法中，設計者將項目分成幾個不同的層次，按照自上而下的順序，在不同的層次對系統(tǒng)進行設計、描述與仿真。這種設計思想更符合人們邏輯思維的習慣，也容易使設計者對復雜的系統(tǒng)進行合理的劃分與不斷的優(yōu)化。

因此，教師需在完全把握項目要求的基礎上，把項目進行合理的從上而下的分解，得到各個應用于教學內(nèi)容的項目模塊，并按照教學進程和教學內(nèi)容，選擇項目中需要完成的項目模塊進行實踐分配和設計積累。在子項目的完成中，教師應鼓勵采用多種實現(xiàn)方式和多種解法，讓學生有充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力的機會。這些模塊任務對于編程基礎好的學生不成問題，在課堂上能完成，對于編程能力稍差的學生通過參考書目、互動問答和MATLAB幫助文檔也能完成項目，只是需要更多時間，但經(jīng)過自己努力能完成項目，學生感到收獲很大，自信心增加。

4 教學實例及思考

在項目驅動教學法中，項目選擇應該符合學生的專業(yè)方向，由簡單到復雜，并有利于培養(yǎng)創(chuàng)新能力。由于MATLAB矩陣運算教學內(nèi)容與二維存儲形式的圖像處理存在較大的關聯(lián)性，并且對于圖像感知具有獨一無二的直觀性，因此該文以數(shù)字圖像匹配為項目實例，結合MATLAB教學重點，說明項目驅動模式的整體教學過程。

圖2給出了圖像匹配項目和MATLAB知識點的關系圖。將項目分解為圖像的預處理、特征提取、特征匹配和結果輸出保存四個模塊。其中預處理模塊包括了圖像尺寸處理、圖像灰度的轉換以及圖像的預濾波。特征提取部分采用自定義函數(shù)法和復合型數(shù)據(jù)類型方式提取和保存特征點坐標和特征向量。特征匹配部分以特征點坐標和特征向量為對象，以最小歐氏距離為準則，并采用MATLAB高效的矩陣運算方法進行圖像匹配。最后將匹配結果用圖形方式和文件讀寫方式進行保存和顯示。以下是本項目主要設計模塊以及執(zhí)行結果。endprint

（1）預處理。通過矩陣賦值方式對圖像裁剪和由高斯平滑實現(xiàn)圖像的預濾波。圖3和圖4分別給出了裁剪前后的圖像。圖5是采用高斯平滑后得到的圖像。

fix=imread（'fix.jpg'）；mov=imread（'mov.jpg'）；%讀圖

fix_2=fix（40：220，50：200，：）；%通過矩陣抽取法裁剪

mov_2=mov（40：220，50：200，：）；%通過矩陣抽取法裁剪

sigma=2；MaskSize=100；endthresh=1e-3；%濾波參數(shù)

gr=linspace（-MaskSize，MaskSize，2*MaskSize+1）；

%MATLAB向量生成法

gr=1.0/（sqrt（2*pi）*sigma）*exp（-gr.^2/（2*sigma^2））；

lim=find（abs（gr）>abs（endthresh））；

gr=gr（lim）；%平滑模板的生成

gr=gr/sum（gr）；%平滑模板的歸一化

fix_smooth=conv2（gr，gr，fix_2，'same'）；%卷積濾波

mov_smooth=conv2（gr，gr，mov_2，'same'）；

（2）特征提取。自定義函數(shù)SIFT，通過調(diào)用函數(shù)得到復合類型的特征Ipts1和Ipts2。

Ipts1=SIFT（fix_smooth，Options）；

Ipts2=SIFT（mov_smooth，Options）；

（3）圖像匹配。用循環(huán)控制編程方式得到匹配點坐標及其匹配點距離，結果如圖6，圖7所示。

D1=reshape（[Ipts1.descriptor]，64，[]）； %特征向量排列

D2=reshape（[Ipts2.descriptor]，64，[]）；

for i=1：length（Ipts1）%循環(huán)結構控制匹配過程

distance=sum（（D2-repmat（D1（：，i），[1 length（Ipts2）]））.^2，1）；%矩陣運算得到特征距離

[err（i），cor2（i）]=min（distance）；%最小歐氏距離法則

End

5 結語

該文在MATLAB教學中引入項目驅動教學法，強調(diào)了學生學習的目標性，體現(xiàn)了學生在教學過程中的主體地位。通過項目的分解和逐步實現(xiàn)，提高了學生從實際出發(fā)，結合課程內(nèi)容進行合理的分析問題、解決問題的能力。在實施項目驅動教學法的過程中，教師還需不斷嘗試和創(chuàng)新，并對項目內(nèi)容進行外延和總結，同時注重互動和疑難解答，從而進一步得到改進，提高教學質量。

參考文獻

[1] 吳菊華，莫贊，陶雷，等.基于創(chuàng)新應用型人才培養(yǎng)的實驗教學改革研究與實踐[J].科技創(chuàng)新導報，2013（17）：128-130.

[2] 伍秀娟，項榮健.以協(xié)作項目為驅動的教學實踐與應用[J].中國電化教育，2011（5）：92-96.

[3] 吳愛萍.基于任務驅動的Matlab與控制系統(tǒng)仿真教學方法改革[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2012（11）：57-59.

[4] 項榮健，李建軍，伍秀娟，等.基于任務的引領式協(xié)作學習環(huán)境的構建與實踐[J].中國電化教育，2013（4）：60-64.

[5] 張佩云.項目驅動的軟件工程課程案例式分段情景教學研究[J].計算機教育，2013（3）：77-79.endprint