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

MATLAB與科學(xué)計(jì)算教學(xué)改革的實(shí)踐與探索

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

MATLAB與科學(xué)計(jì)算作為理工科高等院校開(kāi)設(shè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代數(shù)學(xué)建模手段分析解決科學(xué)和工程問(wèn)題的能力?？茖W(xué)計(jì)算的抽象性和MATLAB軟件的實(shí)用背景強(qiáng)調(diào)理論分析和實(shí)踐應(yīng)用并重，這對(duì)課程教學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)。作者在面向理工強(qiáng)化班開(kāi)設(shè)的MATLAB與科學(xué)計(jì)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(diǎn)難點(diǎn)問(wèn)題，從授課、實(shí)訓(xùn)等方面進(jìn)行了教學(xué)改革，探索了新的教學(xué)模式。通過(guò)課程教學(xué)改革實(shí)踐，學(xué)生的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)、科學(xué)素養(yǎng)和實(shí)踐能力均得到了有效提高。

MATLAB與科學(xué)計(jì)算教學(xué)改革素質(zhì)培養(yǎng)工程實(shí)踐

一、引言

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

我們?cè)诿嫦蚰暇┼]電大學(xué)理工強(qiáng)化班學(xué)生開(kāi)設(shè)的“MATLAB與科學(xué)計(jì)算”課程中進(jìn)行了課程教學(xué)改革的實(shí)踐與探索。我們提出在教學(xué)全過(guò)程面向科學(xué)研究和工程應(yīng)用，將傳統(tǒng)的知識(shí)傳授式教學(xué)轉(zhuǎn)變成問(wèn)題導(dǎo)向的研究型教學(xué)。通過(guò)將研究型教學(xué)理論與課程教學(xué)實(shí)踐相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中由被動(dòng)接受者向發(fā)現(xiàn)者和探索者的身份轉(zhuǎn)變，將獨(dú)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(shí)中，為其后期進(jìn)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(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題

1.科學(xué)計(jì)算包含線性代數(shù)、微積分、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)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(jì)算機(jī)語(yǔ)言和仿真實(shí)驗(yàn)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(duì)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(guò)創(chuàng)新性的內(nèi)容設(shè)計(jì)和授課方式引導(dǎo)學(xué)生在熟練掌握MATLAB平臺(tái)的語(yǔ)言特性和編程技術(shù)上理解計(jì)算理論的基本概念和關(guān)鍵算法，同時(shí)改善學(xué)習(xí)效果和增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣是課程教學(xué)改革需要解決的首要問(wèn)題。

2.目前的教學(xué)實(shí)踐是基于原理介紹和簡(jiǎn)單示例開(kāi)展的，這會(huì)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(wú)法轉(zhuǎn)化為能運(yùn)用的知識(shí)。如何幫助學(xué)生打通理論和實(shí)踐之間的壁壘，通過(guò)解決實(shí)際問(wèn)題理解并掌握本課程中的重點(diǎn)知識(shí)，培養(yǎng)其自主學(xué)習(xí)能力和知識(shí)轉(zhuǎn)化能力是本課程教改項(xiàng)目需要解決的另一個(gè)問(wèn)題。

三、課程授課方式改革

（一）實(shí)例式學(xué)習(xí)

MATLAB不僅具有龐大的基礎(chǔ)指令庫(kù)，同時(shí)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(huì)造成較大的學(xué)習(xí)心理壓力[4]。通過(guò)實(shí)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(shí)例入手，讓學(xué)生獲得運(yùn)用MATLAB解決問(wèn)題的成就感，從而方便地建立起對(duì)MATLAB的初步認(rèn)識(shí)。在此基礎(chǔ)上，將教學(xué)大綱要求的知識(shí)點(diǎn)全部落實(shí)到可實(shí)際操作的實(shí)例上，讓學(xué)生更易于明晰學(xué)習(xí)目的。同時(shí)，學(xué)生也更傾向于帶著疑問(wèn)進(jìn)行聽(tīng)課，加深對(duì)課程重點(diǎn)與難點(diǎn)的理解。

（二）對(duì)象式培養(yǎng)

本課程面向理工強(qiáng)化班學(xué)生，通常這類(lèi)學(xué)生具有扎實(shí)的基礎(chǔ)，明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)，自學(xué)能力也較強(qiáng)。因此，將授課內(nèi)容分為兩個(gè)層面：基礎(chǔ)層面和拓展層面。基礎(chǔ)層面是根據(jù)培養(yǎng)計(jì)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(lái)，在授課時(shí)面向全體學(xué)生進(jìn)行講解。拓展層面則是從MATLAB的工具箱集合中選擇出符號(hào)運(yùn)算工具箱、通訊工具箱、自動(dòng)控制工具箱、信號(hào)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(zhuān)業(yè)相關(guān)性以三人一組為單位對(duì)所選擇的工具箱進(jìn)行深入學(xué)習(xí)。我們針對(duì)不同組的學(xué)生布置對(duì)應(yīng)內(nèi)容的作業(yè)，激發(fā)學(xué)生對(duì)于本專(zhuān)業(yè)相關(guān)內(nèi)容和問(wèn)題積極思考，并培養(yǎng)查閱資料解決問(wèn)題的能力，使得學(xué)生學(xué)習(xí)收益最大化。

（三）互動(dòng)式教學(xué)

在課堂上結(jié)合講授內(nèi)容對(duì)學(xué)生進(jìn)行有針對(duì)性的提問(wèn)與解答，以關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)和難度恰當(dāng)?shù)臄U(kuò)展內(nèi)容為出發(fā)點(diǎn)，營(yíng)造學(xué)術(shù)和技術(shù)討論的氛圍，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考并鍛煉發(fā)散性思維。教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中注意觀測(cè)學(xué)生的反應(yīng)并及時(shí)做出調(diào)整。另外，采取在班干部的輔助下對(duì)積極分子給予獎(jiǎng)勵(lì)平時(shí)成績(jī)等措施以提高學(xué)生的參與積極性。

四、實(shí)踐訓(xùn)練方式改革

實(shí)驗(yàn)課是學(xué)生設(shè)計(jì)、編程利用MATLAB解決相關(guān)科學(xué)計(jì)算和工程問(wèn)題的過(guò)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(shí)、科學(xué)素養(yǎng)和動(dòng)手能力方面的差異，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)采用了較為廣泛的應(yīng)用問(wèn)題并設(shè)置不同的難點(diǎn)供學(xué)生選擇。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)與研究探索實(shí)驗(yàn)三部分組成，強(qiáng)調(diào)通過(guò)基本技能訓(xùn)練、綜合能力培養(yǎng)、開(kāi)放研究實(shí)驗(yàn)鍛煉，促進(jìn)學(xué)生由知識(shí)技能獲取到能力素質(zhì)提高的轉(zhuǎn)變。

五、進(jìn)一步實(shí)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(jì)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(shí)點(diǎn)的同時(shí)，了解和掌握關(guān)鍵的進(jìn)展，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)關(guān)注相關(guān)前沿動(dòng)態(tài)是下一步方案需要考慮的問(wèn)題。

2.根據(jù)學(xué)生個(gè)體在專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)效果和效率、主觀能動(dòng)性等方面的差異進(jìn)一步完善交互式教學(xué)和課程考核的方案，從而實(shí)現(xiàn)每個(gè)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(shí)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(shí)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(yǔ)音信號(hào)處理教學(xué)改革[J].吉林省教育學(xué)院學(xué)報(bào),2015(31): 79-80.

[5]劉曉玉.基于教學(xué)目標(biāo)的MATLAB語(yǔ)言課程教學(xué)方法探索[J].計(jì)算機(jī)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）