李萬(wàn)兵+黃鵬飛+柳甲榮

摘 要： 基于機(jī)制專(zhuān)業(yè)MATLAB軟件課程的學(xué)時(shí)少、學(xué)習(xí)理論算法與實(shí)踐性較強(qiáng)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中感覺(jué)枯燥乏味、導(dǎo)致授課效果差的問(wèn)題，提出以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的MATLAB教學(xué)方法。首先按照學(xué)生的興趣，每一章或者兩章內(nèi)容設(shè)置課程項(xiàng)目，將要學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)融入項(xiàng)目；然后對(duì)項(xiàng)目所用的理論知識(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明，用項(xiàng)目帶動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；最后，在項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中注重互動(dòng)和疑難解答，教學(xué)質(zhì)量得到進(jìn)一步提高。本文以四連桿機(jī)構(gòu)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)為例進(jìn)行實(shí)踐，以取得很好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞： 項(xiàng)目式教學(xué) 教學(xué)方法 MATLAB教學(xué)項(xiàng)目 教學(xué)研究

1.引言

隨著數(shù)學(xué)科學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，綜合利用數(shù)學(xué)知識(shí)建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，研究和揭示自然科學(xué)中的變化規(guī)律，解決工程領(lǐng)域中的實(shí)際問(wèn)題已成為科學(xué)研究的一種重要的方法。數(shù)學(xué)作為基礎(chǔ)學(xué)科，遍及科學(xué)研究和工程應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域。對(duì)于新時(shí)期的大學(xué)生來(lái)說(shuō)，在學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)理論知識(shí)的同時(shí)，學(xué)習(xí)探索方法，解決實(shí)際問(wèn)題，將理論知識(shí)跟實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來(lái)，培養(yǎng)科學(xué)研究的意識(shí)，掌握科學(xué)的方法，逐漸形成自主解決實(shí)際問(wèn)題的能力，開(kāi)啟創(chuàng)新思維，是目前非常重要和迫切的事情。

為了更好地掌握MATLAB在各行業(yè)、學(xué)科中的應(yīng)用，從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，采用相關(guān)項(xiàng)目來(lái)驅(qū)動(dòng)教學(xué)，采取精心設(shè)計(jì)項(xiàng)目，讓學(xué)生在完成項(xiàng)目的過(guò)程中快速地掌握MATLAB語(yǔ)言的一些基本操作和技能[1]。對(duì)MATLAB中常用的幾種數(shù)據(jù)類(lèi)型，單元型變量和結(jié)構(gòu)型變量不易理解，數(shù)值運(yùn)算主要了解向量及其運(yùn)算、矩陣運(yùn)算、數(shù)組及其運(yùn)算、多項(xiàng)式運(yùn)算。通過(guò)符號(hào)計(jì)算與數(shù)值計(jì)算的對(duì)比，引入符號(hào)計(jì)算及其特點(diǎn)。掌握函數(shù)的應(yīng)用，M文件的編寫(xiě)，程序控制，人機(jī)交互指令和函數(shù)句柄，二維圖形繪制和三維圖形繪制等知識(shí)點(diǎn)。用Simulink實(shí)現(xiàn)多個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域的仿真運(yùn)算，采用將一些知識(shí)點(diǎn)融入項(xiàng)目，自上而下地細(xì)分各個(gè)子項(xiàng)目，再由各個(gè)子項(xiàng)目細(xì)分到各個(gè)小模塊，在教學(xué)過(guò)程中由師生進(jìn)行分析、討論和應(yīng)用。學(xué)生在精心設(shè)計(jì)的一些具體項(xiàng)目模塊完成過(guò)程中學(xué)會(huì)主動(dòng)學(xué)習(xí)和思考，最終實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)。

2.項(xiàng)目式教學(xué)的特點(diǎn)

所謂項(xiàng)目式教學(xué)就是以項(xiàng)目為依托，把所要學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)融入項(xiàng)目，通過(guò)完成項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)教學(xué)過(guò)程的一種教學(xué)方法，是一種能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)能動(dòng)性和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的有效手段[2]。將學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)融入項(xiàng)目中，教師主導(dǎo)項(xiàng)目任務(wù)分解和分派，需要按照教學(xué)大綱的要求設(shè)計(jì)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的項(xiàng)目和模塊，然后將項(xiàng)目分派給學(xué)生，不再是項(xiàng)目執(zhí)行的主宰，學(xué)生是項(xiàng)目實(shí)施的和完成的對(duì)象。在學(xué)生實(shí)施項(xiàng)目的過(guò)程中引導(dǎo)學(xué)生分析，不斷地探索，也可以適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行問(wèn)題的解答。隨著項(xiàng)目的逐步推進(jìn)和完成，學(xué)生累積課程相關(guān)知識(shí)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)的延伸和更新，并最終在課程的末階段完成一個(gè)綜合性項(xiàng)目的總體設(shè)計(jì)[3]。項(xiàng)目式驅(qū)動(dòng)教學(xué)法主要是針對(duì)傳統(tǒng)“教師講學(xué)生聽(tīng)，教師演示學(xué)生看”的教學(xué)模式的學(xué)生積極性不夠，參與性較差的缺點(diǎn)，積極發(fā)揮學(xué)生在教學(xué)中的主體作用，讓學(xué)生首先明確學(xué)習(xí)的目的和用處，并通過(guò)在課堂上或課間的自主探索和互動(dòng)協(xié)作，主動(dòng)完成學(xué)習(xí)任務(wù)，掌握相關(guān)的知識(shí)，并在項(xiàng)目設(shè)計(jì)的過(guò)程中體驗(yàn)樂(lè)趣，達(dá)到真正學(xué)活學(xué)懂、觸類(lèi)旁通的效果。

本文是通過(guò)對(duì)在校機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)2011級(jí)200多名學(xué)生使用自行設(shè)計(jì)的《民辦院校機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)“MATLAB軟件應(yīng)用”課程調(diào)查問(wèn)卷》表進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)研，得到學(xué)生的對(duì)于MATLAB課程知識(shí)點(diǎn)的需求和興趣點(diǎn)。分析最終的調(diào)研結(jié)果可以得到，參加過(guò)數(shù)學(xué)建模的學(xué)生對(duì)MATLAB 的應(yīng)用認(rèn)識(shí)比較深刻，大部分學(xué)生認(rèn)為設(shè)計(jì)一些和機(jī)制專(zhuān)業(yè)相關(guān)課程有聯(lián)系的項(xiàng)目，對(duì)調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性有很大的作用?；诖?，本文設(shè)計(jì)了一種基于項(xiàng)目式驅(qū)動(dòng)的MATLAB教學(xué)方法，主要包括以下部分：教師完成的項(xiàng)目設(shè)計(jì)；項(xiàng)目模塊與知識(shí)點(diǎn)；相關(guān)課程的教學(xué)知識(shí)點(diǎn)的復(fù)習(xí)（學(xué)生課后完成）；項(xiàng)目模塊與知識(shí)點(diǎn)相結(jié)合的實(shí)踐練習(xí)；實(shí)踐結(jié)果的講解；內(nèi)容的總結(jié)延伸與拓展。該教學(xué)方法的基本流程如圖1所示。

3.項(xiàng)目式教學(xué)案例

項(xiàng)目名稱(chēng)：平面四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真。

知識(shí)點(diǎn)及教學(xué)要求：學(xué)生必須課前復(fù)習(xí)平面四連桿機(jī)構(gòu)類(lèi)型的確定、運(yùn)動(dòng)參數(shù)的確定。本項(xiàng)目為綜合應(yīng)用項(xiàng)目，學(xué)習(xí)和運(yùn)用的知識(shí)點(diǎn)有數(shù)值計(jì)算，矩陣的定義和使用，邏輯運(yùn)算，編程中的循環(huán)應(yīng)用，函數(shù)的定義與使用，非線(xiàn)性方程求解指令求解以上超越方程組，MATLAB繪圖知識(shí)，電影動(dòng)畫(huà)的繪制等包含所有的MATLAB基礎(chǔ)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)所學(xué)習(xí)的MATLAB知識(shí)在具體問(wèn)題中的應(yīng)用。學(xué)生按照不同的組，完成不同功能函數(shù)的編寫(xiě)，然后一起討論形成本組一個(gè)完整的項(xiàng)目結(jié)果，選派代表給大家講解通過(guò)什么方式實(shí)現(xiàn)這樣的功能。

項(xiàng)目任務(wù)分解：四桿機(jī)構(gòu)類(lèi)型判定；構(gòu)件運(yùn)動(dòng)參數(shù)偏角的確定；構(gòu)件運(yùn)動(dòng)參數(shù)角速度的確定；節(jié)點(diǎn)位置的確定；最后組合程序完成運(yùn)動(dòng)仿真，繪制出四桿機(jī)構(gòu)包絡(luò)線(xiàn)圖形，以下是一種實(shí)現(xiàn)的方式。

3.1平面四桿機(jī)構(gòu)的基本參數(shù)

3.2四桿機(jī)構(gòu)類(lèi)型判定

根據(jù)平面四桿機(jī)構(gòu)中，曲柄存在條件[4]，編制M文件在MATLAB中判定機(jī)構(gòu)類(lèi)型：創(chuàng)建函數(shù)Jglxsb，用它識(shí)別機(jī)構(gòu)類(lèi)型。

評(píng)價(jià)實(shí)踐結(jié)果及總結(jié)延伸與拓展：該項(xiàng)目為MATLAB所有知識(shí)點(diǎn)的融合化大項(xiàng)目，要求學(xué)生對(duì)算法能夠轉(zhuǎn)換成MATLAB語(yǔ)言，同時(shí)對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)要相對(duì)比較熟練才能夠完成該項(xiàng)目，對(duì)數(shù)值計(jì)算，矩陣的定義和使用，邏輯運(yùn)算，編程中的循環(huán)應(yīng)用，函數(shù)的定義與使用，非線(xiàn)性方程求解指令求解以上超越方程組，MATLAB繪圖知識(shí)，電影動(dòng)畫(huà)的繪制等包含所有的MATLAB基礎(chǔ)知識(shí)的考查非常到位。同時(shí)學(xué)生可以實(shí)現(xiàn)其他機(jī)構(gòu)雙搖桿機(jī)構(gòu)，雙曲柄機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)的仿真，最終的結(jié)果有該組學(xué)生自己討論進(jìn)行程序編寫(xiě)與分析。采用四連桿機(jī)構(gòu)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)為例進(jìn)行MATLAB基礎(chǔ)知識(shí)綜合實(shí)踐，取得很好的教學(xué)效果。

4.結(jié)語(yǔ)

在項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)中，項(xiàng)目的選擇應(yīng)該符合學(xué)生的專(zhuān)業(yè)方向，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，并有利于培養(yǎng)創(chuàng)新能力。本文以整本書(shū)的MATLAB基礎(chǔ)知識(shí)的一個(gè)實(shí)例介紹了本文的項(xiàng)目式教學(xué)方法，該項(xiàng)目完成需要組內(nèi)同學(xué)討論，在確定機(jī)構(gòu)類(lèi)型的前提下，按照項(xiàng)目分解進(jìn)行逐步分析設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)平面四連桿機(jī)構(gòu)仿真的過(guò)程。另外，通過(guò)項(xiàng)目的分解和逐步實(shí)現(xiàn)，提高了學(xué)生從實(shí)際出發(fā)，結(jié)合課程內(nèi)容進(jìn)行合理的分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。為了進(jìn)一步改進(jìn)方法，提高教學(xué)質(zhì)量，在項(xiàng)目式教學(xué)法實(shí)施過(guò)程中教師要不斷嘗試和創(chuàng)新，并對(duì)項(xiàng)目?jī)?nèi)容進(jìn)行外延和總結(jié)，互動(dòng)和疑難解答。可將此方法推廣應(yīng)用到機(jī)制專(zhuān)業(yè)其他課程的學(xué)習(xí)中，對(duì)于提高學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性有很大的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]張志涌.MATLAB教程R2012a[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

[2]伍秀娟，項(xiàng)榮健.以協(xié)作項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)的教學(xué)實(shí)踐與應(yīng)用[J].中國(guó)電化教育，2011（5）：92-96.

[3]張靜亞.基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的MATLAB教學(xué)方法研究[J].科技教育，2014（36）：147.

[4]王俊峰，田麗萍.Matlab運(yùn)動(dòng)仿真在機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用.機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2009，22（4）：187-188.

[5]沈孝通.基于MATLAB的平面連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析[J].制造業(yè)信息化，2011（7）：76-79.

基金項(xiàng)目：陜西省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（15JK2170）；西京學(xué)院教學(xué)改革研究項(xiàng)目（JGYB1505 ）；西京學(xué)院基金項(xiàng)目（XJ150110 ）。